沖壓模具零件制造工藝研究*

李路娜，崔小勇，姜紅靜，邵坤宇

(1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京211135；2.賽科利(南京)汽車模具應(yīng)用有限公司，江蘇 南京210032)

沖壓模具零件制造工藝研究*

李路娜1，崔小勇2，姜紅靜2，邵坤宇2

(1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京211135；2.賽科利(南京)汽車模具應(yīng)用有限公司，江蘇 南京210032)

模具制造工藝應(yīng)充分考慮零件材料和熱處理工藝對(duì)模具使用壽命的影響。研究了模具材料的使用性能和工藝性能，總結(jié)了沖壓模具零件材料的具體選用，探討了熱處理工藝安排及其在模具制造中的應(yīng)用，并以級(jí)進(jìn)沖裁模凹模為例，進(jìn)行了零件的制造工藝方案設(shè)計(jì)，為縮短制模周期和提高模具壽命奠定了基礎(chǔ)。

模具材料；熱處理工藝；凹模；加工方案

模具零件制造工藝決定模具制造質(zhì)量、模壓制件精度和表面質(zhì)量、模具壽命以及制模周期，進(jìn)而決定模具的制造成本[1]。合理選擇材料，正確制定熱處理工藝，提高熱處理質(zhì)量對(duì)延長(zhǎng)模具使用壽命至關(guān)重要。

1 模具材料

1.1 模具材料性能要求

選擇模具材料時(shí)應(yīng)充分了解材料的使用性能和工藝性能。模具材料使用性能要求包括強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性和抗疲勞性等，工藝性能包括鍛造性能、切削加工性能和熱處理性能。冷沖模具鋼使用性能要求高強(qiáng)度、高硬度(58～64 HRC)、高耐磨性、足夠的韌性和熱硬性好，工藝性能要求具有可鍛性、可加工性、淬透性、淬火裂紋敏感性和磨削加工性等，對(duì)其淬透性和磨削加工特性應(yīng)尤其關(guān)注[2]。

1.2 模具材料的分類和選用

1.2.1 冷作模具鋼種類和特性

冷作模具鋼按工藝性能、承載能力和應(yīng)用場(chǎng)合分為低淬透性冷作模具鋼、低變形冷作模具鋼和高合金工具鋼等。

在低淬透性冷作模具鋼 (T7A、T8A、T12A、8MnSi、Cr2、9Cr2、Cr06、CrW5和GCr15)中， 碳素工具鋼可鍛性好、易退火軟化，便于機(jī)械加工，且價(jià)格低、來源廣，熱處理后有較高硬度和一定耐磨性，適用于形狀簡(jiǎn)單、尺寸小、受載輕和生產(chǎn)批量小的冷沖模。

低變形冷作模具鋼(CrWMn、9Mn2V、9CrWMn、9Mn2、MnCrWV和SiMnM等)是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上，加入少量合金元素Cr、W、Mn、Si和V發(fā)展起來的一種低合金鋼。其耐磨性、熱硬性和熱處理工藝性均優(yōu)于碳素工具鋼，且使用壽命長(zhǎng)，適用于制件要求變形小、形狀復(fù)雜的輕載沖裁模和拉伸、彎曲和翻邊模。

高合金工具鋼包括高耐磨微變形冷作模具鋼(Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr5Mo1V、Cr4W2 MoV、Cr12Mn2SiWMoV、Cr6WV、Cr6WV和Cr6W3Mo2.5V2.5)[3]、高強(qiáng)度高耐磨性冷作模具鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W12Mo3Cr4V3N)和抗沖擊冷作模具鋼(4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、9CrSi、60Si2Mn、5CrMnMo和5CrNiMo等)。高合金工具鋼中碳含量高，且含有大量碳化物形成的元素，其淬透性高(淬火時(shí)不需快速冷卻，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小)，耐磨性和熱硬性好，常用于重載、高沖擊載荷模具。

1.2.2 模具材料的選用

在工作過程中，沖壓模具承受沖擊負(fù)荷，凸、凹模受到強(qiáng)大壓力和劇烈磨擦，所以材料應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象和生產(chǎn)批量來選用，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、硬度和較好的耐磨性、耐沖擊性和耐疲勞性等，以及切削加工工藝性好、可淬透、熱處理變形小。沖壓模具作為常用冷作模具，模具工作零件與被加工對(duì)象直接接觸，承受的沖擊力大，材料和熱處理要求較高，材料具體選用見表1[4]。

表1 常用冷作模具零件材料應(yīng)用

結(jié)構(gòu)零件用來支承、連接和固定工作零件，其選材和熱處理不同于工作零件，T8A、T10A和Q235鋼用于導(dǎo)柱、導(dǎo)套、斜楔和滑塊中，45鋼用于頂桿、打料桿、墊板、定位板和擋料銷中，HT200、Q235和ZG310-570鋼用于上、下模座中。

