影響沖壓模具壽命的因素及提高模具壽命的措施研究

陳雪巖，余小魯

（安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）

影響沖壓模具壽命的因素及提高模具壽命的措施研究

陳雪巖，余小魯

（安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）

沖壓模具的壽命長短可以根據(jù)其在失效前制造的零件數(shù)量來評價，制約沖壓模具服役時間的因素有很多，在實際生產(chǎn)中，幾種因素共同作用，決定了沖壓模具的使用壽命.對于不同的影響因素需要了解其具體的影響方式才能夠找到合理的解決方法來提高產(chǎn)品質(zhì)量延長模具壽命，本文從設(shè)計過程制，造過程以及模具的使用過程三個方面列舉了影響沖壓模具壽命的幾種主要因素以及可以延長模具壽命的一些途徑.

模具壽命；模具結(jié)構(gòu)；材料；磨損

1 引言

在日常生產(chǎn)生活及模具工業(yè)制造中，沖壓模具制造占有極大的比重，一個地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)水平的高可以直接反映在模具設(shè)計與制造的水平上面，而模具服役時間的長短則決定了其制造工藝與技術(shù)的成熟程度，當模具工作服役到一定時間后便會失效，特別是對于汽車行業(yè)，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對汽車的需求越來越多，企業(yè)要提高自身的競爭力，在市場中占據(jù)有利地位，就需要不斷地創(chuàng)新，而對于汽車的外形結(jié)構(gòu)來講，其加工模具的開發(fā)周期直接決定了其研發(fā)周期，一套模具如果服役時間較短，則其開發(fā)成本會大大增加，一旦模具失效就需要重新制造，因此，提高沖壓模具的壽命有著非常重要的意義.

2 影響模具壽命的主要因素

影響沖壓模具壽命的主要因素可分兩個方面來看，一是沖壓模具的設(shè)計與制造過程，二是沖壓模具的使用過程.

在沖壓模具設(shè)計時，模具過載設(shè)計、工具形式和精度不良、加強環(huán)預(yù)應(yīng)力不足等都會影響模具壽命；在模具制造過程中，模具材料的選材是否合適、下料是否合理，熱處理工藝中是否存在過熱、脫碳等缺陷，淬火冷卻速度，回火硬度及溫度都會對材料的內(nèi)部成分造成影響；模具加工時表面精度低、劃痕、小圓角等因素也會對模具的工作壽命產(chǎn)生影響[1].

在設(shè)計排樣時，應(yīng)盡量保證搭邊的最小寬度約等于坯料的厚度.適當?shù)拇钸呏悼梢杂行У姆乐乖跊_裁過程中坯料被過多的拉入沖裁間隙中，造成模具刃口的磨損，同時也可以減少制件產(chǎn)生毛刺的數(shù)量[2].

使用過程中，由于被加工零件的坯料重量參差不齊、硬度的變化大、表面質(zhì)量不一，形狀尺寸不規(guī)范等因素導(dǎo)致模具壽命受到嚴重的影響；同時，壓力機精度、剛性、工作部分加工速度、加工壓力、模具與壓力機裝配處的中心度和垂直度以及潤滑油的選擇等都制約著模具壽命的長短.

2.1 模具結(jié)構(gòu)對模具壽命的影響

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效地提高模具服役時間，在沖壓模具設(shè)計過程中可以使用仿真模擬軟件對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行改良，以達到模具最佳的使用壽命.

設(shè)計過程中影響沖壓模具使用壽命的因素一共有以下幾種：(1)沖壓模具凸凹模沖裁間隙；(2)沖壓模具本身幾何形狀；(3)沖壓模具自身結(jié)構(gòu)形式.

結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理會使得沖壓過程中模具局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，會引起模具熱處理變形、開裂等，模具幾何形狀的設(shè)計不當會影響到成形過程中坯料的流動及成形力的產(chǎn)生，如一些尖銳的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和過大的截面變化都會造成應(yīng)力集中，在淬火過程中，由于尖銳轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，對模具壽命影響極大[3].

