簡(jiǎn)要：論述了精密體積成形(精鍛)模具的壽命與模具設(shè)計(jì)制造的關(guān)系。采用先進(jìn)設(shè)計(jì)手段合理設(shè)計(jì)精密體積成形件(精鍛件)、鍛壓工藝、模具結(jié)構(gòu)，選擇模具材料，制定模具鋼的鍛造規(guī)范和熱處理工藝以及合理確定機(jī)械加工工藝及加工精度，可大幅度提高模具壽命。
1、引 言
面對(duì)廿一世紀(jì)的國(guó)內(nèi)建設(shè)形勢(shì)，企業(yè)要適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為國(guó)家支拄產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)將加大輕、微、轎車的產(chǎn)量，因而對(duì)模鍛件的精度提出了更高的要求。在生產(chǎn)過(guò)程中，提高模具壽命是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問(wèn)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。
2、合理設(shè)計(jì)精密體積成形件(精鍛件)
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(guò)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(guò)小而又不是光滑過(guò)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(guò)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)中可能存在的問(wèn)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(guò)程中最重要的工步，模鍛件的幾何形狀是靠鍛模來(lái)保證的，模鍛過(guò)程中要全面考慮各種因素，尤其是對(duì)生產(chǎn)中可能發(fā)生的或已暴露出的問(wèn)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)變形部位的加工余量予以補(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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的幾何變形，而用冷校正方式無(wú)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)先將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。
3、合理設(shè)計(jì)鍛壓工藝
目前，一般企業(yè)無(wú)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。尤其步入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)以后，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，這就給工藝設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了較大的困難，要求工藝人員要具有較高的水平，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，一旦失誤就會(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)此處的切割厚度。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，但由于切邊受模鍛生產(chǎn)節(jié)拍的限制，效率低。而在設(shè)計(jì)鍛模時(shí)減薄此處飛邊橋的高度，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℃保溫4h，以20℃/h的冷卻速度冷到680℃保溫3h，再以20℃/h的冷卻速度冷卻到640℃后隨爐冷卻到350℃出爐。硬度一般可達(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、皂化后再涂豬油拌MoS2潤(rùn)滑，可降低變形負(fù)載，有效減少凸模、壓模圈、接頭體的斷裂失效。
采用多工序小變形的冷擠壓方法能有效地降低模具承受的單位擠壓力，工序間坯料可不進(jìn)行軟化處理，使模具壽命得以延長(zhǎng)。國(guó)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)斷裂失效。這種急功近利的做法是我國(guó)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溢料情況，幫助設(shè)計(jì)人員有效合理地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。