2 熱處理工藝在模具制造中的應(yīng)用

合理選用模具材料、正確制定熱處理工藝可提高模具使用壽命。模具熱處理包括預(yù)備熱處理、最終熱處理和表面強(qiáng)化處理。預(yù)備熱處理(退火、正火和調(diào)質(zhì))用于改善模具鋼的加工性能，并為最終熱處理做準(zhǔn)備；最終熱處理(淬火、回火)可提高模具零件強(qiáng)度、硬度和耐磨性，且使其沖擊強(qiáng)度好；表面強(qiáng)化處理是用物理或化學(xué)方法對(duì)模具零件工作表面進(jìn)行改性處理[5]。熱處理工藝示意圖如圖1所示。

圖1 熱處理工藝示意圖

2.1 預(yù)備熱處理

1)球化退火。加熱溫度為Acm-(20～30) ℃或Ac1+(20～40) ℃，保溫后等溫或直接緩慢冷卻。主要適用于碳素工具鋼、合金工具鋼和軸承鋼等亞共析鋼或過共析鋼，同時(shí)球化退火也可用于亞共析鋼中改善沖壓、冷墩等冷塑性變形。

2)去應(yīng)力退火。加熱溫度略低于A1(約500～600 ℃),適當(dāng)保溫后緩冷到300 ℃以下出爐空冷。主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件和機(jī)加件中的各種殘余應(yīng)力；也可消除大切削量機(jī)械加工(如刨、銑和鏜削)后的加工應(yīng)力，從而降低淬火變形量；還可用于消除模具使用一段時(shí)間后產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力，以延長(zhǎng)其使用壽命。

3)正火。正火是將鋼加熱到Ac3以上30～50 ℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后在空氣中冷卻。正火可改善低碳模具鋼的切削加工性能(ω(C)<0.25%的碳素鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼退火后硬度過低，切削加工時(shí)容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，正火可改善其切削加工性能)；也可細(xì)化中碳模具鋼晶粒，消除其內(nèi)應(yīng)力；還可通過消除過共析模具鋼的網(wǎng)狀碳化物來提高其球化退火質(zhì)量。

4)調(diào)質(zhì)。常用于中碳(低合金)結(jié)構(gòu)鋼，也可用于低合金鑄鋼，調(diào)質(zhì)后得到回火索氏體，為表面淬火和滲氮時(shí)減少變形奠定金相組織基礎(chǔ)，可作為預(yù)備熱處理。調(diào)質(zhì)后零件綜合力學(xué)性能較好，也可用于硬度和耐磨性要求不高、而綜合性能要求較高的零件的最終熱處理。

2.2 最終熱處理

1)淬火。淬火是將工件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間后以適當(dāng)速度冷卻，淬火后可提高模具材料硬度、強(qiáng)度和耐磨性。但淬火后材料塑性差，脆性大，內(nèi)應(yīng)力大，易變形和開裂，因此應(yīng)進(jìn)行回火處理。

2)回火?；鼗鹗卿摯阌埠笤偌訜岬紸c1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鸷竽＞咪摻M織穩(wěn)定，塑性、韌性升高，淬火內(nèi)應(yīng)力減少或消除，零件形狀和尺寸趨于穩(wěn)定。模具鋼回火溫度由模具零件要求和力學(xué)性能決定，分為低溫、中溫和高溫回火。低溫回火適用于高耐磨冷作模具零件，目的是消除和降低淬火應(yīng)力，使材料有一定韌性而不過脆。中溫回火適用于受沖擊的模具零件，目的是使淬火鋼有一定的強(qiáng)度和彈性，以及足夠的韌性和塑性。高溫回火可調(diào)整模具鋼的強(qiáng)韌性，使其達(dá)到最佳配合。

2.3 表面強(qiáng)化工藝

模具表面強(qiáng)化處理方法有液體碳氮共滲、離子滲氮、滲硼、滲釩和激光表面淬火等。表面強(qiáng)化后模具具有內(nèi)部韌、表面硬、耐磨、耐熱、耐蝕、抗疲勞和抗粘結(jié)等優(yōu)異性能；同時(shí)可改善模具綜合性能，節(jié)約合金元素，提高模具壽命達(dá)幾倍乃至幾十倍。

3 模具工作零件制造工藝實(shí)例分析

本文以級(jí)進(jìn)沖裁模凹模為例進(jìn)行分析。

3.1 工藝性分析

整體式結(jié)構(gòu)的級(jí)進(jìn)沖裁凹模如圖2所示。其有3組型孔成形表面，用來完成沖孔、落料的3工步，第1組(工步)沖兩圓孔和定距孔，第2組(工步)沖兩長(zhǎng)孔，第3組(工步)沖落料型孔。各組型孔間的孔距精度對(duì)實(shí)現(xiàn)正確級(jí)進(jìn)和沖裁、保證產(chǎn)品零件各部分位置尺寸至關(guān)重要。型孔孔徑尺寸決定產(chǎn)品零件尺寸，加工時(shí)應(yīng)確保其精度要求。凹模是該模具加工和裝配的基準(zhǔn)件，以其各孔尺寸為基準(zhǔn)來加工卸料板、固定板和模板上各對(duì)應(yīng)孔。

