冲压模具寿命的分析及提高.pdf

word 文档 可自由复制编辑 【摘 要】：随着机械产品零部件的批量化生产，冷冲压模具已经越来越被企业广泛的应用，各企业为了确保机械产品的加工质量，提高产品的加工效率，降低制造成本，已经把提高冷冲压模具的使用寿命作为企业研发的一项重要课题来研究。文章从工作中的实际经验着手，从影响冷冲压模具使用寿命的几种形式，影响冷冲压模具使用寿命的原因，提高冷冲压模具使用寿命的措施与途径等几方面进行了探讨。通过对冷作模具常见失效形式的分析,找出造成模具提前失效、影响其正常生产寿命的原因1。从模具设计制造、制作材料的选择、热处理工艺和维护保养几方面入手,采取相应的措施,就能够有效地提高冷作模具的寿命。【关键词】：冷作模具；失效形式；模具寿命；失效分析 引言 模具寿命是指模具在保证产品零件质量的前提下，所能加工制件的总数量，它包括工作面的多次修磨和易损件更换后的寿命。模具寿命一般可分为设计寿命和使用寿命，在模具设计阶段就应明确该模具适用的生产批量类型或者模具生产制件的总数量，即模具的设计寿命；在正常情况下，模具的使用寿命应大于设计寿命。不同类型的模具正常损坏的形式也不一样，冲压模具失效形式主要为磨损失效、变形失效、断裂失效和啃伤失效等。然而，由于冲压工序不同、工作条件不同，影响冲压模具寿命的因素是多方面的。冷冲压模具的使用寿命，直接关系着产品加工质量和产品加工效率的高低，是影响产品加工经济成本以及产品加工经济效益的重要因素，同时也是衡量冷冲压模具制造水平高低的重要指标。为了确保企业的产品加工质量，产品的加工效率，降低产品的经济成本，获得最大的经济效益，努力提高冷冲压模具的使用寿命是诸多因素中的重要一环。我们有必要根据具体的实际情况，科学的分析和研究，影响冷冲压模具使用寿命长短的各种因素，从冷冲压模具的结构设计开始，从冷冲压模具材料的合理选材入手，从冷冲压模具加工工艺的制定、装配与调试等多种途径和渠道，采用多方位的科学技术手段，来确保提高冷冲压模具的加工制造质量，延长冷冲压模具的使用寿命。为此，从以下几个方面进行简略的分析。以下就冲压模具在的模具设计、模具制造、模具使用等方面来分析冲压模具寿命的影响因素，并提出相应的改善措施来提高模具的使用寿命2。1 影响冷冲压模具使用寿命的几种形式 影响冷冲压模具使用寿命的形式、原因多种多样，其中最主要的有断裂，变形，磨损，啃伤等等。1.1 断裂 word 文档 可自由复制编辑 冷冲压模具凸、凹模在使用过程中，突然出现的破损、折断和裂痕等现象。由于模具的凸、凹模是模具在冲压工作中承受冲压力最大的部分，因此模具凸、凹模在冲压过程中，会出现断裂等现象，其主要原因是：热处理加工处置不当（淬火过硬或硬度层太深），设计间隙过小等均会造成模具凸、凹模破损、折断和断裂【1】。模具凸、凹模的断裂，有的是局部的损坏，我们可以通过修复后继续使用，有的则是断裂损坏的程度比较大或是完全损坏不可再修复，只得按图纸设计另行配置新的凸模或凹模后使用。下图 1 是凸模折断与拉断示意图：图 1 飞壳反挤凸模断裂 a折断 b拉断 a.折断（见图 1a）。图 2 是飞壳反挤凸模，图 2a是凸模断裂中的一种常见形式，断口大多数集中在台阶过渡处，断口是倾斜的，在断口上呈现出断裂时的撕裂条纹犷并且能看出裂纹产生的区域及其断裂的方向。b.拉断（见图 1b）。在我们的实际使用中发现，凸模拉断多半是在润滑条件变坏的情况下发生的，每卸件一次，凸模上都会产生一次附加拉应力的作用。拉断部位均在截面变化的过渡处，断口平整。1.2 变形 冷冲压模具凸、凹模在使用过中发生了形状变形，使被加工出的产品零件，几何形状有所改变，进而影响了被加工零件的尺寸精度与形状要求。