4、合理的模具結(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50%。多工位模具不宜僅用2根導(dǎo)柱導(dǎo)向，應(yīng)盡量做到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Mo5Cr4V2鋼冷擠壓凸模，當(dāng)硬度≥60HRC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)鐓粗。某廠檢測(cè)擠壓第1件以后凸模的工作帶尺寸發(fā)現(xiàn)，鐓粗增大量為0.01～0.04mm。對(duì)于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(guò)程中，切飛邊凸模易使鍛件向一側(cè)翻轉(zhuǎn)，使凸模和凹模損壞。一般情況下，沖裁間隙放大可以延長(zhǎng)切飛邊模壽命。
5、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(lái)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)，模塊要符合供貨協(xié)議要求，模塊的化學(xué)成份要符合國(guó)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H13時(shí)要確保內(nèi)部質(zhì)量，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(wú)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。
6、合理制定模具鋼的鍛造規(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(guò)熱、過(guò)燒、開裂、崩刃、塌陷、拉斷等早期失效現(xiàn)象。帶狀、網(wǎng)狀、大顆粒和大塊堆集的碳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。根據(jù)顯微硬度測(cè)量結(jié)果，碳化物正常分布處為740～760HV，碳化物集中處為920～940HV，碳化物稀少處為610～670HV，在碳化物稀少處易回火過(guò)度，使硬度和強(qiáng)度降低，碳化物富集區(qū)往往因回火不足，脆性大，而導(dǎo)致模具鐓粗或斷裂。通過(guò)鍛造能有效改善工具鋼的碳化物偏析，一般鍛造后可降低碳化物偏析2級(jí)，最多為3級(jí)。最好采用軸向、徑向反復(fù)鐓拔(十字鐓拔法)，它是將原材料鐓粗后沿?cái)嗝嬷袃蓚€(gè)相互垂直的方向反復(fù)鐓拔，最后再沿軸向或橫向鍛成，重復(fù)一次這一過(guò)程就叫做雙十字鐓拔，重復(fù)多次即為多次十字鐓拔。
而對(duì)于直徑小于或等于50mm的高合金鋼，其碳化物不均勻性一般在4級(jí)以內(nèi)，可滿足一般模具使用要求。
7、合理選擇熱處理工藝
熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致模具早期失效的重要原因，據(jù)某廠統(tǒng)計(jì)，其約占模具早期失效因素的35%。
模具熱處理包括鍛造后的退火，粗加工以后高溫回火或低溫回火，精加工后的淬火與回火，電火花、線切割以后的去應(yīng)力低溫回火。只有冷熱加工很好相互配合，才能保證良好的模具壽命。
模具型腔大而壁薄時(shí)需要采用正常淬火溫度的上限，以使殘留奧氏體量增加，使模具不致脹大。快速加熱法由于加熱時(shí)間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細(xì)小，對(duì)碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對(duì)高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但對(duì)提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常Cr12MoV鋼淬火加熱溫度為1000℃，油冷，然后220℃回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次，即加熱至1100℃保溫，油冷，700℃高溫回火，則模具壽命能大幅度提高。我們?cè)?0年代初期對(duì)3Cr2W8V鋼施行高淬、高回工藝熱處理鋼絲鉗熱鍛模具也取得良好效果，壽命提高2倍多。采用低溫氮碳共滲工藝，表面硬度可達(dá)1200HV，也能大大提高模具壽命。
低溫電解滲硫可降低金屬變形時(shí)的摩擦力，提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V鋼制作冷擠壓凸模，經(jīng)低溫氮碳共滲后，使用壽命平均提高1倍以上，再經(jīng)低溫電解滲硫處理可以進(jìn)一步提高壽命50%。模具淬火后存在很大的殘留應(yīng)力，它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進(jìn)行回火，回火應(yīng)充分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。對(duì)碳素工具鋼，200℃回火1h，殘留應(yīng)力能消除約50%，回火2h殘留應(yīng)力能消除約75%～80%，而如果500～600℃回火1h，則殘留應(yīng)力能消除達(dá)90%。
某廠CrWMn鋼制凸模淬火后回火1h，使用不久便斷裂，而當(dāng)回火2.5h，使用中未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。這說(shuō)明回火不均勻，雖然表面硬度達(dá)到要求，但工作內(nèi)部組織不均勻，殘留應(yīng)力消除不充分，模具易早期破裂失效。
