淺談沖壓模具壽命的管控方法

文/趙金升，谷龍，陳德欣·長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

淺談沖壓模具壽命的管控方法

文/趙金升，谷龍，陳德欣·長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

趙金升，助理工程師，主要從事汽車模具、工藝研發(fā)工作。

本文介紹了模具的失效形式及原理，通過對影響模具壽命因素的分析，提供了模具壽命管理的有效方法和可靠數(shù)據(jù)，為搭建模具企業(yè)的質(zhì)量管理體系提供依據(jù)。

隨著模具工業(yè)的不斷發(fā)展，模具的應(yīng)用越來越廣泛。目前國內(nèi)大多數(shù)模具企業(yè)，模具的使用壽命還比較低，而且缺乏對模具壽命管理的理論認識和指導(dǎo)依據(jù)，這不僅會影響沖壓生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，而且會造成模具材料、加工工時等成本的巨大浪費，增加生產(chǎn)成本并降低生產(chǎn)效率，嚴重影響模具企業(yè)產(chǎn)品市場的競爭力。

模具壽命的定義及目的

定義

模具因為磨損或其他形式失效、終至不可修復(fù)而報廢之前所加工的產(chǎn)品件數(shù)，稱為模具的使用壽命，簡稱模具壽命。模具壽命是首次壽命（修復(fù)前生產(chǎn)出的合格件數(shù)）與各次修模壽命的總和。實際上，我們并不期望模具的壽命無限長， 最佳的模具壽命應(yīng)是基于獲得最低單件產(chǎn)品成本計算出來的。

目的

通過對模具壽命的管理，防止因模具自然磨損和老化帶來的品質(zhì)事故發(fā)生，通過企業(yè)的壽命管理體系，確保原材料部品品質(zhì)的穩(wěn)定性。

模具的失效

失效概念

模具的失效形式分為非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未達到正常使用、保養(yǎng)條件下使用壽命，而早期失效、報廢的情況；正常失效是指模具經(jīng)大批量生產(chǎn)使用，因緩慢塑性變形、均勻磨損、斷裂等而不能繼續(xù)工作的失效。

失效形式

模具失效的形式通常有塑性變形、斷裂、磨損等。

⑴塑性變形：塑性變形主要表現(xiàn)為鐓粗、彎曲、形腔變形、塌陷等。因模具工作時承受較大的應(yīng)力，當應(yīng)力超過模具材料的屈服極限時，就會產(chǎn)生塑性變形，改變其幾何形狀或尺寸。模具塑性變形是模具材料的屈服過程，通常以晶格滑移、孿晶、晶界滑移等方式進行。模具是否產(chǎn)生塑性變形，與所受應(yīng)力、模具的工作溫度及模具材料的高溫強度等有關(guān)。

⑵磨損失效：模具在工作時，與制件材料接觸，并產(chǎn)生相對運動，從而使接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象叫磨損。磨損失效又分為：表面金屬疲勞脫落的疲勞磨損；金屬表面氣泡破裂而形成微小麻點和凹坑的氣蝕磨損；液體和固體微小顆粒反復(fù)高速沖擊模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻點和凹坑的沖蝕磨損；以及在摩擦過程中，模具表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，而引起表面材料脫落的磨蝕磨損。磨損往往是以多種形式并存。

⑶斷裂失效：模具出現(xiàn)裂紋或分離為兩部分或多部分，喪失工作能力的失效，即為斷裂失效。斷裂可分為塑性斷裂和脆性斷裂。模具材料多為脆性斷裂。

影響模具壽命的因素及保證方法

合理選用模具材料

沖壓模具工作時要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負荷，工作條件復(fù)雜，易發(fā)生磨損、疲勞、斷裂、變形等現(xiàn)象。因此，模具材料的性能對模具的壽命影響較大，不同材質(zhì)的模具壽命往往不同，對模具工作零件材料的要求比普通零件也高。根據(jù)模具的工作條件、生產(chǎn)批量以及材料本身的強韌性能來選擇模具用材，應(yīng)盡可能選用品質(zhì)好的鋼材。

⑴材料的使用性能應(yīng)具有高硬度(58～64HRC）和高強度，并具有高的耐磨性和足夠的韌性，熱處理變形小，有一定的熱硬性。

⑵材料的工藝性能良好，具有可鍛性、淬硬性、淬透性、淬火裂紋敏感性和磨削加工性、熱穩(wěn)定性和耐熱疲勞性等。

⑶在大批量生產(chǎn)選用模具材料時，應(yīng)選用長壽命的模具材料，如硬質(zhì)合金，高強韌、高耐磨模具鋼(如SKD11，SLD，DC53等）；對小批量或新產(chǎn)品試制可采用國產(chǎn)的45#、Cr12等模具材料；對于易變形、易斷裂失效的通用模具，需要選用高強度、高韌性的材料DF-2。

