关于提高冲压模具寿命的方法探寻
2014-3-9 来源： 滁州职业技术学院 作者：方长敏
摘要： 从某种意义上讲，冲压技术其实质就是模具技术，模具在冲压生产中占有特殊的重要位置，只有高质量的冲压模具才能生产加工出优质的冲压件，而冲压模具的寿命又反映了一个企业的技术水平和管理水平，并直接影响冲压件在市场上的竞争力。
关键词： 冲压模具；模具寿命；材料；结构；工艺
模具寿命是模具质量的重要指标之一。它对工业生产的影响，主要包括两个方面：一是对产品生产率的影响，二是对产品成本的影响。我国有模具生产厂家约2 万余家，模具总产值超过500 亿元人民币。采取措施，提高模具质量，延长模具使用寿命，使模具达到最佳使用寿命无疑有着十分重要的意义。模具寿命的高低在一定程度上反映一个地区、一个国家的冶金工业、机械制造工业水平。
一、模具寿命、模具与工业生产的关系
（一）模具寿命
模具正常失效前，生产出的合格产品的数目，称为模具正常寿命，简称模具寿命，模具首次修复前生产出的合格产品的数目，称为首次寿命；模具一次修复后到下一次修复前所生产出的合格产品的数目，称为修模寿命。模具寿命是首次寿命与各次修复寿命的总和。
（二）模具寿命与工业生产的相互关系
1、模具寿命与生产率的关系。从模具寿命的定义可知，模具寿命的大小取决于模具所能生产出合格产品的数量，生产率则表示模具在单位时间内生产出合格产品的数量。两者之间有着必然的联系。模具寿命与生产率的关系曲线，如图1 所示。
由图可见，模具寿命S 越长，生产率Q 越高。当产品批量n＞模具寿命S 时，生产中多数是一套模具完全失效后再换新模具，若不计模具设计时间（用T1 表示）和模具加工时间（用T2 表示），则模具寿命S 与生产率Q 之间的关系可用经验公式表示为:Q＝S／〔T3＋ΣT4＋S／(60N)〕式中: N 为设备的工作节奏；T3 为模具安装、调试时间；T4 为模具修复及维护时间。从关系式可以看出：减少模具的安装、调试时间和模具修复及维护时间，提高模具的使用寿命，都能起到提高模具生产率的作用；并且设备的工作节奏越快,模具寿命对生产率的影响就越大。
2、模具寿命与产品成本的关系。模具寿命与产品成本的关系曲线，如图2 所示。
由图可见：产品成本V 随着模具寿命S 的增加而下降。模具寿命与产品成本之间的关系可用经验公式表示为：V＝A﹢（M﹢B）/S＝A﹢（Mc﹢Mz﹢Mx﹢B）/S式中：A 为与模具寿命无关的单件产品成本之和；M 为模具费（模具材料费Mc、模具制造费Mz 和模具修理费Mx 之和）；B 为模具工费。从关系式也可以看出：模具寿命越高，各项费用越低，则产品成本越低。目前我国模锻件、冲压件的模具费用占产品成本的10%-30%，小批量冲压件模具费用占产品成本的30%-50%。另一方面，目前我国模具行业是微利行业，模具价格偏低，如果提高模具价格，会进一步增大模具费在产品成本中的比例。因此有效的提高模具寿命，就可以降低产品成本。
二、影响冲压模具寿命的因素
为了提高冲压模具的寿命，必须对已失效的模具进行分析，了解和掌握失效的原因和影响冲压模具寿命的主要因素。
（一）模具材料的影响
1、模具材料的影响。各种模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断裂抗力、冷热疲劳抗力等性能均有所不同，材料的性能必须满足模具的具体使用要求，否则将导致模具的早期失效。如冲压模具工作在循环载荷下时，使用疲劳抗力差的材料将会萌生疲劳裂纹，裂纹的不断扩展将引起模具的断裂失效。
2、模具钢材冶金质量的影响。目前生产中，冲压模具材料以模具钢为主，若钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物，则容易形成裂纹源，引起模具早期断裂失效。当钢中的碳化物过多，形成网状、大块状或带状偏析时，将严重降低钢的冲击韧度及断裂抗力，引起模具的早期断裂、崩块及开裂等。钢材中存在中心疏松和白点，会降低模具的抗压强度，使模具淬火开裂及工作表面凹陷。
（二）模具结构的影响
1、模具几何形状的影响。模具的几何形状对成形过程中坯料的流动和成形力产生很大的影响，从而影响模具的寿命。
2、模具间隙的影响。模具的凸凹模工作间隙不仅影响工件的质量，还影响模具的寿命。例如拉深模的间隙过小将增加摩擦阻力，易擦伤工件表面，并增大了模具的磨损。冲裁模的间隙过小会加剧凸凹模的磨损，降低模具的使用寿命。
3、结构形式的影响。模具的结构形式不合理将导致应力集中而断裂失效。
