論沖壓板具設(shè)計(jì)制造與模具壽命的關(guān)系

一、前言
    汽車工業(yè)一天天在加大輕、徽、轎車的產(chǎn)量，因而對(duì)模具和鍛件等的精度提出了更高的要求.在生產(chǎn)過程中，提高模具壽命是一個(gè)復(fù)雜的綜合性間題。所有鍛壓工藝，特別是凈形和近似凈形加工工藝，在很大程度上取決于模具的精度和品質(zhì)，取決于模具的技術(shù)水平.模具技術(shù)反映在模具設(shè)計(jì)和制造上，而模具壽命除與上述兩個(gè)環(huán)節(jié)有關(guān)外，還與使用環(huán)節(jié)有關(guān)。
    提高模具壽命有極大的經(jīng)濟(jì)效益，一般在試生產(chǎn)階段模具工裝費(fèi)用占生產(chǎn)成本的25%左右，而定型生產(chǎn)時(shí)僅為10%。
    模具的早期失效形式，多為凸模斷裂、模膛邊緣堆塌、飛邊遭橋部龜裂、模腔底部發(fā)生裂紋。影響模具壽命的因素較多，涉及面廣，模具設(shè)計(jì)是模具壽命的基礎(chǔ)。模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是指模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形模腔設(shè)計(jì)和確定模具鋼種、模具硬度等.模具制造環(huán)節(jié)是指制模工藝、熱處理規(guī)范和表面處理技術(shù)等.本文僅從模具設(shè)計(jì)和模具制造兩個(gè)方面探討提高模具壽命的措施。
二、合理設(shè)計(jì)精密體積成形件
    模鍛件應(yīng)盡量避免帶小孔、窄槽、夾角，形狀要盡量對(duì)稱，即使不能做到軸對(duì)稱，也希望達(dá)到上、下對(duì)稱或左、右對(duì)稱.要設(shè)計(jì)拔模斜度，避免應(yīng)力集中和模鍛單位壓力增大，克服偏心受載和模具磨損不均等缺陷.
    對(duì)于鍛模模腔邊緣和底部圓角半徑R，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從保證鍛件型腔容易充滿的前提下盡可能放大.若圓角半徑過小，模腔邊緣很容易在高溫高壓下堆塌，嚴(yán)重者會(huì)形成倒錐，影響模鍛件出模。如底部圓角半徑R過小而又不是光滑過渡，則容易產(chǎn)生裂紋且會(huì)不斷擴(kuò)大。
    設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)充分利用CAD系統(tǒng)功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二維和三維設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品原始信息的統(tǒng)一性和精確性，避免人為因素造成的錯(cuò)誤，提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量。產(chǎn)品三維立體的造型過程以在鍛造前全面反映出產(chǎn)品的外部形狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)中可能存在的間題，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品信息，用電腦設(shè)計(jì)出加工模具型腔的電極，為后續(xù)模具加工做好準(zhǔn)備.
    采用CAM技術(shù)可以將設(shè)計(jì)的電極精確地按指定方式生產(chǎn)。采用數(shù)控銑床(或加工中心)加工電極，可保證電極的加工精度，減小試模時(shí)間，減少模具的廢品率和返修率，減少鉗工勞動(dòng)量。
    對(duì)于一些外形復(fù)雜，精度要求高的鍛件，靠模具鉗工采用常規(guī)模具制造方法保證某些外形尺寸而采用CAD/CAM技術(shù)可以對(duì)這些復(fù)雜的鍛件進(jìn)行精確的尺寸描述，確定合理的分模面，保證合模精度，從模具制造這一環(huán)節(jié)確保產(chǎn)品精度.