圖2 級(jí)進(jìn)沖裁凹模

3.2 工藝方案設(shè)計(jì)

3.2.1 毛坯選擇及熱處理

凹模工作時(shí)承受沖擊載荷，要求材料具有高耐磨性、高強(qiáng)度、足夠的韌性、良好的切削加工性和一定的使用壽命。選用MnCrWV材料(低變形冷作模具鋼)毛坯鍛造成形(材料內(nèi)部組織細(xì)密，碳化物和流線分布合理，模具質(zhì)量和使用壽命高)，熱處理硬度為60～64 HRC。鍛造后需進(jìn)行退火，以消除內(nèi)應(yīng)力，改善機(jī)械加工性能；在半精加工后進(jìn)行淬火、回火，以滿足硬度要求。

通過分析、查機(jī)械加工余量手冊(cè)[6]，確定鍛件尺寸為125 mm×85 mm×23 mm。毛坯下料尺寸[7]計(jì)算過程如下。

1)鍛件體積和質(zhì)量計(jì)算。鍛件體積V鍛=125×85×23=244.38 (mm3)，鍛件質(zhì)量G鍛=rV鍛=7.85×244.38=1.92 (kg)。其中，r為金屬密度。

由于毛坯質(zhì)量<5 kg，需加熱1～2次，鍛件總損耗系數(shù)為5%，則鍛件毛坯體積V坯=1.05V鍛=256.60 (mm3)，鍛件毛坯質(zhì)量：G坯=1.05G鍛=2.02 (kg)。

3.2.2 外形加工

零件外形尺寸為120 mm×80 mm×18 mm，為小型模具零件，刨、銑削加工均可。

3.2.3 漏料孔和其他孔加工

漏料孔用來漏落料件或廢料，尺寸比型孔單邊尺寸大0.5 mm，在保證型孔工作面長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上減小了落料件與型孔之間的摩擦。其加工方式為淬火前數(shù)銑加工或型孔加工后利用電極從漏料孔的底部方向進(jìn)行電火花加工。銷釘孔、螺孔底孔和穿絲孔在數(shù)控銑床上鉆削加工完成。

3.2.4 型孔加工、檢查

零件型孔成形表面尺寸精度要求高，且小孔孔徑尺寸小，可通過淬火后電火花線切割和研拋2種方法完成。檢查時(shí)，型孔在工具顯微鏡上檢查，小孔需制做二級(jí)工具光面量規(guī)進(jìn)行檢查。

3.3 凹模零件加工工藝流程

根據(jù)上述分析，擬定2種方案：1)下料→鍛造→退火→刨→磨→鉗工→熱處理→磨→線切割→電火花→鉗工；2)下料→鍛造→退火→銑→磨→數(shù)控銑→熱處理→磨削→線切割→鉗工。由于方案2工序集中，且銑削比電火花效率高，因而本文采用方案2，具體工藝過程見表2。

表2 凹模工藝過程

4 結(jié)語

模具材料選用、熱處理工藝流程可影響模具的使用壽命。在編制模具制造工藝過程時(shí)，應(yīng)進(jìn)行工藝性分析，并結(jié)合零件自身特點(diǎn)，合理選擇模具材料和安排熱處理工藝，進(jìn)而提出合理的加工方案，制定出合適的工藝流程，以縮短制模周期和提高模具壽命。

[1] 張正修,馬新梅.模具制造工藝的合理選用[J].航空制造術(shù),2003(3):32-36.

[2] 吳華春,李名堯.冷作模具材料性能分析及其選用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(1):250-252.

[3] 吳曉春,謝塵.國(guó)內(nèi)外冷作模具鋼發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].模具工業(yè),2013,39(12)：1-11．

[4] 李保健,鐘利萍.國(guó)內(nèi)模具材料發(fā)展及其應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝,2012(4):67-70.

[5] 趙峰，張國(guó)政.熱處理工藝在模具制造過程中的應(yīng)用[J].熱加工工藝,2013,42(2):172-175.

[6] 孫本緒,熊萬武.機(jī)械加工余量手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1999.

[7] 姚澤坤. 鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007.

* 江蘇省高等職業(yè)院校國(guó)內(nèi)高級(jí)訪問工程師計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015FG028)

責(zé)任編輯 馬彤

Research on Manufacturing Process of Parts of the Stamping Die

LI Luna1, CUI Xiaoyong2, JIANG Hongjing2, SHAO Kunyu2

(1.Nanjing Institute of Mechatronic Technology, Nanjing 211135, China; 2.Nanjing Superior Die Technology Co., Ltd., Nanjing 210032, China)

We need to consider the service life of die mainly affected by die materials and heat treatment process. The functional requirement of the die material is introduced, and the selection of cold stamping die materials is summarized, then the arrangement and application of heat treatment process on die manufacturing is discussed. Finally, based on the progressive blanking die, we ensure the processing plan ways and form part manufacturing technics process and implement steps.

die material, heat treatment process, die, processing plan

TH

A

李路娜(1980-)，女，碩士，講師,主要從事模具設(shè)計(jì)與制造等方面的研究。

2016-10-12