選擇恰當?shù)哪＞邿崽幚砉に?/p>

熱處理不當是導(dǎo)致模具早期失效的重要原因，通過模具失效分析得知，45%的模具失效是由于熱處理不當造成的。模具熱處理包括鋼材鍛造后的退火，粗加工以后高溫回火或低溫回火，精加工后的淬火與回火，電火花、線切割以后的去應(yīng)力低溫回火。只有冷熱加工相互配合，才能保證良好的模具壽命。

⑴模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限，使模具不致脹大。

⑵對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常Cr12MoV鋼淬火加熱溫度為1000℃，油冷，然后220℃回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次，即加熱至1100℃保溫，油冷，700℃高溫回火，則模具壽命能大幅度提高。

⑶采用低溫氮碳共滲工藝，表面硬度可達1200HV，也能大大提高模具壽命。

⑷模具淬火后存在很大的殘留應(yīng)力，它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進行回火，回火應(yīng)充分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。

⑸回火后一般為空冷，在回火冷卻過程中，材料內(nèi)部可能會出現(xiàn)新的拉應(yīng)力，應(yīng)緩冷到100～120℃以后再出爐，或在高溫回火后再加一次低溫回火。

2)成本控制措施(D)：按照核電工程預(yù)算和執(zhí)行程序開展立項、采購、變更和支付等業(yè)務(wù)，實施立項對標、采購市場競標、嚴控緊急采購及變更等相應(yīng)的控制措施，支付必須考慮重視資金時間價值，結(jié)合實際合理安排支付計劃，避免超前支付造成損失。

⑹模具表面強化工藝能夠提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。表面強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電鍍、TD法、CVD法、PVD法、激光表面強化法、離子注入法、等離子噴涂法等。

選擇合理的沖壓工藝及模具結(jié)構(gòu)

對同一制件，不同的沖壓工藝決定了模具結(jié)構(gòu)的不同。在制定沖壓工藝時，必須要分析制件結(jié)構(gòu)，考慮模具結(jié)構(gòu)，保證模具具有足夠的強度、壽命。模具的種類、形式較多，影響模具結(jié)構(gòu)的因素也多種多樣，在模具設(shè)計時，選擇合理的結(jié)構(gòu)可提高模具的強度、剛性，使模具受力均衡，不偏載，減少應(yīng)力集中情況的發(fā)生，提高模具的壽命。

⑴模具導(dǎo)向精度：準確、可靠的導(dǎo)向，可保證模具各相關(guān)零件的相互位置精度，減少模具工作零件的不均勻磨損，避免凸、凹?？袀?、增加模具的抗彎曲、抗偏載能力。尤其是對于小間隙沖裁模、復(fù)合模和多工位級進模作用更為有效。為提高模具壽命，必須根據(jù)工序性質(zhì)和零件精度等要求，正確選擇導(dǎo)向形式和確定導(dǎo)向機構(gòu)的精度。通常對于沖小孔的凸模，需采用自身導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；而選用小噸位沖壓設(shè)備的模具，還可根據(jù)情況選用浮動模柄，避免沖床對模具導(dǎo)向精度的不良影響。一般情況下，導(dǎo)向機構(gòu)的精度應(yīng)高于凸、凹模配合精度。

⑵模具工作零件尺寸：凸、凹模的形狀、配合間隙和圓角半徑不僅對沖壓件成形有較大的影響，對于模具的磨損及壽命也影響很大。如合理的凸凹模間隙，可增加模具的磨損空間，提高模具的使用壽命。當模具精度要求較高時，宜選用較小的間隙值；反之則可適當加大間隙，以提高模具壽命。在模具設(shè)計時，還應(yīng)盡量避免出現(xiàn)尖銳的圓角和過大的截面變化，尖銳的圓角可引起應(yīng)力集中，從而引起開裂；對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具，可采用鑲塊結(jié)構(gòu)，使工件形狀、結(jié)構(gòu)簡單，受力均勻。凹模工作部位的圓角半徑大小，不僅對模具的成形過程及磨損速度有影響，對模具的失效形式及壽命也有影響。在模具設(shè)計時，應(yīng)盡量增大圓角半徑，并做到光滑過渡，以提高模具壽命。

⑶模架剛性：模座厚度不宜太薄，應(yīng)有良好的剛性，滿足強度要求。

⑷排樣方式：排樣方式與搭邊值大小對模具壽命也有影響。過小的搭邊值，往往是造成模具急劇磨損和凸、凹?？袀闹饕?。對于沖裁模具，當搭邊值小于一定數(shù)值后，有可能將料片邊緣直接拉入模具間隙中，損壞模具刃口，降低模具壽命。因此在模具設(shè)計時必須要慎重考慮排樣方法，確定搭邊值，保證滿足模具壽命要求。

