陳雪巖，余小魯

（安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)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(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

沖壓模具的壽命長(zhǎng)短可以根據(jù)其在失效前制造的零件數(shù)量來(lái)評(píng)價(jià)，制約沖壓模具服役時(shí)間的因素有很多，在實(shí)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(duì)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(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量延長(zhǎng)模具壽命，本文從設(shè)計(jì)過(guò)程制，造過(guò)程以及模具的使用過(guò)程三個(gè)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(zhǎng)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(gè)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(jì)與制造的水平上面，而模具服役時(shí)間的長(zhǎng)短則決定了其制造工藝與技術(shù)的成熟程度，當(dāng)模具工作服役到一定時(shí)間后便會(huì)失效，特別是對(duì)于汽車行業(yè)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求越來(lái)越多，企業(yè)要提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，在市場(chǎng)中占據(jù)有利地位，就需要不斷地創(chuàng)新，而對(duì)于汽車的外形結(jié)構(gòu)來(lái)講，其加工模具的開(kāi)發(fā)周期直接決定了其研發(fā)周期，一套模具如果服役時(shí)間較短，則其開(kāi)發(fā)成本會(huì)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(gè)方面來(lái)看，一是沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程，二是沖壓模具的使用過(guò)程.

在沖壓模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具過(guò)載設(shè)計(jì)、工具形式和精度不良、加強(qiáng)環(huán)預(yù)應(yīng)力不足等都會(huì)影響模具壽命；在模具制造過(guò)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(guò)熱、脫碳等缺陷，淬火冷卻速度，回火硬度及溫度都會(huì)對(duì)材料的內(nèi)部成分造成影響；模具加工時(shí)表面精度低、劃痕、小圓角等因素也會(huì)對(duì)模具的工作壽命產(chǎn)生影響[1].

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

使用過(guò)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(yán)重的影響；同時(shí)，壓力機(jī)精度、剛性、工作部分加工速度、加工壓力、模具與壓力機(jī)裝配處的中心度和垂直度以及潤(rùn)滑油的選擇等都制約著模具壽命的長(zhǎng)短.

2.1 模具結(jié)構(gòu)對(duì)模具壽命的影響

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效地提高模具服役時(shí)間，在沖壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程中可以使用仿真模擬軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，以達(dá)到模具最佳的使用壽命.

設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)不合理會(huì)使得沖壓過(guò)程中模具局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，會(huì)引起模具熱處理變形、開(kāi)裂等，模具幾何形狀的設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)影響到成形過(guò)程中坯料的流動(dòng)及成形力的產(chǎn)生，如一些尖銳的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和過(guò)大的截面變化都會(huì)造成應(yīng)力集中，在淬火過(guò)程中，由于尖銳轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，對(duì)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(guò)小會(huì)導(dǎo)致板料拉深成形時(shí)的成形力增大，引起凸圓角半徑迅速磨損；凹模圓角過(guò)小則會(huì)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(duì)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(guò)程中會(huì)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(yán)重影響模具精度和制件質(zhì)量；對(duì)于分離型沖壓模具（如落料、修邊、沖孔等），沖裁凸凹模間隙過(guò)小也會(huì)加劇模具工作部分磨損，嚴(yán)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(shí)都伴隨著高溫、沖擊、震動(dòng)與摩擦等外部環(huán)境，所以在選擇模具材料的時(shí)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(qiáng)度的材料；同時(shí)，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(duì)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(guò)程

在對(duì)沖壓模具進(jìn)行制造時(shí)，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(lái)確定合適的原材料外，還需要采取適當(dāng)?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(shí)間后，再以不同的介質(zhì)對(duì)工件進(jìn)行冷卻的加工工藝，如對(duì)材料進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǎng)沖壓模具的使用壽命，較差的熱處理工藝則會(huì)使模具工作部分發(fā)生淬火變形、開(kāi)裂等，還可能會(huì)造成模具在正常工作過(guò)程中發(fā)生早期斷裂；熱處理過(guò)程中還會(huì)伴有氧化脫碳的情況發(fā)生，嚴(yán)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(zhǎng)短，需要格外注意.磨削過(guò)程中磨削燒傷和磨削裂紋會(huì)造成模具的疲勞強(qiáng)度和斷裂抗力降低；而電火花加工時(shí)若操作不慎則會(huì)導(dǎo)致電火花燒傷層的出現(xiàn)，在燒傷層處則會(huì)出現(xiàn)大的拉應(yīng)力，當(dāng)燒傷層厚度增大到一定尺寸時(shí)會(huì)造成顯微裂紋[7].