    CAD/CAM/CAE技術(shù)可以進(jìn)行有限元分析，對(duì)關(guān)鍵部位的尺寸設(shè)計(jì)是否合理可以提供修改依據(jù)，從而在為客戶提供高質(zhì)量鍛件的同時(shí)，也為客戶的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，加強(qiáng)了與客戶的合作。
    成形是模鍛過程中最重要的工步，模鍛件的幾何形狀是靠鍛模來保證的，模鍛過程中要全面考慮各種因素，尤其是對(duì)生產(chǎn)中可能發(fā)生的或已暴眼出的間題，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施減輕后續(xù)工序的加工難度。按照這一原則在預(yù)防為減少模鍛件開裂與變形，提高鍛件合格率方面，可以有針對(duì)性地采取一些對(duì)策和措施。如鍛件的某些部位在切邊和沖孔時(shí)易變形而影響產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，可在鍛模設(shè)計(jì)上適當(dāng)增加相應(yīng)變形部位的加工余盆予以補(bǔ)償，這一點(diǎn)對(duì)于切邊時(shí)鍛件變形大的薄法蘭更為重要.對(duì)一些帶有桿部且桿部直徑相對(duì)較小的鍛件，在切邊和熱處理過程中會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的幾何變形，而用冷校正方式無法或難以校直.如某廠生產(chǎn)的TS60曲軸，可根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)先冷中心線在一定范圍內(nèi)變形方向反向偏移一定的預(yù)補(bǔ)反變形量.
三、合理設(shè)計(jì)鍛壓工藝
    目前，一般企業(yè)無健全的工藝試驗(yàn)室，缺乏工藝試驗(yàn)條件客觀上要求工藝方案必須正確，一次成功。尤其步人市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)后，企業(yè)負(fù)責(zé)人要求鍛造技術(shù)人員只能成功，不許失敗，這就要工藝設(shè)計(jì)人員帶來了較大的困難，要求工藝人員要具有較高水平，但即使具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工藝人員也難免會(huì)感到棘手而且失誤就會(huì)造成較大損失。
    對(duì)于切邊時(shí)存在容易撕裂部分的鍛件可在設(shè)計(jì)飛邊槽時(shí)有意減薄薄弱部分飛邊橋部的高度，以降低切飛邊時(shí)此處的切是厚度。如S195連桿，材料為45鋼，鍛后冷切邊，大頭搭子部位由于截面形狀小、料薄，在切邊時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)搭子及附近筋部撕裂廢品率高。若改為鍛后余熱切邊則可提高切邊質(zhì)量，但由于切工受模鍛生產(chǎn)節(jié)拍的限制，效率低.而在設(shè)計(jì)鍛模時(shí)減薄此處飛工橋的高度，減少此處飛邊沖裁力，可以大大減少切邊撕裂.
    對(duì)于冷擠壓工藝，必須最大程度地軟化毛坯及減少變形時(shí)的磨擦力，嚴(yán)格控制變形程度和各工序變形程度的合理分配。
    一般低碳鋼、碳鋼及低碳合金鋼的軟化退火工藝為:加熱至760°C保溫4h,以20°C八的冷卻速度冷到680℃保溫3h，再20°C /h的冷卻速度冷卻到640℃后隨爐冷卻到350℃出爐.預(yù)度一般可達(dá)125~155HB。
    含碳量小于0.2%的碳鋼，鋼材經(jīng)退火后硬度可小于120HB,鋼材經(jīng)軟化退火后再經(jīng)滾光、酸洗、磷化、皂化后再涂步油拌MoS2潤滑，可降低變形負(fù)載，有效減少凸模、壓模圈、接引體的斷裂失效。
    采用多工序小變形的冷擠壓方法能有效地降低模具承受合單位擠壓力，工序間坯料可不進(jìn)行軟化處理，使模具壽命得以至長(zhǎng).國內(nèi)某些廠家在擠壓生產(chǎn)時(shí)貪圖一時(shí)之便，減少擠壓工序雖然也能把樣品(或產(chǎn)品)做出，但模具負(fù)荷太大，容易出現(xiàn)斷紹失效.這種急功近利的做法是我國冷擠壓工藝曾經(jīng)一轟而起未能迅猛發(fā)展的主要技術(shù)原因之一。
    采用鍛模CAE軟件，可以分析材料的流動(dòng)情況、磨擦阻力以及材料的充腔滋料情況，幫助設(shè)計(jì)人員有效理地進(jìn)行工芝設(shè)計(jì)。
四、合理的摸具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮導(dǎo)向精度合理、沖裁間隙恰當(dāng)、剛性好，還要考慮盡量采用組合式模具。模架應(yīng)有良好的剛性，不要僅僅滿足強(qiáng)度要求，模板不宜太薄，在可能的情況下盡量增厚甚至增厚5000。多工位模具不宜僅用2根導(dǎo)柱導(dǎo)向，應(yīng)盡量彬到4根導(dǎo)柱導(dǎo)向，這樣導(dǎo)向性能好.因?yàn)樵黾恿藙偠�，保證了凸，凹模間隙均勻，確保凸模和凹模不會(huì)發(fā)生碰切現(xiàn)象。
   浮動(dòng)模柄可避免壓力機(jī)對(duì)模具導(dǎo)向精度的不良影響。凸模應(yīng)夾緊可靠，裝配時(shí)要檢查凸�；虬寄５妮S線對(duì)水平面的垂直度以及上下底面之間的平行度.
