精密体积成形模具的设计制造与模具寿命

朝花夕拾

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　　面对廿一世纪的国内建设形势，企业要适应市场经济的发展，作为国家支拄产业的汽车工业将加大轻、微、轿车的产量，因而对模锻件的精度提出了更高的要求。在生产过程中，提高模具寿命是一个复杂的综合性问题。所有锻压工艺，特别是净形和近似净形加工工艺，在很大程度上取决于模具的精度和品质，取决于模具的技术水平。模具技术反映在模具设计和制造上，而模具寿命除与上述两个环节有关外，还与使用环节有关。?
    提高模具寿命有极大的经济效益，一般在试生产阶段模具工装费用占生产成本的25%左右，而定型生产时仅为10%。?
　　模具的早期失效形式，多为凸模断裂、模膛边缘堆塌、飞边遭桥部龟裂、模腔底部发生裂纹。影响模具寿命的因素较多，涉及面广，模具设计是模具寿命的基础。模具设计环节是指模具的结构设计、成形模腔设计和确定模具钢种、模具硬度等。模具制造环节是指制模工艺、热处理规范和表面处理技术等。本文仅从模具设计和模具制造两个方面探讨提高模具寿命的措施。
　　2、合理设计精密体积成形件(精锻件)?
　　模锻件应尽量避免带小孔、窄槽、夹角，形状要尽量对称，即使不能做到轴对称，也希望达到上、下对称或左、右对称。要设计拔模斜度，避免应力集中和模锻单位压力增大，克服偏心受载和模具磨损不均等缺陷。?
　　对于锻模模腔边缘和底部圆角半径R，设计时应从保证锻件型腔容易充满的前提下尽可能放大。若圆角半径过小，模腔边缘很容易在高温高压下堆塌，严重者会形成倒锥，影响模锻件出模。如底部圆角半径R过小而又不是光滑过渡，则容易产生裂纹且会不断扩大。
　　设计模具时应充分利用CAD系统功能对产品进行二维和三维设计，保证产品原始信息的统一性和精确性，避免人为因素造成的错误，提高模具的设计质量。产品三维立体的造型过程以在锻造前全面反映出产品的外部形状，及时发现原始设计中可能存在的问题，同时根据产品信息，用电脑设计出加工模具型腔的电极，为后续模具加工做好准备。
　　采用CAM技术可以将设计的电极精确地按指定方式生产。采用数控铣床(或加工中心)加工电极，可保证电极的加工精度，减小试模时间，减少模具的废品率和返修率，减少钳工劳动量。
    对于一些外形复杂，精度要求高的锻件，靠模具钳工采用常规模具制造方法保证某些外形尺寸而采用CAD/CAM技术可以对这些复杂的锻件进行精确的尺寸描述，确定合理的分模面，保证合模精度，从模具制造这一环节确保产品精度。 　　
　　CAD/CAM/CAE技术可以进行有限元分析，对关键部位的尺寸设计是否合理可以提供修改依据，从而在为客户提供高质量锻件的同时，也为客户的设计提供了依据，加强了与客户的合作。成形是模锻过程中最重要的工步，模锻件的几何形状是靠锻模来保证的，模锻过程中要全面考虑各种因素，尤其是对生产中可能发生的或已暴露出的问题，在模具设计时应采取措施减轻后续工序的加工难度。按照这一原则在预防为减少模锻件开裂与变形，提高锻件合格率方面，可以有针对性地采取一些对策和措施。如锻件的某些部位在切边和冲孔时易变形而影响产品质量时，可在锻模设计上适当增加相应变形部位的加工余量予以补偿，这一点对于切边时锻件变形大的薄法兰更为重要。对一些带有杆部且杆部直径相对较小的锻件，在切边和热处理过程中会产生有规律的几何变形，而用冷校正方式无法或难以校直。如某厂生产的TS60曲轴，可根据实践经验和统计数据预先将中心线在一定范围内变形方向反向偏移一定的预补反变形量。
　　3、合理设计锻压工艺?
　　目前，一般企业无健全的工艺试验室，缺乏工艺试验条件，客观上要求工艺方案必须正确，一次成功。尤其步入市场经济以后，企业负责人要求锻造技术人员只能成功，不许失败，这就给工艺设计人员带来了较大的困难，要求工艺人员要具有较高 的水平，但即使具有丰富实践经验的工艺人员也难免会感到棘手，一旦失误就会造成较大损失。
　　对于切边时存在容易撕裂部分的锻件可在设计飞边槽时有意减薄薄弱部分飞边桥部的高度，以降低切飞边时此处的切割厚度。如S195连杆，材料为45钢，锻后冷切边，大头搭子部位由于截面形状小、料薄，在切边时经常出现搭子及附近筋部撕裂，废品率高。若改为锻后余热切边则可提高切边质量，但由于切边受模锻生产节拍的限制，效率低。而在设计锻模时减薄此处飞边桥的高度，减少此处飞边冲裁力，可以大大减少切边撕裂。?
