沖裁模壽命影響因素分析

于國紅

(蘭州城市學院 機械工程系,甘肅 蘭州 730070)

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沖裁模壽命影響因素分析

于國紅

(蘭州城市學院 機械工程系,甘肅 蘭州 730070)

摘要：沖裁模是加工零件的重要工藝裝備。它的使用壽命直接影響產品的質量和成本。從沖裁模失效形式著手，系統分析了沖裁模在設計、制造、安裝、使用和維護保養過程中影響其壽命的因素，并提出了對應的提高沖裁模壽命的措施。

關鍵詞：失效形式；模具壽命；影響因素；改善措施

沖裁模是現代制造業中重要的工藝裝備之一。采用沖裁模加工零件，具有生產效率高、周期短、產品質量好及成本低等優點，在工業生產的各個領域，如機械制造、車輛制造、航空航天、電子、電器、輕工、儀表及日用品等行業得到了廣泛應用。因沖裁模制造一般是單件小批量生產，精度要求高，屬于技術密集型產品，使模具制造費用在整個生產成本中占了較大比重。在實際生產中，如果模具易失效，就不能保證可靠的壽命周期，將直接影響產品的產量和質量，造成生產成本浪費；因此，從沖裁模的設計、制造和使用維護等各個環節對模具進行失效分析，并采取有效的防范措施，可提高沖裁模使用壽命，降低生產成本，提高生產效率。

1沖裁模失效形式

1.1磨損

沖裁模的主要工作對象是冷軋鋼板和有色金屬板材。沖壓時，被沖材料與沖模的工作部分產生摩擦，依靠沖模的刃口剪切使板料分離。一般在室溫下，沖擊力不大，而分離板料時受力主要集中在模具刃口附近；因此，它的正常失效形式為磨損。從磨損機理上分析，主要是粘著磨損，同時也伴隨著磨粒磨損，在長期使用過程中也會產生疲勞磨損。由于沖裁模工作時凸、凹模刃口處于端面最大壓應力和側面最大壓應力的交匯處，同時也處于端面最大摩擦力和側面間最大摩擦力的交匯處，因此，沖裁模中凸、凹模的刃口工況最為惡劣，磨損最嚴重。

1.2斷裂

模具工作中承受沖擊載荷，斷裂失效是其常見的形式。斷裂形式分為過載斷裂和疲勞斷裂。當模具所受的應力突然增加并超過模具材料的許用值時，模具就會在有應力集中處突然斷裂；當模具承受高于一定臨界值的交變應力作用時，在交變應力的多次反復作用下，模具材料首先產生微小裂紋，隨著作用次數的增加，裂紋逐漸擴展，最終發生疲勞斷裂。

1.3其他形式失效

沖裁模還會出現刃口變形、疲勞崩刃等失效形式。當沖裁凸模較細長時，會引起彎曲變形失效。

2影響沖裁模壽命的因素

為滿足現代制造業生產高質量和低成本的產品，沖裁模應有足夠的壽命。能否在使用期間內保證模具壽命，取決于諸多方面的因素。應從系統的角度出發，就沖裁模的設計、制造、安裝使用以及維護保養等全方位分析影響沖裁模壽命的因素，從而找到相應的改善措施。

2.1沖裁模設計環節

2.1.1適當選擇沖裁間隙

沖裁過程中，凸、凹模的刃口部分擠壓、剪切被加工材料，材料對模具的反作用力主要集中在凸、凹模的刃口部分。間隙的大小影響凸、凹模刃口在剪切中所受應力的大小。當間隙過小時，模具刃口所受垂直應力和側壓應力增大，摩擦力增大，模具刃口的磨損加劇，甚至發生啃模的現象，易造成模具的過早失效；當間隙過大時，被加工材料所受轉矩增大，摩擦力增大，刃口處所受拉應力增大，也會加劇模具刃口磨損。因此，模具設計中凸、凹模間隙應在合理范圍內取值。一般情況下，加工材料厚、塑性低的硬脆材料時，所需間隙值就越大；反之，所需間隙值就越小。