    在冷擠壓時(shí)，凸模和凹模的硬度要合適，要充分發(fā)揮強(qiáng)韌化處理對(duì)延長(zhǎng)壽命的潛力.如W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓凸模，當(dāng)硬度時(shí)可正常使用，壽命為3000~3500件。但如果憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為硬度低、塑性好，壽命一定延長(zhǎng)時(shí)就會(huì)大失所望，當(dāng)硬度為57~58HRC擠壓工件時(shí)，凸模的工作帶會(huì)徽粗.某廠檢測(cè)擠壓第1件以后凸模的工作帶尺寸發(fā)現(xiàn)，徽粗增大量為0. 0l ~0.04mm.
    對(duì)子熱擠凹模就不能套用冷擠摸的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)把3Cr2W8V鋼熱擠凹模的硬度值從>40HRC降到37~38HRC時(shí)，使用壽命從1000-2000次提高到6000-8000次。
    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同的鍛壓設(shè)備上的模鍛對(duì)鍛模的硬度要求不盡相同，即使在同一種鍛壓設(shè)備上的模鍛，鍛不同的產(chǎn)品對(duì)模具的硬度要求也不相同。
    在鍛件飛邊切除時(shí)，凸模底要盡量與鍛件的上側(cè)表面相吻合.如鋼絲鉗模鍛件熱切飛邊時(shí)，切飛邊凸模底部的凹形要與鋼絲鉗柄部的弧形相吻合，否則在切飛邊過程中，切飛邊凸模易使鍛件向一側(cè)翻轉(zhuǎn)，使凸模凹模損壞。一般情況下，沖裁間隙放大可以延長(zhǎng)切飛邊模壽命。
五、合理選擇模具材料
    根據(jù)模具的工作條件、生產(chǎn)批量以及材料本身的強(qiáng)韌性能來選擇模具用材，應(yīng)盡可能選用品質(zhì)好的鋼材.據(jù)有關(guān)資料介紹，模具的制造費(fèi)較高，而材料費(fèi)用一般僅是模具價(jià)格的6%-20%.
    對(duì)模具材料要進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，棋塊要符合供貨協(xié)議要求，模塊的化學(xué)成份要符合國際上的有關(guān)規(guī)定。只有在確信模塊合格的情況下，才能鍛造.大型模塊(100kg以上)采用電渣重熔鋼H,:時(shí)要確保內(nèi)部質(zhì)童，避免可能出現(xiàn)的成份偏析、雜質(zhì)超標(biāo)等內(nèi)部缺陷。要采用超聲波探傷等無損檢測(cè)技術(shù)檢查，確保每件鍛件內(nèi)部質(zhì)量良好，避免可能出現(xiàn)的冶金缺陷，將廢品及早剔除。
六、合理制定棋具桐的鍛造規(guī)范
    根據(jù)碳化物偏析對(duì)模具壽命的影響，必須限制碳化物的不均勻度，對(duì)精密模具和負(fù)荷大的細(xì)長(zhǎng)凸模，必須選用韌性好強(qiáng)度高的模具鋼，碳化物不均勻度應(yīng)控制為不大于3級(jí).Cr12鋼碳化物不均勻度3級(jí)要比5級(jí)耐用度提高1倍以上。滾絲模的碳化物不均勻度為5~6級(jí)時(shí)最多滾絲2000件，而碳化物不均勻度
    提高到1 ~2級(jí)時(shí)可滾絲550000件。如果碳化物偏析嚴(yán)重，可能引起過熱、過燒、開裂、崩刃、塌陷、拉斷等早期失效現(xiàn)象。帶狀、網(wǎng)狀、大順粒和大塊堆集的破化物使制成的模具性能呈各向異性，橫向的強(qiáng)度低，塑性也差。
    總之，沖壓模具設(shè)計(jì)制造與模具的壽命是有很多密切關(guān)系的.作者這里提供幾條措施，還望更多學(xué)者參與研究.