回火后一般為空冷，在回火冷卻過(guò)程中，材料內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)新的拉應(yīng)力，應(yīng)緩冷到100～120℃以后再出爐，或在高溫回火后再加一次低溫回火。表面覆層硬化技術(shù)中的PVD、CVD近年來(lái)獲得較大的進(jìn)展，在PVD中常用的真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子鍍，其中離子鍍層具有附著力強(qiáng)、澆鍍性好，沉積速度快，無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)。離子鍍工藝可在模具表面鍍上TiC、TiN，其使用壽命可延長(zhǎng)幾倍到幾十倍。離子鍍是真空蒸膜與氣體放電相結(jié)合的一種沉積技術(shù)?？招年帢O放電法(HCD法)是先用真空泵抽真空，再向真空泵通入反應(yīng)氣體，并使真空度保持在10-5～10-2Pa范圍內(nèi)，利用低壓大電流HCD電子槍使蒸發(fā)的金屬或化合物離子化，從而在工作表面堆積成一層防護(hù)膜。為提高鍍敷效率，一般在工件上施加負(fù)電壓。鍛模的表面處理技術(shù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用不太多，這一領(lǐng)域大有開發(fā)的必要。整體模腔的滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲以及模腔局部的噴涂、刷鍍和堆焊等表面硬化支持都是很有發(fā)展前途的，突破這一領(lǐng)域?qū)⑹刮覈?guó)制模技術(shù)得到很大提高。模具失效以后的焊補(bǔ)技術(shù)，國(guó)內(nèi)90年代初期就有工廠進(jìn)行研究和應(yīng)用，如青海鍛造廠，焊補(bǔ)后的鍛模壽命可提高1倍。
8、合理確定機(jī)械加工制造工藝和加工精度
采用先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)確保每副模具具有高精度和互換性以保證鍛模所要求的高精度和重復(fù)精度。制造工藝首先要解決加工后的加工變形與殘留應(yīng)力不能太大。粗加工時(shí)最好不要使表面粗糙度Ra＞3.2μm，特別應(yīng)注意在模具工作部分轉(zhuǎn)角處要光滑過(guò)渡，減少熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
模腔表面加工時(shí)留下的刀痕、磨痕都是應(yīng)力集中的部位，也是早期裂紋和疲勞裂紋源，因此在鍛模加工時(shí)一定要刃磨好刀具。平面刀具兩端一定要刃磨好圓角R，圓弧刀具刃磨時(shí)要用R規(guī)測(cè)量，絕不允許出現(xiàn)尖點(diǎn)。在精加工時(shí)走刀量要小，不允許出現(xiàn)刀痕。對(duì)于復(fù)雜模腔一定要留足打磨余量，即使加工后沒(méi)有刀痕，也要再由鉗工用風(fēng)動(dòng)砂輪(或用其它方法)打磨拋光，但要注意防止打磨時(shí)局部出現(xiàn)過(guò)熱、燒傷表面和降低表面硬度。模具電加工表面有硬化層，厚10μm左右，硬化層脆而有殘留應(yīng)力，直接使用往往引起早期開裂，這種硬化層在對(duì)其進(jìn)行180℃左右的低溫回火時(shí)可消除其殘留應(yīng)力。磨削時(shí)若磨削熱過(guò)大會(huì)引起肉眼看不見的與磨削方向垂直的微小裂紋，在拉應(yīng)力作用下，裂紋會(huì)擴(kuò)展。對(duì)CrWMn鋼冷擠凹模采用干磨，磨削深度為0.04～0.05mm時(shí)，使用中100%開裂；采用濕磨，磨削深度0.005～0.01mm時(shí)，使用性能良好。消除磨削應(yīng)力也可將模具在260～315℃的鹽浴中浸1.5min，然后在30℃油中冷卻，這樣硬度可下降1HRC，殘留應(yīng)力降低40%～65%。對(duì)于精密模具的精密磨削要注意環(huán)境溫度的影響，要求恒溫磨削。鍛模粗加工時(shí)要為精加工保留合理的加工余量，因?yàn)樗舻挠嗔窟^(guò)小，可能因熱處理變形造成余量不夠，必須對(duì)新制鍛模進(jìn)行補(bǔ)焊，若留的余量過(guò)大，則增加了淬火后的加工難度。當(dāng)鍛模燕尾支承面與分模面平行度超過(guò)要求時(shí)，會(huì)使鍛模鎖扣啃壞或打裂，重者會(huì)打斷錘桿甚至損壞錘頭，所以在鍛模加工中除對(duì)模腔尺寸按圖紙要求加工外，對(duì)其它各部分外形尺寸、位置度、平行度、垂直度都要按要求加工并嚴(yán)格檢驗(yàn)。有些廠對(duì)小型鍛模熱處理后用平面磨床磨削上下平面，對(duì)大型鍛模用龍門刨床以刨代刮，保證制造精度。鍛模模腔的粗糙度直接影響鍛模壽命，粗糙度高會(huì)使鍛件不易脫模，特別是中間帶凸起部位，鍛件越深，抱得越緊，最后只能卸下鍛模用機(jī)加工或氣割的方法破壞鍛件。由于粗糙度值高會(huì)使金屬流動(dòng)阻力增加，嚴(yán)重時(shí)模鍛若干件以后會(huì)將模壁磨損成溝槽，既影響鍛件成形，也易使鍛模早期失效。
工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲勞能力強(qiáng)，表面粗糙度一般要求Ra=0.4～0.8μm。模具的制造裝配精度對(duì)模具壽命的影響也很大，裝配精度高，底面平直，平行度好，凸模與凹模垂直度高，間隙均勻，亦可獲得相當(dāng)高的壽命。