文/高陽軍·寶雞法士特齒輪有限責任公司
熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)對模具壽命的影響
文/高陽軍·寶雞法士特齒輪有限責任公司
高陽軍,鍛造工藝技術員,主要從事鍛造模具工裝設計、工藝制定,在齒輪類、軸類、法蘭類等閉式鍛造方面及自動化高速鍛造生產(chǎn)線產(chǎn)品開發(fā)方面有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗。
選用鍛造設備為1000t的高性能螺旋壓力機,生產(chǎn)某個鍛件品種,對比采用常規(guī)方式和采用我公司自主設計的熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)裝置時模具壽命的情況。結果表明,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量,由于在服役過程中受到的作用力很復雜,需要在高溫、高應力狀態(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、設計和制造水平(含模具熱處理和表面強化處理)及使用、維護水平的綜合反映。我國熱鍛模具的使用壽命僅相當于國外工業(yè)先進國家模具壽命的1/3,因此,我國模具制造費用占鍛件成本高達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,摩擦螺旋壓力機的模具壽命約為0.2~0.3萬件,一般僅有0.2萬件左右,機械壓力機模具壽命約為0.5~0.8萬件,螺旋壓力機模具壽命比機械壓力機稍低。
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,導致鍛??鼓Σ聊芰蛷姸冉档?,產(chǎn)生塑性變形,導致模具失效,因此需要冷卻模具,保證模具有一定的強度和硬度。
本次試驗選用鍛造設備為1000t高能螺旋壓力機;模座設計為兩工位鐓粗+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)準備鐓粗
圖2 (第二步)鐓粗
圖3 (第三步)準備鍛造
圖4 (第四步)鍛造
我公司技術人員通過改進和研發(fā),選用鍛造設備為1000t的高性能螺旋壓力機,測試生產(chǎn)某個鍛件品種,采用我公司自主設計的熱鍛模型腔注水冷卻循環(huán)裝置時,模具壽命的情況、試驗裝置及過程如圖5到圖8所示的循環(huán),運用此方法,我們得到的試驗結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)準備鐓粗
圖6 (第二步)鐓粗
圖7 (第三步)準備鍛造
圖8 (第四步)鍛造
結果表明,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,結合試驗效果可以得出以下結論。
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,此時模具在近恒溫的環(huán)境下工作,其綜合力學性能相對穩(wěn)定。
⑵熱鍛模型腔由于和高溫坯料接觸,溫度差高達500~650℃,在這個溫度條件下,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,導致型腔表面回火軟化,使模具硬度和耐磨性急劇降低。更嚴重的是,這時候的屈服強度降低,使熱應力的峰值更容易達到屈服強度,導致型腔產(chǎn)生熱疲勞裂紋,進而產(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、鐓粗變形等情況導致自身報廢外,還有一個原因是因為一錘打靠但是鍛件充不滿,結合生產(chǎn)質量及生產(chǎn)效率必須將舊模具報廢,多方面因素造成模具提前報廢,額外增加了生產(chǎn)成本。
此次試驗通過改進冷卻方式,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散層深度,提高模具使用壽命。
試驗結果證實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。此方法與對模具型腔進行耐高溫、耐磨損材料涂層處理等方法相比較簡單許多。在實際生產(chǎn)中,提高模具壽命是一個系統(tǒng)復雜的綜合工程,筆者只是一名普通鍛造工藝技術人員,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意見。