⑸其他方面：在模具設(shè)計時，除關(guān)注上述情況外，還有許多方面均需注意。如為滿足熱處理要求，避免過大的形狀/截面變化，對于各工件其形狀尺寸的變化均采用圓角過渡等；為滿足熱處理及加工要求避免開盲孔；為保證模具強度要求，避免模具刃口間距太近；以及模具設(shè)計時必須保證廢料順利排出、設(shè)置模具存放裝置（保護模具刃口及彈性元件）、模具設(shè)計時控制模具在沖壓設(shè)備中工作時的偏載現(xiàn)象，保證模具受力均衡，提高模具的壽命。

選擇合理的加工工藝

機加工工藝要能消除加工后的加工變形與殘留應(yīng)力，盡量采用磨削、研磨和拋光等精加工和精細加工，獲得較小的表面粗糙度值，提高模具使用壽命。

⑴模具表面加工時留下的刀痕、磨痕都是應(yīng)力集中的部位，也是早期裂紋和疲勞裂紋源。

⑵粗加工時要為精加工保留合理的加工余量，因為所留的余量過小，可能因熱處理變形造成余量不夠，必須對新制沖模進行補焊，若留的余量過大，則增加了淬火后的加工難度。

⑶模具的制造裝配精度對模具壽命的影響也很大，裝配精度高，底面平直，平行度好，凸模與凹模垂直度高，間隙均勻，亦可獲得相當高的壽命。

模具工作條件的影響

⑴沖壓原材料對模具壽命的影響：對于冷沖壓模具，當沖壓件原材料強度較低、厚度較薄時，所需的成形力將較小，模具受力也較小，模具壽命相對較高；如果原材料厚度公差超差、材料性能波動、表面質(zhì)量較差（如銹跡）或不干凈（如油污）等，會造成模具工作零件磨損加劇、易崩刃等不良后果，所以必要時應(yīng)清除表面氧化物和銹跡。

⑵潤滑對模具壽命的影響：潤滑模具與坯料的相對運動表面，可減少模具與坯料的直接接觸，有效降低摩擦力、沖壓力，減少模具的磨損。同時，潤滑劑還能在一定程度上減少摩擦熱的產(chǎn)生，阻礙坯料向模具傳熱，降低模具溫度，提高模具壽命。

⑶沖壓設(shè)備對模具壽命的影響：沖壓設(shè)備的精度和剛性對模具壽命的影響很大，同樣一副模具在不同精度的壓力機上將會顯示出不同的使用壽命。如果一臺沖壓設(shè)備的精度和剛性較差，在沖壓制件的過程中，設(shè)備易產(chǎn)生變形，將導(dǎo)致模具的上、下模中心線不重合、間隙不均，造成模具局部磨損加劇，甚至出現(xiàn)啃刃、崩刃現(xiàn)象。特別是對于小間隙或無間隙沖模、硬質(zhì)合金沖模及精密沖模必須選擇精度高、剛性好的壓力機。如果設(shè)備存在偶然過載的現(xiàn)象，嚴重時也會損壞模具，影響模具壽命。

與液壓設(shè)備相比，機械沖壓設(shè)備的沖壓速度較快。如果速度越快，模具在單位時間內(nèi)受到的的沖擊力將會較多，當速度到達一定程度時，沖擊能量來不及傳遞和釋放，將集中在模具的局部，造成局部應(yīng)力超過模具材料的屈服應(yīng)力或斷裂強度，使模具產(chǎn)生塑性變形或斷裂，影響模具的使用壽命。

規(guī)范操作、維護、保養(yǎng)，延長模具壽命

⑴模具操作人員應(yīng)杜絕由于野蠻裝卸引起的異常失效；同時還應(yīng)保持模具清潔，避免模具在工作時有影響安全及模具失效的異物存在；避免雙件沖壓現(xiàn)象的發(fā)生。在安裝調(diào)試模具過程中，應(yīng)規(guī)范操作、循序漸進，避免因操作過量而引起模具的失效；在正常生產(chǎn)時，密切關(guān)注模具的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常聲音、振動等情況，及時停機檢查，杜絕模具帶病工作的情況發(fā)生。

⑵模具的維護保養(yǎng)，其目的就是使模具保持最佳的性能狀態(tài)，從而延長模具的使用壽命。在日常生產(chǎn)過程中，必須做到及時維護、保養(yǎng)，如果模具帶病工作，不僅存在一定的安全隱患，同時也會加劇模具的失效速度。因此，模具操作者及專業(yè)模保人員必須及時清理、維護、保養(yǎng)模具，預(yù)防、杜絕不良和異常情況的發(fā)生，延長模具的使用壽命。

結(jié)束語

影響冷沖壓模具壽命的因素方方面面，任何一個因素失效，都會導(dǎo)致模具壽命的降低。應(yīng)用先進制造工藝和實行全面質(zhì)量管理，是提高模具壽命的有效保證。如果要想更好的提高模具壽命，則必須對制件工藝制定、模具設(shè)計、選材、加工、選擇沖壓設(shè)備、規(guī)范操作、維護保養(yǎng)等各方面進行綜合分析。要納入模具企業(yè)的質(zhì)量管理體系，不斷提高模具設(shè)計和制造水平，有利于提高模具壽命。