　　对于冷挤压工艺，必须最大程度地软化毛坯及减少变形时的磨擦力，严格控制变形程度和各工序变形程度的合理分配。
　　一般低碳钢、碳钢及低碳合金钢的软化退火工艺为：加热至760℃保温4h，以20℃/h的冷却速度冷到680℃保温3h，再以20℃/h的冷却速度冷却到640℃后随炉冷却到350℃出炉。硬度一般可达125～155HB。?
　　含碳量小于0.2%的碳钢，钢材经退火后硬度可小于120HB。钢材经软化退火后再经滚光、酸洗、磷化、皂化后再涂猪油拌MoS?2润滑，可降低变形负载，有效减少凸模、压模圈、接头体的断裂失效。采用多工序小变形的冷挤压方法能有效地降低模具承受的单位挤压力，工序间坯料可不进行软化处理，使模具寿命得以延长。国内某些厂家在挤压生产时贪图一时之便，减少挤压工序，虽然也能把样品(或产品)做出，但模具负荷太大，容易出现断裂失效。这种急功近利的做法是我国冷挤压工艺曾经一轰而起未能迅猛发展的主要技术原因之一。采用锻模CAE软件，可以分析材料的流动情况、磨擦阻力以及材料的充腔溢料情况，帮助设计人员有效合理地进行工艺设计。
　　4、合理的模具结构设计?
　　模具结构设计主要考虑导向精度合理、冲裁间隙恰当、刚性好，还要考虑尽量采用组合式模具。 模架应有良好的刚性，不要仅仅满足强度要求，模板不宜太薄，在可能的情况下尽量增厚，甚至增厚50%。多工位模具不宜仅用2根导柱导向，应尽量做到4根导柱导向，这样导向性能好。因为增加了刚度，保证了凸、凹模间隙均匀，确保凸模和凹模不会发生碰切现象。浮动模柄可避免压力机对模具导向精度的不良影响。凸模应夹紧可靠，装配时要检查凸模或凹模的轴线对水平面的垂直度以及上下底面之间的平行度。在冷挤压时，凸模和凹模的硬度要合适，要充分发挥强韧化处理对延长寿命的潜力。如W6Mo5Cr4V2钢冷挤压凸模，当硬度≥60HRC时可正常使用，寿命为3000～3500件。但如果凭经验认为硬度低、塑性好，寿命一定延长时就会大失所望，当硬度为57～58HRC挤压工件时，凸模的工作带会镦粗。某厂检测挤压第1件以后凸模的工作带尺寸发现，镦粗增大量为0.01～0.04mm。?
　　对于热挤凹模就不能套用冷挤摸的经验，当把3Cr2W8V钢热挤凹模的硬度值从＞40HRC降到37～38HRC时，使用寿命从1000～2000次提高到6000～8000次。?
　　根据经验，不同的锻压设备上的模锻对锻模的硬度要求不尽相同，即使在同一种锻压设备上的模锻，锻不同的产品对模具的硬度要求也不相同。?
　　在锻件飞边切除时，凸模底要尽量与锻件的上侧表面相吻合。如钢丝钳模锻件热切飞边时，切飞边凸模底部的凹形要与钢丝钳柄部的弧形相吻合，否则在切飞边过程中，切飞边凸模易使锻件向一侧翻转，使凸模和凹模损坏。一般情况下，冲裁间隙放大可以延长切飞边模寿命。
　　5、合理选择模具材料?
　　根据模具的工作条件、生产批量以及材料本身的强韧性能来选择模具用材，应尽可能选用品质好的钢材。据有关资料介绍，模具的制造费较高，而材料费用一般仅是模具价格的6%～20%。?
    对模具材料要进行质量检测，模块要符合供货协议要求，模块的化学成份要符合国际上的有关规定。只有在确信模块合格的情况下，才能锻造。大型模块(100kg以上)采用电渣重熔钢H13时要确保内部质量，避免可能出现的成份偏析、杂质超标等内部缺陷。要采用超声波探伤等无损检测技术检查，确保每件锻件内部质量良好，避免可能出现的冶金缺陷，将废品及早剔