加工過(guò)程中的表面劃痕也會(huì)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(guò)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(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生磨損，所以模具的日常維護(hù)是非常重要的，而當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時(shí)則會(huì)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(lái)都是研究者的目標(biāo)，磨損會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，危害設(shè)備的壽命，如在傳動(dòng)中的齒輪漸開(kāi)線齒形受到損壞，造成傳動(dòng)過(guò)程中的晃動(dòng)，又加劇了磨損[9].又如機(jī)床主軸的磨損，使得機(jī)床加工精度下降；磨損還會(huì)降低機(jī)械工作效率，耗用更多能源；除此之外也會(huì)埋下機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，最終會(huì)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(jì)過(guò)程中，應(yīng)該使得凸模各部分的過(guò)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(zhǎng)度應(yīng)滿足一定標(biāo)準(zhǔn)；在遇到一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凹模設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)合適的圓角半徑可以使得模具工作時(shí)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(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，過(guò)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(jì)一些小間隙的沖壓模具時(shí)，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(shí)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(zhǎng)度，可以有效的避免其彎曲折斷[11].

對(duì)于沖壓模具中的沖孔凸模來(lái)說(shuō)，在沖裁過(guò)程中會(huì)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(shí)也會(huì)是的凸凹模磨損變得嚴(yán)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(lái)增加小尺寸凸模的斷面面積，保證沖裁過(guò)程中的沖裁間隙，從而達(dá)到延長(zhǎng)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(jì)實(shí)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(kāi)裂傾向；

高碳高鉻冷作模具鋼（Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1…）對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，工作時(shí)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(duì)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(jí)進(jìn)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(rùn)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(zhǎng)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(guò)程中溫度過(guò)高則會(huì)使材料過(guò)硬，韌性降低，易出現(xiàn)斷裂的情況，淬火溫度不足會(huì)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(huì)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(qiáng)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(jìn)行前可以采取一些有效的防護(hù)措施來(lái)減少在淬火過(guò)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(kāi)裂.

回火工藝流程對(duì)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(shí)間等變量，才能夠有效地避免模具熱處理過(guò)程中的開(kāi)裂.

3.4 合理的模具加工方法

沖壓模具在機(jī)加工的過(guò)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(zhǎng)了其使用壽命.

當(dāng)一些特別的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無(wú)法使用常規(guī)的切削工藝時(shí)，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(lái)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(huì)影響其工作精度和制件的表面質(zhì)量.

可以通過(guò)對(duì)模具工作部分進(jìn)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(xué)熱處理；有電火花、物理氣相沉積、化學(xué)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(guò)程繁雜,所用時(shí)間長(zhǎng),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(qiáng)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(qiáng)化技術(shù)也逐漸成熟.

3.6 模具使用過(guò)程中的保養(yǎng)維護(hù)

利用仿真模擬軟件對(duì)模具的磨損情況來(lái)進(jìn)行模擬，從而得到?jīng)_壓模具的磨損模型，可以有效的預(yù)測(cè)沖壓模具的磨損程度，及時(shí)的對(duì)模具進(jìn)行維護(hù)或者修理，避免出現(xiàn)事故.

合適的潤(rùn)滑條件不僅可以防止模具生銹，還可以減少?zèng)_壓模具工作時(shí)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(rùn)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(shí)際工作環(huán)境來(lái)選擇合適的潤(rùn)滑劑[19].

日常的保養(yǎng)維護(hù)對(duì)于延長(zhǎng)模具壽命也有很大的幫助，定期的檢查維護(hù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具在使用過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，在模具出現(xiàn)更為嚴(yán)重的缺陷而導(dǎo)致失效前進(jìn)行修理，即保證了生產(chǎn)工作的安全同時(shí)也延長(zhǎng)了模具的使用壽命.

4 結(jié)語(yǔ)

沖壓模具壽命的影響因素不是獨(dú)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(huì)影響到之后沖壓模具在制造過(guò)程中的加工方式，加工方式的選擇會(huì)影響模具生產(chǎn)工作中的性能，而模具的設(shè)計(jì)則會(huì)影響模具的整個(gè)加工制造過(guò)程，沖壓模具在生產(chǎn)坯料的過(guò)程中產(chǎn)生的磨損對(duì)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(shí)需要考慮多種因素.從模具的設(shè)計(jì)，選材，加工以及實(shí)際生產(chǎn)工作、日常維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)上去采取應(yīng)對(duì)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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鎂合金半固態(tài)成形多尺度多場(chǎng)量耦合計(jì)算機(jī)模型化研究(KJ2015A329)