2.1.2正確設計模具(凸、凹模)刃口幾何參數

沖裁模結構尺寸及形狀設計影響模具的強度，不合理的設計導致模具無法保證其使用壽命。尤其是凸、凹模局部結構中的尖角，圓角半徑偏小，凹槽和缺口布置不合理，截面過于突出，位置設計不當造成薄壁，斷面太薄和間隙不當等。尖角與截面突變處存在過大內應力，往往導致沖裁模使用時過早失效；薄壁同時還會產生塑性變形和開裂失效。

2.1.3保證沖裁模導向裝置的精度

沖裁模設計中若采用導向裝置，能有效地保證模具零件的對中，增加剛度，提高模具抗彎折、抗偏載的能力，消除不均勻磨損，從而延長模具壽命。針對具體工序性質和被加工零件精度，選擇正確導向形式和保證一定的導向裝置精度，是設計時應重視的環節。一般情況下，導向機構的精度應高于凸、凹模配合精度。

2.1.4增加壓料卸料裝置

沖裁過程中，模具刃口與被沖板料間產生相互作用力。由于凸、凹模配合間隙的存在會形成轉矩，造成被加工板料相對于凹模端面滑動。如果設計有彈性卸料板，可提供一定的壓邊力，從而降低沖裁力以及板材對凸模和凹模的摩擦磨損。

2.1.5模具材料的選擇

設計沖裁模時，合理選擇模具材料是關系到模具使用壽命的一項重要工作。在沖壓過程中，由于沖裁模是在沖擊負荷下工作，而且被沖材料的變形抗力一般都比較大，尤其是刃口受到強烈的擠壓和摩擦，因此，制造沖裁模工作零件的材料應滿足2項基本要求:1)材料綜合力學性能要好，包括材料應具備高硬度(58～64 HRC)和高強度，并具有高的耐磨性和足夠的韌度，熱處理變形小，有一定的熱硬性;2)材料應具備良好的工藝性能，包括良好的鍛造性能，淬硬性和淬透性以及機械切削加工性，磨削加工性等。在實際生產中因沖壓件的材料特性、生產批量和精度要求等的不同，選擇模具材料時，除了應保證所選材料性能優良，還要兼顧經濟性。

2.2冷沖模制造環節

2.2.1確定合理的鍛造工藝

沖裁模在鍛造階段，為防止材料內部產生裂紋，鐓擊力不能過大。應控制加熱溫度，均勻加熱，防止過熱過燒現象。模具材料鍛打后，應控制好冷卻速度，防止開裂。

2.2.2確定合理的機械加工工藝

為保證沖裁模的壽命，模具主要零件都具有高的精度和低的表面粗糙度要求。在粗加工階段，應徹底去除材料表面的脫碳層，否則會降低模具表面硬度，加劇模具磨裂和淬裂傾向。模具工作部分轉角處應光滑過渡，減少熱處理時產生的熱應力；考慮到后續熱處理變形的影響，沖模粗加工時應為精加工余留合理加工余量。精加工時走刀量要小，不允許出現加工刀痕，以防萌生疲勞裂紋，造成模具疲勞失效。磨削加工時，為避免磨削裂紋和磨削燒傷，保證模具的疲勞強度和斷裂抗力，磨削進給量不能過大，同時應控制磨削熱，提供充足的冷卻。對于精密模具的精密磨削應注意環境溫度的影響，要求恒溫磨削。電火花成型加工和線切割加工時，應防止模具表面產生拉應力和顯微裂紋。模具裝配時，應保證裝配精度。裝配精度高，各個配合表面的平面度和平行度好，凸模與凹模垂直度高，間隙均勻，也能使模具獲得相當高的壽命。

2.2.3熱處理工藝

沖裁模制造中，采用熱處理工藝，可有效消除模具材料的內應力，改善切削加工性，提高硬度和強度等綜合力學性能。模具失效中，因熱處理工藝不當引起的失效占很大比重，如模具工作零件的淬火變形與開裂，使用過程的早期斷裂，均與模具熱加工工藝有關。為保證良好的模具壽命，機械加工與熱處理應很好地相互配合，如粗加工后高溫回火或低溫回火，精加工后淬火與回火，電火花、線切割后的去應力低溫回火。

模具主要工作件在粗加工階段，應根據材料和要求的不同，分別采用退火、正火或調質等預備熱處理，以改善組織，消除鍛造毛坯的組織缺陷，改善加工工藝性。這樣有利于保證淬火、回火質量，提高模具壽命。