（三）模具制造工艺的影响
1、锻造工艺的影响。如果锻造工艺不合理，会降低钢材的性能，造成锻造缺陷，形成导致模具早期失效的隐患。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。
2、加工工艺的影响。切削加工时没有彻底去除材料表面脱碳层，将会降低模具的表面硬度，加剧了模具磨裂及淬裂的倾向。切削的表面粗糙、尺寸连接处不光滑，或留有尖角和加工刀痕，将萌生疲劳裂纹，造成模具疲劳失效。磨削加工时进给量过大、冷却不足则容易产生磨削裂纹和磨削烧伤，减低模具的疲劳强度和断裂抗力。电火花成形及线切割加工，会使模具表面产生拉应力和显微裂纹，导致表面剥落和早期开裂。若材料淬火后的内应力很高，电火花加工时应力会重新分布，引起模具变形或开裂。
3、热处理工艺的影响。模具淬火加热时温度过高，容易造成模具的过热、过烧，冲击韧度下降，导致早期断裂。如果淬火温度过低，会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力，容易造成模具的塑性变形、磨损失效。淬火加热时如果不注意采取保护措施，会使模具表面氧化和脱碳，脱碳将造成淬火软点或软区，降低模具的耐磨性、疲劳强度和抗咬合能力，影响其使用寿命。淬火冷却速度过快或油温过低，模具容易产生淬火裂纹。如果回火温度太低，而且不够充分，将无法消除淬火过程中的残余应力使模具的韧性降低，容易发生早期断裂。
4、模具工作条件和使用维护的影响
（1）被加工材料的影响
被加工材质的不同、厚度的不同对模具寿命有很大的影响。被加工材料的强度越高、厚度越大，模具承受的力也越大，模具的寿命相对较低。若被加工材质与模具材料的亲和力大，在冲压成形过程中会和模具发生粘附磨损，降低模具的寿命。被加工材料的表面状态，对模具的磨损也有很大的影响。采用表面没有氧化黑皮、脱碳层，仅有极薄的氧化膜或磷化膜的坯料，对模具冲压最为有利。
（2）冲压设备特性的影响
冲压设备的刚度和精度对模具的寿命影响极大。开式压力机为C 型框架，刚度较差。在冲压力的作用下易产生变形，造成上、下模中心线不重合，模具工作间隙不均，甚至啃刃崩刃。此外，冲裁过程结束的瞬间，载荷急速锐减，压力机在冲压过程中积聚的变形能量突然释放，造成上、下模间的冲击振动，即所谓“失重插入”现象，这也加剧了模具的磨损。因此，精密冲裁或使用硬质合金冲裁模具时，最好采用刚度较好，精度高的闭式压力机。
（3）润滑条件的影响
良好的润滑条件可以有效降低摩擦力、摩擦热和冲压力，减少模具的磨损，显著提高模具的使用寿命。
三 、提高冲压模具寿命的几种方法
（一）合理设计。在保证冲裁工件质量的前提下，冲裁模具应尽可能选用较大的冲裁间隙，以降低冲裁力，减小模具的磨损。为了提高凸模的刚度，加强其抗偏载能力，以防止工作时凸模弯曲变形或折断。一般凸模头部截面积和尾柄部截面积大约分别取为工作端面面积的2 倍和4 倍，必要时对凸模进行导向保护。可以采用弹性卸料板，对板料施加一定的压边力，以减少因板料滑移或翘曲对凸模的作用力。为确保冲压过程中冲裁间隙均匀，避免啃刃和刃口的不均匀磨损，可选用精确的模具导向装置，例如使用滚珠导柱导套。在制造加工过程中，必须严格保证模具的尺寸形状精度，避免留下机加工刀痕；过渡部分要平滑，不能有微小缺陷，防止使用过程中出现应力集中裂纹。电加工及磨削加工后应进行回火，以消除加工应力。
（二）正确选材。当冲裁模的生产批量很大时，应选择强度高、韧性好、耐磨性好的高性能模具材料。由于凸模的工作条件比凹模更差，凸模材料的耐磨性可以选得比凹模材料更高。模具用钢要有较高的纯度，硫、磷含量要严格控制。一般钢材含碳量在0.8～0.9%韧性较好，含碳量在0.95～1.05%为硬韧，含碳量在1.05～1.15%为硬性，大型模具含碳量取下限，小型模具取上限。
（三）采用模具强韧化处理和表面强化处理。采用强韧化处理和表面强化处理技术，使模具获得优良的整体强韧性能和优异的表面硬度、耐磨性和抗粘附性能，是提高各类模具使用寿命的有效途径。
（四）合理使用维护。冲裁模操作时应严格控制凸模进入凹模的深度，以免磨损加剧。冲模使用了一段时间后，凸、凹模刃口将不可避免地出现磨损和磨损沟痕。这时候提前修模，可以减小摩擦力、预防磨损沟痕导致的裂纹，避免因磨损后凸、凹模间隙不均产生的附加弯矩，提高模具的寿命。
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