凸凹模圓角半徑也是影響模具壽命的重要因素之一.沖壓模具凸模圓角過小會導(dǎo)致板料拉深成形時的成形力增大，引起凸圓角半徑迅速磨損；凹模圓角過小則會使圓角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋，毀壞模具[4].

模具間隙也影響模具使用壽命，對于成型類沖壓模具（如拉延、整形等），如果凸凹模具之間工作間隙太小，沖壓過程中會使模具與工件接觸部分摩擦阻力上升，模具受到較大的成形力，導(dǎo)致模具和工件表面容易產(chǎn)生磨損，形成擦痕擦傷，加快模具損耗，嚴重影響模具精度和制件質(zhì)量；對于分離型沖壓模具（如落料、修邊、沖孔等），沖裁凸凹模間隙過小也會加劇模具工作部分磨損，嚴重影響模具使用壽命[5].

2.2 模具材料的選擇

沖壓模具的服役條件比較苛刻，在工作時都伴隨著高溫、沖擊、震動與摩擦等外部環(huán)境，所以在選擇模具材料的時候，通常要選用具有良好耐熱疲勞和咬合抗力、好的耐磨性、良好的熱穩(wěn)定性、高硬度、高韌性、高強度的材料；同時，沖壓模具材料的選擇還需考慮到所加工產(chǎn)品的材料性質(zhì)、批量、以及加工精度等因素；根據(jù)生產(chǎn)需要對于不同的模具選擇合理的模具材料[6]可以有效地提高模具壽命.

2.3 熱處理及加工過程

在對沖壓模具進行制造時，要想提高模具使用壽命除了要根據(jù)所加工零件性質(zhì)來確定合適的原材料外，還需要采取適當?shù)臒崽幚?

熱處理是將加工工件放在一定的介質(zhì)中（如水、油、空氣等）加熱到合適的溫度并保持一段時間后，再以不同的介質(zhì)對工件進行冷卻的加工工藝，如對材料進行的預(yù)處理，如先粗加工然后再根據(jù)所要獲得的的性質(zhì)進行退火、淬火、回火等工藝又或者是先采用電火花或磨削加工后再進行退火，總而言之，其目的都是為了消除材料的殘余應(yīng)力.合理的熱處理工藝可以有效的延長沖壓模具的使用壽命，較差的熱處理工藝則會使模具工作部分發(fā)生淬火變形、開裂等，還可能會造成模具在正常工作過程中發(fā)生早期斷裂；熱處理過程中還會伴有氧化脫碳的情況發(fā)生，嚴重影響模具表面質(zhì)量[9].

切削加工、磨削加工、電火花加工等工藝的完成質(zhì)量都關(guān)系到模具表面質(zhì)量與壽命長短，需要格外注意.磨削過程中磨削燒傷和磨削裂紋會造成模具的疲勞強度和斷裂抗力降低；而電火花加工時若操作不慎則會導(dǎo)致電火花燒傷層的出現(xiàn)，在燒傷層處則會出現(xiàn)大的拉應(yīng)力，當燒傷層厚度增大到一定尺寸時會造成顯微裂紋[7].

加工過程中的表面劃痕也會使得模具的壽命和精度降低，降低產(chǎn)品的表面質(zhì)量.

2.4 冷沖壓模具使用過程

沖壓模具的主要失效形式有磨損、變形、腐蝕、疲勞和斷裂[8]，其中由于磨損而導(dǎo)致的失效在各失效形式中所占比例最大，沖壓模具正常生產(chǎn)工作過程中不可避免的會產(chǎn)生磨損，所以模具的日常維護是非常重要的，而當磨損達到一定程度時則會造成沖壓模具的失效.

在工業(yè)生產(chǎn)中盡量多的減少磨損一直以來都是研究者的目標，磨損會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，危害設(shè)備的壽命，如在傳動中的齒輪漸開線齒形受到損壞，造成傳動過程中的晃動，又加劇了磨損[9].又如機床主軸的磨損，使得機床加工精度下降；磨損還會降低機械工作效率，耗用更多能源；除此之外也會埋下機械生產(chǎn)過程中的安全隱患，若不及時發(fā)現(xiàn)并處理，最終會造成重大事故.

