徐鵬飛 龐志艷 陳磊 任曉明

摘 要：本文從縱梁彎曲成型模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及模具材料選擇提高模具使用壽命角度出發(fā)，對消除模具損傷的失效形式進(jìn)行了分析，闡述了載重汽車縱梁、車架類等模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及模具凹模塊入口曲線（Traktrix曲線）結(jié)構(gòu)方案。對模具磨損和零件劃傷，提高生產(chǎn)率和降低成本等方面做出分析，本文重點(diǎn)介紹了縱梁模具結(jié)構(gòu)、材料、TD覆層技術(shù)以及彎曲成型類模具失效形式。

關(guān)鍵詞：工藝；失效分析；模具結(jié)構(gòu)；表面處理工藝

1、縱梁模具的失效分析

模具常見的失效形式主要有：斷裂失效；表面損傷失效；變形失效。模具的失效有達(dá)到預(yù)定壽命的正常失效，也有遠(yuǎn)低于預(yù)定壽命的早期失效。正常失效是比較安全的，而早期失效則帶來經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能造成人身或設(shè)備事故，因此應(yīng)盡量避免。模具在工作過程中可能同時(shí)出現(xiàn)多種形式的損傷，導(dǎo)致模具失去正常功能。

1.1 模具材料的化學(xué)分析如下

縱梁彎曲成型模具，使用材料為Cr12MoV冷作模具鋼， 失效冷彎曲成型模具的化學(xué)成分在Cr12MoV 鋼的化學(xué)成分范圍內(nèi)， 雜質(zhì)元素硫和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超標(biāo)， 不會導(dǎo)致模具的開裂與失效。 由此判斷， 該模具的過早失效不是由材料的化學(xué)成分引起的。

1.2 模具斷口外觀分析

觀察脆斷的斷口特征，發(fā)現(xiàn)其斷口呈銀灰色， 宏觀組織細(xì)密、均勻，未見氣孔、夾渣非金屬夾雜物和晶粒特別粗大等現(xiàn)象。由此判斷， 材料的冶金質(zhì)量無明顯不足（見圖二）。

1.3 模具材質(zhì)的金相分析

觀察Cr12MoV金相圖（見圖三）塊狀碳化物的分布可知，共晶碳化物呈明顯網(wǎng)狀分布，且局部有堆積現(xiàn)象，共晶碳化物的這種分布形態(tài)，會導(dǎo)致脆性區(qū)域的產(chǎn)生，其強(qiáng)度低，塑性、韌性差，不能承受大的沖擊力，裂紋很容易在這里萌生與擴(kuò)展，由于該區(qū)脆性大，并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以成為裂紋產(chǎn)生的主要原因，大大地降低了模具的使用壽命。同時(shí)，共晶碳化物的不均勻性還使模具的力學(xué)性能呈各向異性，極易引起模具在熱處理和使用過程中發(fā)生畸變開裂，致使模具不均勻磨損和崩刃，最終導(dǎo)致模具早期失效。

1.4 模具工作中產(chǎn)生失效的原因分析

模具投入使用后，在工作壓力比較大的拉伸成形時(shí)，拉傷現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重，通過對模塊使用情況進(jìn)行對比統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)凹模圓角位置屬于應(yīng)力集中點(diǎn)，最易出現(xiàn)劃傷損壞情況見，圖四、圖五?？v梁、車架類等模具在彎曲成型過程中不可避免要產(chǎn)生磨損和劃傷，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，因大梁彎曲成型模具的熱處理硬度相對較低，批量生產(chǎn)后大梁模具的凹模塊表面會出現(xiàn)劃痕并對大梁翼面造成劃傷。從宏觀角度上觀察由于模具工作時(shí)，凸模與氣墊板先將大梁板料上下面夾緊，然后拉入凹模塊中，其間會產(chǎn)生大量的摩擦熱，同時(shí)由于大梁板料自身攜帶的毛刺、氧化皮及熔渣易對大梁凹模塊表面產(chǎn)生劃傷進(jìn)而造成大梁翼面劃傷，使大梁劃傷處形成應(yīng)力集中點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)可造成大梁斷裂，同時(shí)降低了模具使用壽命。從微觀角度上觀察由于模具工作時(shí)，模具凸、凹模與被加工材料表面相互接觸并相對滑動，組成一對摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的，總存在可以測到的粗糙度，所以真正的接觸只發(fā)生在微觀接觸面上。分析表明，微觀真實(shí)接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一小部分，在此微觀接觸面產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，這些應(yīng)力由于切向相對運(yùn)動還會加強(qiáng)，以致受到負(fù)荷作用的粗糙面凸峰發(fā)生彈性或彈塑性變形，這樣磨擦副雙方表面的吸附層或反應(yīng)層會遭到破壞，結(jié)果使暴露在表面的原子鍵聯(lián)結(jié)或多或少地得到了加強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為粘著作用。當(dāng)摩擦副發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)，這種原子鍵又會相互脫開，其結(jié)果是材料從磨擦副的一方轉(zhuǎn)移到磨擦副的另一方上去，這就是所謂的粘著磨損。實(shí)驗(yàn)證明，出現(xiàn)粘著磨損的磨擦副的表面非常粗糙，并有拉傷，其程度與法向力、磨擦副之間相對運(yùn)動速度以及溫度等負(fù)荷參數(shù)有關(guān)。當(dāng)以上負(fù)荷參數(shù)超過了臨界值時(shí)，粘著磨損突然加劇，出現(xiàn)所謂膠合現(xiàn)象，極端情況磨擦副間的相對運(yùn)動停止，出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。由上分析可見，縱梁成形時(shí)表面出現(xiàn)拉傷或咬死現(xiàn)象就是粘著摩損所引起的結(jié)果?？v梁成形時(shí)表面出現(xiàn)拉傷或咬死現(xiàn)象就是粘著摩損所引起的結(jié)果。都會在模具凸、凹模表面形成機(jī)械的磨損，磨損部位主要出現(xiàn)在凹模、凸模、凹模圓角半徑處。由于縱梁表面與模具凸、凹模表面粘著磨損而形成的拉傷，這是生產(chǎn)中最常見而又最不容易解決的一種情況。

