提高汽車模具可靠性的方法

鄭瀅瀅

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

提高汽車模具可靠性的方法

鄭瀅瀅

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

文章從汽車工業的基礎工藝裝備出發，淺析了汽車模具的的失效模式及機理，從模具材料、模具設計、模具加工、熱處理和表面強化技術等幾個方面提出了提高汽車模具可靠性方法。

汽車模具；失效；可靠性

1 引言

目前，我國的模具總產值排世界第三，僅次于美國和日本。隨著我國模具業產品專業化、細分化的趨勢，汽車模具行業迅速發展，現已具備相當規模，但是距離模具強國還有較大的差距。模具是汽車工業的基礎工藝裝備，制造一輛普通的轎車約需要1500套模具，其中沖壓模具約占2/3，一輛汽車的 90%的零件需要模具成形。在新車型的開發中，用于車身和沖壓工藝及裝備的開發約占60%[1]。

汽車模具中大部分為沖壓模具，工作環境惡劣，一方面要承受很高的接觸壓力和劇烈的摩擦，另一方面在循環加工工件時，引起模具的應力、應變和溫度的周期性變化而造成模具的疲勞失效。模具失效會影響零件的加工質量，造成被迫停產維修，降低了生產效率，增加了零件生產成本，給汽車產業造成了巨大的經濟損失。分析汽車模具的失效形式，研究提高汽車模具可靠性的方法，對汽車產業的發展具有重大的意義。

2 模具失效模式及失效機理

模具的失效可以概括為兩方面：模具本身的損壞和生產的零件達不到精度。模具的本身損壞分為正常損壞和非正常損壞兩種模式。本文主要討論正常損壞模式下模具的失效。研究汽車模具的失效模式及機理，目的是為了有效的減少和避免模具的失效，增強模具的可靠性，提高模具的性能和使用壽命。

模具失效機理：模具工作時，零件和模具工作表面之間在高壓力作用下的相對運動會產生劇烈摩擦，這將導致模具表面磨損；擠壓循環工藝過程中，模具內部會形成很大的應力，由于結構上原因，模具受到非對稱的交變應力而發生塑性變形；擠壓時由于金屬劇烈流動和摩擦將產生大量的熱量，使模具表面溫度升高，冷作模具表面的溫度可以到達 400℃[2]，熱鍛模表面溫度更高，在結束一道工序，取出零件后加潤滑劑，表面會散熱冷卻，這樣便形成一個熱循環而產生熱交變應力導致熱疲勞破壞。

模具失效的原因有很多，但其中的主要原因可以歸納為設計不合理、選材不當、熱處理不合理、加工不良、使用方法不當等幾個方面。張云[3]有統計，模具失效的比例如圖 1所示：設計不合理占3.3%，選材不當占17.8%，熱處理不合理占52%，鍛造不良占7.8%，加工工藝不合理占8.9%，使用方法不當占 10.2%。為了提高模具的可靠性，應該最大可能的避免以上造成失效的主要原因出現。

圖1 模具失效比例

3 提高模具可靠性方法

3.1 選擇正確的模具材料

模具材料是影響冷擠壓模具壽命關鍵因素，所選擇的模具材料應具有高強度、高硬度、高耐磨性、足夠的熱硬性、穩定性和耐熱疲勞性。一般的模具材料費用不及模具總費用的 20%，為了保證模具的性能，要盡量選用優良鋼材來制造模具。模具材料表面的缺陷（如脫碳、氧化、疤痕等）和內部缺陷（如夾雜成分偏析、碳化物分布不均、表面脫碳等）將影響模具的可靠性，在選模具材料時應避免。

3.2 模具設計

模具設計前，根據成形零件的材料、形狀和幾何尺寸確定模塊的外形尺寸，以保證模具的強度。在模具設計中應盡量避免尖角，槽和孔的位置應該合理布置。過小的圓角半徑、槽和孔的位置布置不合理，在模具的熱處理和使用的過程中，可能會引起過大的應力集中而使模具產生裂紋，發生失效，降低了模具可靠性。凸模的各個部分過渡應圓滑平緩，盡量避免尖角。有些整體模具不可避免的存在凹的圓角半徑，造成應力集中而容易產生裂紋，可以采用鑲嵌結構有效的避免。

3.3 合理的機加工

模具機加工過程中，型腔和凸模的圓角部位，常常因為進刀太深而留下一些刀痕，這些刀痕會造成嚴重的應力集中。因此，在模具加工的最后一道切削中，應盡量減少走刀量，降低模具表面粗糙度。模具在鍛造過程中，模具應反復多方向鍛造，要盡量消除碳化物偏析，獲得盡可能細小、均勻分布的碳化物組織，以防止在后面淬火時產生過大的組織應力和熱應力。電火花加工是現代模具制造中不可缺少的精加工方法，火花放電時，局部溫度高達1000℃，會產生大量的熱量，模具表面金屬被熔化和汽化，表面組織發生變化，形成所謂的電加工異常層(如圖2所示)，該層內部有許多微細的裂紋，熔化凝固層下一層區域發生淬火，形成淬火層，再往里由于受熱減少，該層溫度不高，只發生回火，形成回火層，回火層。可以在電火花加工后用機械加工方法將該層去除，然后再進行一次低溫回火，使該層穩定化，防止微裂紋擴展[4]。在磨削工程中，為了防止磨削表面過熱、表面軟化和產生熱應力，應該采用粘結性較差的砂輪或者切削力強的粗砂輪，選用合適優質的冷卻劑，并減少零件的進給量，在磨削結束后，采用250~350℃回火，以消除磨削應力。

