提高模具使用壽命的方法分析

楊宇哲

摘 要：模具被人們稱為工業之父，由于現代工業的自動化程度越來越高，模具的使用范圍也越廣泛，可在我國的較多中小企業中，其壽命還很低，僅相當于國外同行業的1/3到1/5。模具的壽命低，不但會降低產品質量，更會產生浪費模具材料、增加加工工時等嚴重的后果，使產品的成本居高不下并嚴重影響生產效率。提高模具壽命有極大的經濟效益，一般在試生產階段模具工裝費用占生產成本的25%左右，而定型生產時僅為10%。模具壽命與模具設計、制造、使用和維修等環節有關。通過分析大量失效模具發現，在各種因素中，45%與不適當的熱處理有關，不合理的模具結構和選材不當大約占25%，潤滑不及時和設備維護因素大約占20%，工藝處理不當約占10%。

關鍵詞：模具；使用壽命；研究分析

1 在設計模具時需注意的問題

合理的模具設計方案是保證其壽命的基礎，這里很多因素需要考慮。制成品的批量、形狀和精度等決定了模具的結構方案，并要注重其使用的經濟性；好的結構方案，不但擁有緊湊的結構和靈活方便的操作，而且能使各零部件有足夠的剛度強度；模具零件各表面的轉角應盡量成圓角過渡，來消除應力集中；可采用組合和鑲拼的方式來消除凹模、型腔及部分凸模、型芯的應力集中問題，應采取適當的措施來保護細長凸模或型芯；長期使用中滑動配合件、頻繁撞擊件的磨損對模具壽命也有很大的影響，減少其磨損應在重點考慮之列；在設計冷沖模時，應設置避免制件或廢料堵塞的機構。模具可靠的導向機構，對于避免凸模和凹模間的互相啃傷是有幫助的，多工位模具不宜僅用2根導柱導向，應盡量做到4根導柱導向，這樣導向性能好，保證了凸、凹模間隙均勻，確保凸模和凹模不會發生碰切現象。

2 選用模具材料時應注意的問題

選擇模具材料的原則依據加工批量、制造工藝方法和加工對象而制定。易變形、易斷裂的普通模具，應選擇高強度、高韌性的碳素工具鋼；對于容易刃口磨損的沖裁模，應使用硬度高、較耐磨、加工性能好、熱處理淬火時變形小、淬透性高的材料；沖壓模的主要失效形式是表面疲勞裂紋導致的表層剝落，要使用表面韌性好的鋼材；磨擦系數特別低的材料比較適合拉深模；熱鍛模需要材料具有較強的韌度、強度、耐磨性和抗冷熱疲勞的能力，合金工具鋼比較合適；受到循環熱應力作用的壓鑄模，應選擇耐熱疲勞、高溫環境強度高的熱作模具鋼；塑料模具要使用易切削加工、組織結構密實、表面拋光性好的材料；設計凸模和凹模時，應考慮硬度不同或材料不同的模具的搭配，以延長其各自壽命。此外，選用的模具材料應與成品件具有較弱的親和力，以防止制件與模具粘合，磨損模具的零件，縮短模具的使用壽命。

3 在制造模具的過程中需要解決的問題

模具制造環節是指制模工藝、熱處理規范和表面處理技術等。為了確保模具的壽命也應把制造模具的過程提到十分重要位置，這里影響其使用壽命的因素主要是加工方法和精度。

3.1 合理制定模具鋼的鍛造規范

模具材料多為高碳、高合金鋼，不同程度地存在成分偏析、組織偏析、碳化物偏析等缺陷，不能直接用于制模。同時，所用原材料的形狀及尺寸很難與模塊相符，鍛造是獲得所需內部組織和使用性能以及減少機械加工量必不可少的手段。通過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，最多為3級。