这与断裂的情形正好相反，主要是由于凸、凹模在热处理过程中淬火硬度不够或淬火硬度层太浅，而使得凸、凹模在受力过程中发生了几何变形。由于各方面的原因，凸模往往在冷挤压几次或几十次后就会产生 0.2%0.5%的塑性变形，其塑性变形形式是镦粗、变形和弯曲等永久变形。如下图 2 所示：word 文档 可自由复制编辑 图 2 塑性变形 a镦粗 b变形 c弯曲 1.3 磨损 冷冲压模具凸、凹模与被加工材料之间相互长时间频繁摩擦，造成的磨损。由于凸、凹模在与被加工材料之间相互长时间摩擦，大批量长时间的冲裁加工零件，冲裁零件毛刺过大（间隙过大），凸、凹间隙过小等，都是造成凸、凹模刀口部分磨损的重要原因。如凸、凹模刀口变钝，棱角变园等等。1.4 啃伤 冷冲压模具凸、凹模间隙调整装配不均匀，凸、凹模相邻边缘相互啃咬，造成凸、凹模刃口啃伤。如模具装配过程中，凸、凹模位置偏移、间隙不均匀，安装不带导向的模具时，凸、凹模间隙调整不合适，而发生的凸、凹模相互啃咬损伤。2 影响冲压模具寿命的因素 2.1 模具结构的影响 合理的结构可以提高模具的寿命，模具设计的原则是保证足够的强度和刚性、对中性和合理的冲裁间隙及受力平衡、承载变形小、有足够的稳定性、并减少应力集中，模具的形位和尺寸精度能满足工作质量要求3。模具的结构形式是根据冲压件的形状来设计的，对同一冲压件，模具的结构形式可以有很多种选择，若模具结构不合理可能导致应力集中而断裂失效。冲压件的形状越复杂，模具结构也会越复杂，冲压时会加大模具的局部磨损或变形、损坏，将会降低模具的寿命。影响模具寿命的结构主要有模具圆角半径、凸模端面形状、凹模锥角和凹模截面变化的大小。模具零件各表面的转角应尽可能设计成圆角过渡，以避免应力集中；对于凹模、型腔及部分凸模、型芯，可采用组合或镶拼结构来消除应力集中，模具零件的相邻面均会以不同圆角半径过渡。一般来讲，凸的圆角半径对工艺影响较大，word 文档 可自由复制编辑 过小的凸圆角半径在板料拉伸中将增加成形力，在模锻中，易造成锻造折叠（缺陷）。过小的凹圆角半径会使模具局部受力恶化，在圆角半径处产生较大的应力集中，萌生裂纹，导致断裂。较大的圆角半径可使模具的受力均匀。整体模具通常存在凹圆角半径，易造成应力集中，引起开裂。采用预应力加强环，使模具产生切向压应力，降低成形过程中的峰值拉应力，可有效提高模具寿命。采用组合模具，可根据模具服役条件，对不同模块选用不同材料，既便于加工、更换，又能在一定程度上降低模具的材料成本和加工成本，同时提高模具寿命。模具参数有冲裁间隙、冲裁力、卸料力、搭边值等等，其中冲裁间隙对模具寿命的影响最大，如间隙合理，模具寿命长；间隙过大或过小，都会降低模具寿命。当间隙偏小时，冲裁时在增大光亮带的同时，也增大了摩擦的距离。而且刃口附近所受到的正压力与侧压力都将增大，温度也将升高。因此刃口的磨损也将增大，模具寿命较低。适当增大冲裁间隙，即采用合理大间隙冲裁，刃口的磨损将减轻，模具寿命可以显著提高。生产实例证实。例如：当冲裁 1.2 mm 厚的低碳钢板，相对冲裁间隙Zt取 10%时，刃模寿命为 1 万次；当 Zt取 25%时，刃模寿命达 6.8万次，提高了近六倍。冲裁 1.2 mm厚的黄铜板时，Zt值分别取 7%和 14%时，刃模寿命分别为 1.5万次和 11 万次。模具结构设计时，尽量结构紧凑、操作方便，还要保证模具零件有足够的强度和刚度；对于凸模设计要注意导向支撑、对中保护。小冲头的折断已成为主要的失效形式。若其安装偏斜 2，寿命便降低 60%以上。对于多凸模冲裁，在几个凸模直径相差较大，相距又很近的情况下，如果小凸模细小而又较长，则容易造成失稳或折断。具有导向装置的模具，能保证模具零件在工作中的相对位置精度，提高模具抗弯曲、抗偏载能力，有效避免不均匀磨损。可靠的导向结构，对于避免凸模与凹模间相互啃咬极为有效，对于小、无间隙的大中型型腔模、冲裁模、精冲模尤为重要。