3 提高沖壓模具壽命的方法

3.1 優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)

在模具設(shè)計過程中，應(yīng)該使得凸模各部分的過度平緩圓滑，使沖壓模具各部分的應(yīng)力均勻，盡量避免尖銳轉(zhuǎn)角、壁厚懸殊以及內(nèi)凹角等，其直徑與長度應(yīng)滿足一定標準；在遇到一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凹模設(shè)計時，采用鑲拼結(jié)構(gòu)可以有效的減少應(yīng)力集中的產(chǎn)生；為沖壓模具凸凹模設(shè)計合適的圓角半徑可以使得模具工作時受力均勻[10].

加工零件在滿足生產(chǎn)要求的情況下也應(yīng)盡量簡化其結(jié)構(gòu)，過于復(fù)雜的零件必然使模具的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜.

在設(shè)計一些小間隙的沖壓模具時，一般所選擇的導(dǎo)向精度要高于凸模與凹模的配合精度，在提高模具導(dǎo)向精度的同時還可以保證沖裁件的質(zhì)量與精度要求，縮短了小尺寸凸模的自有長度，可以有效的避免其彎曲折斷[11].

對于沖壓模具中的沖孔凸模來說，在沖裁過程中會造成沖裁力失衡，使得板料發(fā)生偏移，造成沖裁間隙的變化，使得沖孔部位毛刺量增加，同時也會是的凸凹模磨損變得嚴重，小尺寸凸模則容易產(chǎn)生變形和彎曲折斷；因此可以采取在凸模刃口部增加導(dǎo)向塊的方法，來增加小尺寸凸模的斷面面積，保證沖裁過程中的沖裁間隙，從而達到延長壽命的目的[12].

3.2 合理選擇模具材料

材料的加工性能如鍛造性能、切削性能、熱處理性能和經(jīng)濟實用性也制約著模具材料的選擇.

碳素工具鋼（T7A、T8A、T10A…）即可用于易脆斷的小型模具或承受沖擊載荷較大的模具制造，也可用于具有高耐磨性、不需要承受大沖擊載荷的模具制造，還可用于制作小型拉伸、擠壓模；

合金工具鋼（CrWMn、9CrWMn、6CrNiMnSiMoV…）在碳素合金鋼中加入合金元素，有效的降低淬火冷卻速度，減少熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，減少淬火變形和開裂傾向；

高碳高鉻冷作模具鋼（Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1…）對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，工作時需受到較大載荷的大型凸凹模是非常合適的原材料；

高速鋼（W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、6W6Mo5Cr4V…）可用于制造對壽命要求高、需承受大載荷的冷作模具、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且耐沖擊要求高的刀具、高溫軸承和冷擠壓模具等；

基體鋼（6Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo2V2Si、5Cr4Mo3SiMn-VAL…）多用于制造硬度及耐沖擊性能要求高的模具，如冷擠壓、冷鐓等，還可用于黑色金屬的熱擠壓模具；

硬質(zhì)合金主要用于多工位級進模制造及大直徑拉伸凹模鑲塊結(jié)構(gòu)的制造；也用于刀具材料，用于切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料；

鋼結(jié)硬質(zhì)合金（TiC基、TiCN基、WC基…）彈性模量比高合金模具鋼要高，韌性也比硬質(zhì)合金要好，該種鋼材所制造的模具潤滑性好、摩擦系數(shù)小、性能穩(wěn)定，可以有效減少模具磨損量，延長模具的更換周期[13].

3.3 選擇合適的熱處理方案

采取合理的熱處理手段，可以更有效地提高模具壽命；如在淬火過程中溫度過高則會使材料過硬，韌性降低，易出現(xiàn)斷裂的情況，淬火溫度不足會導(dǎo)致硬度不夠，易產(chǎn)生變形；若采用的熱處理工藝不合理，則會使加工材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)分布不均勻，晶粒粗大，造成模具的強度、韌性、抗疲勞及抗咬合性能降低，大大縮短模具壽命[14].