模具鋼一般導熱性較差，加熱速度必須緩慢均勻，大的鍛件一般采用預加熱或以階梯加熱方式控制加熱速度，鋼件在爐膛內的位置要適當，有時還要反復翻轉，以使受熱盡量均勻。為最大限度地打碎和均勻碳化物，需采取墩粗加拔長且反復多次的變形工藝，最后像揉面團一樣，上下、前后、左右翻動，使其內部變形充分且均勻。坯料鍛后均應緩慢冷卻，隨爐緩慢冷卻或在熱灰箱中冷卻。但對于Cr12等萊氏體鋼，鍛后若采用緩慢冷卻，易在晶界上析出網狀碳化物，從而影響毛壞質量，故一般應先快冷至700℃左右，然后進行坑冷或入爐緩冷。鍛件應盡量減少鍛造火次，以控制坯料的氧化與脫碳。

3.2 選用合理的模具熱處理工藝

提高模具性能的方法有很多，采用熱處理新技術是成本適宜而又很有效的途徑。模具熱處理工藝主要包括基體強韌化和表面強化處理；基體的強韌化是為了增強基體的韌度和強度，降低斷裂和變形的出現。表面強化主要是為了增加表面的耐磨、耐腐蝕性和潤滑性能。

3.2.1 模具的整體強韌化工藝

材料失效的主要原因是應力集中和疲勞斷裂。為了增加普通冷作模具鋼的韌性，降低脆性和折斷，可使用低溫淬火與低溫回火的工藝；高溫淬火與高溫回火工藝能顯著地增強熱作模具鋼的強韌性和熱穩定性。模具型腔大而壁薄時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間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細小，對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對高速鋼采用低淬、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，但可提高模具抗折斷和抗疲勞破壞的能力。為了減少殘留應力，模具淬火后應趁熱進行回火，回火的作用是使才材料因為在短時間里面淬火產生的內應力慢慢釋放掉，回火應充分，回火不充分易產生磨前裂紋。

3.2.2 模具的表面強化熱處理工藝

經研究發現，磨損、粘結均發生在模具的表面，常見的疲勞、斷裂也往往從表面開始。為了更好地提高模具壽命，需要增強零件表面的耐磨性，對主要成形零部件采用表面強化處理是最直接的途徑。模具表面強化工藝主要有氣體氮化、離子氮化、電火花表面強化、滲硼、熱擴散碳化物覆層、化學氣相沉積、物理氣相沉積、激光表面強化、離子注入、等離子噴涂法等。在實際生產中，要根據模具的不同用途來采取不同的表面強化工藝。舉例說明之，為了增強沖裁模表層的耐磨性和抗壓強度，可采取電火花、硬質合金堆焊等強化方法；對于熱加工模具（壓鑄模、塑料模）的表面可使用滲氮方法處理，以達到增強其耐磨、耐熱疲勞和耐腐蝕性的目的；拉深模、彎曲模主要是生產中摩擦造成的磨損，為了增強材料的耐磨性可用滲硫工藝來降低摩擦系數；碳氮共滲適合各類模具的表面強化。表面覆層硬化技術中的PVD、CVD近年來獲得較大的進展，在PVD中常用的有真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子鍍，其中離子鍍層具有附著力強、沉積速度快、無公害等優點。離子鍍工藝可在模具表面鍍上tic、TIN，其使用壽命可延長幾倍到幾十倍。

3.2.3 在模具的機械加工過程中應注意的工藝問題

機加工藝直接影響著模具的使用壽命和產品質量，實踐研究發現：如能讓模具的型腔表面粗糙度改進一倍，就能讓其使用壽命增加50%，而實現的前提是能保證正確的加工工藝。制造工藝首先要解決加工后的加工變形與殘留應力不能太大的問題。粗加工時最好不要使表面粗糙度Ra大于3.2μm，特別應注意在模具工作部分轉角處要光滑過渡，減少熱處理產生的熱應力。在精加工時走刀量要小，不允許出現刀痕。對于精密模具的精密磨削要注意環境溫度的影響，要求恒溫磨削。鍛模模腔的粗糙度直接影響鍛模壽命，由于粗糙度值高會使金屬流動阻力增加，使鍛件不易脫模。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。