因而为了提高模具的寿命，必须正确选择导向形式和导向精度。导向精度的选择应高于凸、凹模的配合精度。对于模架，为防止变形挠曲，可适当增加厚度；模具设计中尽可能减少在维修某一零部件时需拆装的范围，尤其是易损件更换时，拆装范围小可以提高修模速度和难度。2.2 模具材料的影响 模具材料对模具寿命的影响应综合考虑模具的工作条件、性能要求、尺寸形状和结构特点等因素。模具材料的性能要求主要包括：力学性能、高温性能、表面性能、工艺性及经济性等。因此，对模具工作零件材料的基本要求：其一，足够的使用性能。对模具钢的使用性能的基本要求是具有硬度 HRC 58 64 和高强度，并具有高的耐磨性和足够的韧性，热处理变形小，有一定的热硬性。不同的 word 文档 可自由复制编辑 冲模对模具钢的性能要求是有区别的。冲裁模要求高硬、高耐磨性和一定的韧度；拉伸等成型模要求高耐磨、抗粘合能力；其二，良好的工艺性能。冲模工作零件加工制造过程一般较为复杂，因而必须具有对各种加工工艺的适应性。冲压材料的工艺性要求包括可锻性、脱碳和氧化的敏感性、淬硬性、淬透性、淬火裂纹敏感性和磨削加工性等；其三，合理的经济性能。通常根据冲压件的材料特性、生产批量、精度要求等，选择性能优良的模具材料，兼顾合理的经济性。2.3 模具制造工艺的影响（1）、锻造工艺的影响 模具加工制造工艺，特别是锻造工艺对模具的失效影响也极大。合理的锻造工艺，可以使大块状碳化物破碎，使之细小均匀分布。但若锻造工艺不合理，则达不到打碎晶粒、改善方向性、提高钢的致密度的目的，甚至引发锻造裂纹等缺陷。常见的锻件表面缺陷有裂纹、折叠、凹坑等，内部缺陷有组织偏析、流线分布不合理、疏松、过热、过烧等。锻后退火的目的是为了去除锻造应力，退火是否充分对模具的断裂抗力影响也很大。（2）、加工工艺的影响 模具的型腔部位或凸模的圆角部位在机加工中，常常因进刀太深而使局部留下刀痕，造成严重应力集中，当进行淬火处理时，应力集中部位极易产生微裂纹。放电加工时，由于放电产生大量的热，将使模具被加工部位加热到很高温度，使组织发生变化，形成所谓的放电加工异常层，在异常层表面由于高温发生熔融，然后很快地凝固，该层在显微镜下呈白色，内部有许多微细的裂纹，白色层下的区域发生淬火，叫淬火层，再往里由于热影响减弱，温度不高，只发生回火，称回火层。测定断面硬度分布：熔融再凝固层，硬度很高，达 610740，厚度为30m，淬火层硬度 400500，厚为 20m。回火属高温回火，组织较软，硬度380400，厚为 10m。磨削加工时，由于磨削速度过大，砂轮粒度过细或冷却条件差等因素影响，均会导致磨削表面过热或引起表面软化，硬度降低，使模具在使用中因磨损严重，或热应力而产生磨削裂纹，导致早期失效。（3）、热处理工艺的影响 模具的热处理质量对模具的性能与使用寿命影响很大。模具热处理的目的是使模具获得理想的组织。从而获得所需性能，但若热处理不当或工艺不合理，则可导致模具产生热处理缺陷或性能降低，从而引发模具失效4。根据模具失效原因的分析统计，热处理不当引起的失效占 50以上。如淬火温度过高，则会引起钢的过热，甚至过烧，引起晶粒长大、晶界熔化等，导致模具韧性下降，使模具发生崩刃或前期断裂，特别是对承受巨大冲击载荷的锻模及冷作模具，更应控制钢的晶粒度，不使其长大。而淬火温度过低，则难以保证有足够的合金元素溶于基体中，这将会降低钢的基本强度和组织稳定性，使钢容易产生早期变形、压 word 文档 可自由复制编辑 塌或热疲劳裂纹。淬火冷却速度过快或温度过低，都会出现淬火微裂纹，这将更容易产生热疲劳裂纹，甚至早期断裂5。模具回火温度过低，回火不足，则会在模具中残留较多的淬火应力，使模具韧性下降，从而使模具发生早期断裂。