熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)對(duì)模具壽命的影響

文/高陽軍·寶雞法士特齒輪有限責(zé)任公司

熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)對(duì)模具壽命的影響

文/高陽軍·寶雞法士特齒輪有限責(zé)任公司

高陽軍，鍛造工藝技術(shù)員，主要從事鍛造模具工裝設(shè)計(jì)、工藝制定，在齒輪類、軸類、法蘭類等閉式鍛造方面及自動(dòng)化高速鍛造生產(chǎn)線產(chǎn)品開發(fā)方面有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

選用鍛造設(shè)備為1000t的高性能螺旋壓力機(jī)，生產(chǎn)某個(gè)鍛件品種，對(duì)比采用常規(guī)方式和采用我公司自主設(shè)計(jì)的熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)裝置時(shí)模具壽命的情況。結(jié)果表明，同一種模具在型腔注水冷卻循環(huán)模式下的使用壽命是常規(guī)模式下使用壽命的3～4.5倍。

模具在鍛造生產(chǎn)中直接影響鍛件的精度及質(zhì)量，由于在服役過程中受到的作用力很復(fù)雜，需要在高溫、高應(yīng)力狀態(tài)下連續(xù)工作，所以熱鍛模的壽命普遍比較低，保證模具的完好非常重要。

模具壽命是指一套新模具從安裝、生產(chǎn)直到失效所生產(chǎn)的鍛件數(shù)量。模具壽命是模具材料、設(shè)計(jì)和制造水平（含模具熱處理和表面強(qiáng)化處理）及使用、維護(hù)水平的綜合反映。我國熱鍛模具的使用壽命僅相當(dāng)于國外工業(yè)先進(jìn)國家模具壽命的1/3，因此，我國模具制造費(fèi)用占鍛件成本高達(dá)30%以上。國內(nèi)大多數(shù)鍛造企業(yè)模鍛錘的模具壽命為0.3～0.5萬件，摩擦螺旋壓力機(jī)的模具壽命約為0.2～0.3萬件，一般僅有0.2萬件左右，機(jī)械壓力機(jī)模具壽命約為0.5～0.8萬件，螺旋壓力機(jī)模具壽命比機(jī)械壓力機(jī)稍低。

由于鍛模型腔與高溫坯料直接接觸，使鍛模溫度不斷升高，局部地方甚至超過了鍛模材料的回火溫度，導(dǎo)致鍛?？鼓Σ聊芰蛷?qiáng)度降低，產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致模具失效，因此需要冷卻模具，保證模具有一定的強(qiáng)度和硬度。

試驗(yàn)過程及結(jié)果

本次試驗(yàn)選用鍛造設(shè)備為1000t高能螺旋壓力機(jī)；模座設(shè)計(jì)為兩工位鐓粗＋鍛造；模具材料選擇H13；坯料材料選擇8620H；坯料加熱溫度為1200℃。常規(guī)生產(chǎn)模式為：鐓粗→鍛造（脫模劑潤滑冷卻+高壓空氣冷卻），模具的使用壽命為0.3～0.4萬件，生產(chǎn)過程如圖1到圖4所示的循環(huán)。

圖1 (第一步)準(zhǔn)備鐓粗

圖2 (第二步)鐓粗

圖3 (第三步)準(zhǔn)備鍛造

圖4 (第四步)鍛造

我公司技術(shù)人員通過改進(jìn)和研發(fā)，選用鍛造設(shè)備為1000t的高性能螺旋壓力機(jī)，測試生產(chǎn)某個(gè)鍛件品種，采用我公司自主設(shè)計(jì)的熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)裝置時(shí)，模具壽命的情況、試驗(yàn)裝置及過程如圖5到圖8所示的循環(huán)，運(yùn)用此方法，我們得到的試驗(yàn)結(jié)果為模具壽命提高到1.3～1.4萬件，模具壽命顯著提高，模具生產(chǎn)制造成本在鍛件生產(chǎn)成本中的占比明顯降低。

圖5 （第一步）準(zhǔn)備鐓粗

圖6 （第二步）鐓粗

圖7 (第三步)準(zhǔn)備鍛造

圖8 (第四步)鍛造

與常規(guī)模式對(duì)比分析

結(jié)果表明，同一種模具在型腔注水冷卻循環(huán)模式下的使用壽命是常規(guī)模式下使用壽命的3～4.5倍，結(jié)合試驗(yàn)效果可以得出以下結(jié)論。

⑴常規(guī)模式模具工作溫度在400～500℃之間，而熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)模式模具工作溫度在50～100℃之間，此時(shí)模具在近恒溫的環(huán)境下工作，其綜合力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定。

⑵熱鍛模型腔由于和高溫坯料接觸，溫度差高達(dá)500～650℃，在這個(gè)溫度條件下，模腔材料表面成分極易發(fā)生改變，局部表面合金元素降低，使很多熱作模具鋼的硬度和變形抗力急劇下降，導(dǎo)致型腔表面回火軟化，使模具硬度和耐磨性急劇降低。更嚴(yán)重的是，這時(shí)候的屈服強(qiáng)度降低，使熱應(yīng)力的峰值更容易達(dá)到屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致型腔產(chǎn)生熱疲勞裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生打塌、磨損、鐓粗等變形。

⑶在型腔注水冷卻循環(huán)模式下的模具在近恒溫（50～100℃）的條件下工作，模具自身熱脹量小，有利于鍛件充滿成形，即使模具型腔有一定磨損亦可使得坯料充滿型腔。

⑷常規(guī)模式下的模具在實(shí)際生產(chǎn)過程中，除了模具自身出現(xiàn)明顯打塌、磨損、鐓粗變形等情況導(dǎo)致自身報(bào)廢外，還有一個(gè)原因是因?yàn)橐诲N打靠但是鍛件充不滿，結(jié)合生產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率必須將舊模具報(bào)廢，多方面因素造成模具提前報(bào)廢，額外增加了生產(chǎn)成本。

結(jié)束語

此次試驗(yàn)通過改進(jìn)冷卻方式，使模具得到充分潤滑和冷卻，從而減小模具表層溫度升高和熱擴(kuò)散層深度，提高模具使用壽命。

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)同一種模具在型腔注水冷卻循環(huán)模式下的使用壽命是常規(guī)模式下使用壽命的3～4.5倍，模具壽命延長效果明顯。此方法與對(duì)模具型腔進(jìn)行耐高溫、耐磨損材料涂層處理等方法相比較簡單許多。在實(shí)際生產(chǎn)中，提高模具壽命是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的綜合工程，筆者只是一名普通鍛造工藝技術(shù)人員，能力有限，文章中的不足之處，還希望與大家交流探討，還望模具冷卻方面的專家提出寶貴指導(dǎo)意見。