在淬火進行前可以采取一些有效的防護措施來減少在淬火過程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布不均等缺陷，如捆包法、填充法、堵塞法[15]；在淬火冷卻階段，選用合適的冷卻劑可以有效的降低工件的淬火變形，預(yù)防模具因熱處理而開裂.

回火工藝流程對于模具的壽命影響也較為明顯，因此還需控制好回火溫度、時間等變量，才能夠有效地避免模具熱處理過程中的開裂.

3.4 合理的模具加工方法

沖壓模具在機加工的過程中可以采用高速切削的加工工藝[16]，不僅極大提高了模具的加工效率，還提高了模具的表面質(zhì)量及其加工精度，有效的延長了其使用壽命.

當一些特別的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無法使用常規(guī)的切削工藝時，則需采用電火花加工工藝[17]；電火花加工工藝可以采用多電極加工法、合理選擇電極材料來減少燒傷層的產(chǎn)生，從而提高模具壽命.

3.5 表面處理

沖壓模具工作部分如凸凹模刃口部分表面質(zhì)量好壞不僅影響模具的使用壽命，還會影響其工作精度和制件的表面質(zhì)量.

可以通過對模具工作部分進行表面處理從而提高沖壓模具的壽命.常用的模具表面處理工藝有滲碳?滲氮等化學熱處理；有電火花、物理氣相沉積、化學氣相沉積、噴涂等表面覆層處理以及噴丸等表面加工處理[18].這幾類處理方式工藝過程繁雜,所用時間長,且加工后模具存在變形較大的缺陷.人們一直致力于研究得到更加節(jié)約成本強化效果更佳的工藝手段，恰逢近幾年激光技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣與應(yīng)用，以激光為手段的新型強化技術(shù)也逐漸成熟.

3.6 模具使用過程中的保養(yǎng)維護

利用仿真模擬軟件對模具的磨損情況來進行模擬，從而得到?jīng)_壓模具的磨損模型，可以有效的預(yù)測沖壓模具的磨損程度，及時的對模具進行維護或者修理，避免出現(xiàn)事故.

合適的潤滑條件不僅可以防止模具生銹，還可以減少沖壓模具工作時的摩擦和沖壓力，以及由于摩擦而產(chǎn)生的摩擦熱，減緩模具的磨損，提高模具的壽命；潤滑劑種類的選擇也至關(guān)重要，要根據(jù)沖壓模具的材料、結(jié)構(gòu)以及實際工作環(huán)境來選擇合適的潤滑劑[19].

日常的保養(yǎng)維護對于延長模具壽命也有很大的幫助，定期的檢查維護可以及時發(fā)現(xiàn)模具在使用過程中出現(xiàn)的一些問題，在模具出現(xiàn)更為嚴重的缺陷而導(dǎo)致失效前進行修理，即保證了生產(chǎn)工作的安全同時也延長了模具的使用壽命.

4 結(jié)語

沖壓模具壽命的影響因素不是獨立存在的，而是共同起著影響效果，材料的選擇的合理與否會影響到之后沖壓模具在制造過程中的加工方式，加工方式的選擇會影響模具生產(chǎn)工作中的性能，而模具的設(shè)計則會影響模具的整個加工制造過程，沖壓模具在生產(chǎn)坯料的過程中產(chǎn)生的磨損對于模具壽命的危害也是不可忽視的，在采取提高模具壽命的手段時需要考慮多種因素.從模具的設(shè)計，選材，加工以及實際生產(chǎn)工作、日常維護等各個環(huán)節(jié)上去采取應(yīng)對措施，才能夠有效的提高沖壓模具的壽命，從而提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本，為企業(yè)謀福利.

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TG385.2

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2017-05-08

鎂合金半固態(tài)成形多尺度多場量耦合計算機模型化研究(KJ2015A329)