但若回火温度过高，则硬度下降，降低了强度和耐磨性。实践证明，模具工作零件的淬火变形与开裂，使用过程中早期断裂，虽然与材料的冶金质量、锻造质量、模具结构及加工有关，但与模具的热处理关系更大。3 提高冲压模具寿命的主要措施 合理的冷冲压模具设计结构、适合的模具选材和高质量的模具加工与装配调试过程，是提高冷冲压模具使用寿命的基础。因此，设计模具时，应全面综合的考虑各种影响模具使用寿命的因素，进而设计制造出最经济实惠且质高耐用的冷冲压模具。3.1 优化冷冲压模具结构设计 合理的冷冲压模具设计结构，是保证模具使用寿命的必备前提。冷冲压模具的使用寿命与合理的结构设计有着很大的关系，设计之初在保证冷冲压模具其他设计要求外，须保证模具的韧性、钢度与强度，以确保冷冲压模具在冲裁过程中模具的凸、凹模及其他结构件不至于因受冲裁力影响而发生的变形、损坏或增加磨损程度。模具设计应尽可能采用带导向的模具设计，同时还应考虑模具设计间隙，设计间隙过小或过大也会增加凸、凹模磨损程度，从而导致模具损坏，使用寿命降低。另外，综合考虑模具的紧固方式和定位方式，加强模具零部件的紧固程度和合理的接触面积，以保证模具整体的制造精度与质量，尤其是带有加强筋、加强板等的设计都会提高模具的整体韧性、刚性和强度。3.2 合理设计冷冲模具凸、凹模间隙 冷冲压模具冲裁间隙的大小，是直接影响被冲压件质量、冷冲模具的使用寿命以及冲压力的大小。模具设计所选用的间隙值应能保证使冲裁力和卸料力最小。成熟的经验，应首选设计手册中的参考数值，同时根据具体情况，在产品质量允许的范围内，将凸、凹模间隙适当放大，这样凸、凹模的磨损程度会大为减轻。而凸、凹模间隙过小时，会使模具摩擦磨损程度加大。因此正确的掌握模具凸、凹模间隙设计，会使模具的使用寿命成倍的增加。3.3 正确的冷冲压模具选材 为提高冷冲压模具的使用寿命，正确的选择模具材料是很重要的。实际中，可根据被冲裁产品的批量大小（件数）来决定模具材料的材质。当批产量大时，选用材料的材质，要选韧性好、强度高、钢性及耐磨性较高的模具材料。当批产量小时，则可选一般的模具材料。亦可根据被冲压材料的材料性质，被冲压件的质量要求，来决定模具的选材。如模具冲压件尺寸公差要求高，模具间隙要求较小，模具的凸、凹模与冲压件摩擦较大时，可选用耐磨性高和有足够韧性材料。word 文档 可自由复制编辑 同时还应考虑冲裁材料不同的强度和韧性，冲压设备的具体情况等。一般常用模具凸、凹模的材料有 CrWMn、CrIZMoV、Cr12、Cr12Mov 以及碳素工具钢等。3.4 合理的冷冲压模具热处理工艺 要提高冷冲压模具的使用寿命，对不同材质，不同性能的材料进行合理的热处理工艺处理，是不可缺少的一个关键且重要的环节。淬火过程中，如若加热温度过高，会使凸、凹模淬火过硬造成脆性过大易折断碎裂，淬火硬度过高或淬火层过深，在冷却时还容易变形开裂，或隐形裂纹深藏不易被发现，降低模具的使用寿命6。淬火过程中加热温度不够，淬火的硬度或深度达不到工艺技术要求，凸、凹模受力后易变形，降低模具使用寿命。所以在制造冷冲压模具时，必须合理、正确、熟练的掌握热处理工艺技术过程。3.5 冷冲压模具的加工与装配质量 模具的机械加工工艺是直接影响模具使用寿命和产品质量的重要环节。由于模具零件的形状多种多样,而且精度要求高,因此在加工过程中除了使用车床、铣床、刨床、锸床和磨床等普通机械加工设备外,还需要应用各种先进设备,如电火花加工机床、电火花线切割加工机床和精密磨削机床等。模具工作表面精加工的质量越好,模具与制件的摩擦就愈小,模具的磨损也愈小,从而提高模具的使用寿命7。模具的研磨抛光,不但提高加工件的表面质量,而且对模具寿命影响较大,模具光洁度提高一级,寿命提高 0.5倍。