模具主要工作件在精加工階段插入淬火和回火熱處理工序時，應嚴格控制淬火溫度，如果淬火溫度過高，材料晶粒長大，使沖擊韌度下降，會造成疲勞裂紋萌生周期縮短，擴展速度加快，嚴重影響模具壽命。

沖模淬火加熱時，應特別防止氧化、脫碳和增碳，模具工作面殘留有脫碳層時，會導致模具早期磨損或斷裂；表面增碳會導致模具出現崩刃等失效形式。為消除淬火后的殘余應力，模具淬火后應趁熱進行回火，回火應充分，回火不充分易產生磨前裂紋。對于高精度模具，磨削或電加工后，還應經消應力回火處理，以穩定模具精度，提高使用壽命。

2.2.4合理的模具表面強化工藝

模具工作零件表面經強化處理后，可大幅度提高沖裁模性能和使用壽命。表而強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、滲硼、滲釩和電火花表面強化，以及化學氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)和在鹽浴中向工件表而浸鍍碳化物法(TD)等。為了提高模具工作零件硬度和耐疲勞強度，也可采用滾壓、噴丸等冷作強化工藝。

2.3冷沖模安裝使用環節

2.3.1沖壓設備的選用

沖裁模工作時需要的工作力由沖壓設備提供。在成形過程中，工作力反力導致設備產生彈性變形，這種變形直接影響沖模，造成凸模與凹模刃口受力不均和沖裁間隙不均，加速刃口和導向件的磨損，降低模具壽命，嚴重時直接啃壞刃口和導向件。因此，選擇沖壓設備時應選用導向精度高、剛度大且適合完成該沖壓工序的設備。這樣沖壓模具在使用過程中就具有良好的工作條件。

2.3.2沖裁模的正確安裝

沖裁模作為一種工藝裝備，只有實現了在沖壓設備上的正確安裝，才能發揮其最佳性能，并使模具的壽命得到保障；因此，安裝模具時，在保證裝模閉合高度的同時，沖床工作臺面和下模座間墊板的精度也要得到保證。沖壓中凸模刃口進入凹模深度應嚴格控制，取值合理。當凸模刃口進入凹模刃口過深時，不僅加劇了凸模刃口的磨損，而且增大了正常的刃磨刃口修磨量，從而降低了沖裁模的使用壽命。

2.3.3沖裁模的使用和維護

沖裁模在正常使用過程中，沖裁次數達到一定程度后，凸、凹模刃口鋒利度下降，凸模和凹模工作面的表面粗糙度增大，一方面導致模具疲勞強度下降，另一方面被沖材料流動時和凸、凹模端面間摩擦力增大，加劇模具的磨損；因此，及時的刃磨修理是模具使中的重要環節。選擇合理的刃磨壽命和刃磨量，保證刃磨后模具工作部位的精度和表面粗糙度要求，可延長模具的使用壽命。

在沖裁模的日常保養、維護工作中, 應重視模具結構中的彈性件和緊固件的可靠性，發現問題應及時更換，以防其失效后造成模具精度下降，運動錯位等，導致嚴重損傷。在使用中，模具應保持清潔和合理的潤滑。通過使用前、使用過程中和使用后檢查，確保沖裁模在精良的狀態下運行。

3結語

工欲善其事，必先利其器。為了高效率、高質量、低成本地生產沖裁零件，應在沖裁模設計、制造、安裝使用和維護等各個環節，針對存在的主要失效形式，采取相應的先進制造技術，以保證和延長模具的使用壽命。

責任編輯馬彤

Analysis on Affection Factors of Blanking Die Life

YU Guohong

(Lanzhou City College Department of Mechanical Engineering, Lanzhou 730070,China)

Abstract：Blanking die is an important craft equipment of blanking pieces.The using life of blanking die directly influences the product quality and cost. Beginning from the blanking die failure forms,the paper systemic analyzes the affection factors of the punch die life in the design, manufacture, installation, use and maintenance process. Finally, present the corresponding improvement measures to enhance the using life of the blanking die.

Key words:failure forms，die life，affection factor，improvement measures

收稿日期：2016-01-13

作者簡介：于國紅(1967-)，男，講師，大學本科，主要從事機械制造和機械故障診斷等方面的研究。

中圖分類號：TG 385

文獻標志碼:A