圖2 電加工異常層

3.4 合理的熱處理工藝

模具的可靠性很大程度取決于熱處理質量，熱處理不僅提高了表面的硬度，而且更多的是改變其內部的組織和性能，以獲得理想的韌性和熱強度。合理的熱處理工藝使模具獲得良好的力學性能，極大的提高模具的可靠性。但是，模具在熱處理時，加熱溫度的高低、保溫時間的長短、以及冷卻速度快慢等工藝參數選擇不當都可能成為模具失效的因素。一般模具材料導熱性差，固加熱速度不宜過快。嚴格控制模具淬火溫度，防止出現氧化和脫碳，采用裝箱保護處理（箱內填充防脫碳和氧化的填充物），可以有效的防止氧化和脫碳。

3.5 表面強化技術

侯艷麗[5]等提出表面強化技術是通過改變模具表面成分、鍍層及組織來提高模具的耐磨性、耐熱性、硬度、疲勞強度等機械性能。表面強化技術有熱噴涂法、氣相沉積、等離子體熱處理、熔鹽浸鍍法等，這些技術已經日趨成熟并廣泛應用。熱噴涂法將噴涂材料加熱至熔化，用高壓氣流將其霧化，然后噴涂到模具的表面，能高有效的改善模具表面的性能。氣相沉積是將具有特殊性能的穩定化合物直接沉積于金屬模具表面，這些化合物形成一層超硬覆蓋膜，使模具具有高硬度、抗腐蝕、耐磨性等特性。等離子體熱處理中發展最快，應用最廣的是等離子體化學熱處理，有離子滲碳、離子滲氮、離子碳-氮共滲、離子滲硼等。熔鹽浸鍍法在模具中應用最廣泛的是在模具表面滲釩，所形成的V-C薄膜，能夠顯著的提高模具表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗粘著性。

3.6 模具維護與管理

在模具的使用過程中，正常的操作以及合理的維護，減少違規操作，可以提高模具的壽命。比如潤滑工件與模具的相對運動表面，可降低工件和模具的摩擦系數，減小摩擦力，降低成形力。另外，潤滑劑還能在一定程度上起到冷卻的作用，減少了坯料向模具傳熱量,降低模具溫度，這對提高模具的可靠性都是有利的。例如模鍛時潤滑模膛，拉深中潤滑凹模與毛坯接觸面，都有利于成形和提高模具壽命。在模具的制造和使用過程中，模具的管理是指要嚴格按照工藝規程運作，而模具在生產作業中的管理則指在安裝、調試、拆卸、運行保管模具時要遵守相關操作規程,避免因為人為因素而帶來模具的損傷。

4 結束語

汽車模具是汽車工業的基礎工藝設備，在汽車工業中扮演著重要的角色。模具的工況比較惡劣，磨損、疲勞破壞、塑性變形和斷裂等造成模具失效因素，會導致模具可靠性下降。本文從模具材料、模具設計、模具加工、熱處理和表面強化技術和模具維護與管理幾個方面提出了提高模具可靠性的具體方法，在實際生產過程中，模具失效往往不局限為一種模式，因此要針對模具失效形式和機理，進行全面的分析和預防，有效的提高模具可靠性，促進汽車產業的蓬勃發展。

[1] 李志剛.國內外汽車模具技術的發展趨勢[J].技術前沿,2011,(16):12-15.

[2] 許勝利,苗高蕾.冷擠壓模具失效分析與提高模具壽命途徑[J].模具,2011,(3):71-73.

[3] 張云.模具失效因素淺析[J].桂林航天工業高等專科學校學報,2005(4)，22-24.

[4] 楊宗田.模具失效的原因及預防措施[J].模具制造,2004(6):57-58.

[5] 侯艷麗,等.增進模具可靠性的表面強化技術[J].電鍍與涂飾,2009(3):70-72.

Method of improving the reliability of the auto mould

Starting from the basis of technology and equipment of the automotive industry, this paper analyzes the automotive mold law of failure and mechanism ,and introduces the methods of improving the reliability of automotive mold from mold materials、mold design、mold machining、heat treatment and surface enhancing techniques.

Automotive mold；Failure；Reliability

TG76

A

1008-1151(2012)06-0142-02

2012-04-17

鄭瀅瀅（1975－），女，浙江溫州人，柳州職業技術學院機電系工程師，從事模具和車身的教學、設計、科研方面工作。