目前国内抛光工艺除采用效率低、劳动强度大的手工抛光外,还广泛采用了国外先进的抛光工艺。如机械抛光、超声抛光、电解抛光、化学抛光、挤压抛光和复幌抛光等。在冷冲压模具加工装配过程中，必须保证模具的加工精度与质量，不同的加工精度与不同的质量，对模具的使用寿命有很大的影响。冷冲压模具加工精度与质量越高其使用寿命就越长，相反就会缩短其使用寿命。一般冷冲压模多选用标准模架，由于是专业化生产的模架，其导向质量不成问题。如是自制模架，装配过程中，要确保导柱、导套精度，导柱、导套滑动自如间隙合理。凸、凹模装配时，间隙调整要求均匀，凸、凹模表面的光洁度要达到设计要求，要保证各零部件的平行度与垂直度，尤其是凸模与固定板，凹模与表面的垂直度要确保在公差允许值的范围以内，各部件连接螺栓、销钉要连接牢固可靠。3.6 冷冲压模具的使用和保养 冷冲压模具在使用时，应正确的选择适宜的、精度较高的冲压设备，以及适合的冲压力，冲压力一般应大于零件重压力的 30%-40%。加强模具的日常维护保养,有利于防止冷作模具的提前失效,有效地提高模具寿命。模具在安装时，应严格控制凸模嵌入凹模的深度，以减少磨损程度，嵌入过深，会增加摩擦，固定模具要牢固可靠。为减少磨损，可在被冲压板材（零件）、凸、凹模上涂抹适合的润滑剂，以降低模具的磨损程度和摩擦力。发现凸、凹模刃口不够锋利时，应 word 文档 可自由复制编辑 该及时刃磨凸凹模的刀口，使其锋利。模具入库存放前,应该进行例行检测,保证入库存放模具处于完好状态，要做好封存，妥善保护。此外,要建立日常维护保养制度,在模具的使用和库存过程中,一旦发现模具使用性能不良、技术状态不佳、刃口磨钝,甚至有开裂、崩刃、弹簧断裂、变形等隐患,应及时予以调整、刃磨和维修。有弹压装置的模具，要使弹压装置处于自由状态下保存。凸、凹模之间要保持有一定的间隙，以保护凸、凹模刃口不受损坏，表面涂油防锈。模具工作表面要经常保持清洁，以防止杂物或灰尘落在上面。随着工业的飞速发展，各行业冲压加工对冷冲压模具的加工质量，尤其是冷冲压模具的使用寿命，提出了更高的要求。要提高冷冲压模具的使用寿命，我们就必须要在生产实践活动中，不断的探索、研究、总结、完善优化模具设计结构，最优选择模具用材，提高冷冲压模具的加工工艺技术水平与装配调试技术水平，尤其是在对凸、凹模的设计、选材、加工上要有质的提升与飞跃，如此才能不断提高冷冲压模具的使用寿命。4 结语 提高冲压模具的使用寿命是一个综合性的技术问题,以上介绍的几个方面只是其中的部分,要全面理解模具的使用寿命的含义,在模具的加工制造中选择最佳工艺和模具使用后及时修正,对延长模具寿命也是至关重要。随着工业的飞速发展，各行业冲压加工对冷冲压模具的加工质量，尤其是冷冲压模具的使用寿命，提出了更高的要求。要提高冷冲压模具的使用寿命，我们就必须要在生产实践活动中，不断的探索、研究、总结、完善优化模具设计结构，最优选择模具用材，提高冷冲压模具的加工工艺技术水平与装配调试技术水平，如此才能不断提高冷冲压模具的使用寿命。5 参考文献：1 王荣滨.冷挤压模具的十种失效形式及对策J.模具技术，1997(5)：73-76.2 熊建武,周 进.模具失效原因及预防措施研究J.科技信息:学术版，2007(5)：68-69.3 陈再良,陈蕴博,佟晓辉,等.典型冷作模具钢性能与失效关系的探讨J.金属热处理，2006，31(2):87-93.4 周敬恩.模具材料选用、热处理与使用寿命J.金属热处理,1999,31(5)：1-5.5 张宝忠.冷作模具的常见失效形式及热处理质量检验J.模具制造,2004(6)：63-65.6 徐耀坤.模具材料及热处理技术对模具寿命影响的研究J.锻压技术,2002(4)：62-64.7 周海波.提高冷作模具寿命的有效途径J.锻压机械，1996(6)：31-33.