據(jù)以上的失效分析可以知，導(dǎo)致縱梁彎曲成形模具失效原因主要有兩個(gè)：一是由于在彎曲成型過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致主要受力點(diǎn)凹模圓角位置出現(xiàn)裂紋；二是由于粘著磨損，在彎曲成形過程中由于縱梁與模具之間的產(chǎn)生滑動產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致凹模圓角半徑表面出現(xiàn)劃傷。

2、縱梁彎曲成型模具結(jié)構(gòu)及模具表面處理方式

針對上述兩個(gè)原因，從兩個(gè)方面尋求解決方案，一對模具凹模圓角結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，二是改進(jìn)模具的表面處理工藝。

2.1 針對易損傷位置的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該模具凹模入口結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：按照傳統(tǒng)的彎曲模結(jié)構(gòu)，彎曲凹模入口部位通常采用標(biāo)準(zhǔn)圓弧半徑和橢圓曲線為入口形狀，這種形狀對于薄、厚料或較大尺寸零件的彎曲過程中在彎曲部位會出現(xiàn)“沖擊痕”或壓痕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。依據(jù)圖二受力情況分析及精確計(jì)算（計(jì)算略），采用Traktrix曲線作為凹模入口部位形狀并將它與習(xí)慣采用的圓弧形狀作對比就可以得出以下結(jié)論：模具對彎曲零件的擠壓力減小，避免了零件表面產(chǎn)生劃傷、壓痕、凹坑等缺陷，提高了模具的使用壽命。

2.2 模具的表面處理工藝改進(jìn)

減少粘著磨損所采取的一些基本措施：減少接觸副之間的負(fù)荷，包括機(jī)械與熱負(fù)荷。當(dāng)使用金屬配對副時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用體心立方或六方體結(jié)構(gòu)的材料，避免采用面心立方結(jié)構(gòu)的材料。同時(shí)采用潤滑油膜使接觸副隔開使接觸副表面上形成保護(hù)性的吸附層或反應(yīng)層。

模具TD覆層表面處理通過對模具凸、凹模進(jìn)行表面超硬化處理是解決零件表面拉傷問題經(jīng)濟(jì)而有效有方法。TD覆層處理國內(nèi)又名熔鹽滲金屬、滲釩等，其原理是通過熱擴(kuò)散作用于模具表面形成一層數(shù)微米到數(shù)十微米的碳化釩覆層。主要特點(diǎn)是：① 覆層硬度較高，硬度可達(dá)3000HV左右，具有極高的耐磨、抗拉傷、耐蝕等性能；② 由于是通過擴(kuò)散形成的，所以覆層與基體具有冶金結(jié)合，這一點(diǎn)對在成形類模具上的應(yīng)用極其重要；③ TD覆層處理后可以直接進(jìn)行淬火，這一點(diǎn)特別適合于各類模具鋼材；④ TD覆層處理可以重復(fù)進(jìn)行。大量的實(shí)踐證明，在成形類模具上采用該技術(shù)具有其他表面處理無法比擬的使用效果，在一些場合具有比硬質(zhì)合金更好的效果。

3.模具結(jié)構(gòu)及表面處理工藝改進(jìn)前后模塊狀態(tài)對比

通過多年大梁的生產(chǎn)和對大梁彎曲模具工作部分的觀察和研究，我們認(rèn)為采用Traktrix曲線技術(shù)和TD覆層處理后的大梁模具從根本上解決了大梁模具劃傷失效問題，大幅度提高了大梁模具的使用壽命，取得了優(yōu)異的使用效果。

4.結(jié)束語

模具的失效，是模具表面拉傷和粘著磨損的結(jié)果，解決模具表面拉傷和粘著磨損問題的方法較多，應(yīng)根據(jù)情況具體予以選擇。采用合理的模具材料、結(jié)構(gòu)及TD覆層處理是目前解決模具失效問題最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。

作者簡介：

徐鵬飛，性別：男，出生年月日：1984年7 月 8 日，職稱：工程師，現(xiàn)就職于北奔重型汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心底盤所，從事商用車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。