支架零件側(cè)向沖孔模具失效與壽命研究*

翟崇琳 苗 進(jìn)

(①宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 宿遷 223800；②江蘇省宿遷市方圓機(jī)械有限公司， 江蘇 宿遷 223800)

模具在起步發(fā)展階段，因受當(dāng)時(shí)模具制造水平的制約，模具在沖壓時(shí)易產(chǎn)生磨損、變形、裂紋等缺陷，這些缺陷對(duì)產(chǎn)品的尺寸精度和使用要求影響不大，所以這并沒(méi)有引起人們的重視，又因?yàn)閭鹘y(tǒng)觀念覺(jué)得，只要是大批量的生產(chǎn)制件，模具的成本平均到單個(gè)制件上也很少，模具失效或報(bào)廢之后只要再加工一套即可。

由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于沖壓件的精度和質(zhì)量提出了更高的要求，這在很大程度上取決于模具精度和質(zhì)量，又模具在沖壓過(guò)程中總是不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題致使模具失效，所以模具失效是影響模具壽命和生產(chǎn)成本的重要技術(shù)因素。

1 模具失效分析

本文所分析的支架模具如圖1所示，在沖壓成形時(shí)，制件兩側(cè)的孔需要進(jìn)行水平?jīng)_壓，因此需將壓力機(jī)的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)，該模具采用了最常見(jiàn)的斜楔滑塊機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)沖。本模具在沖壓25 000次后，發(fā)現(xiàn)所加工的產(chǎn)品尺寸精度下降，工件變形，滑塊運(yùn)動(dòng)不是太流暢。現(xiàn)將模具拆開(kāi)，重點(diǎn)分析模具工作零件失效。

1.1 凸模Ⅰ的失效形式

本副模具中沖孔凸模Ⅰ結(jié)構(gòu)如圖2所示，橫截面為圓形，直徑16.2 mm，所用材料為Cr12，從沖孔的廢料(圖3a)斷面中光亮帶所占的比例不到一半，模具打開(kāi)發(fā)現(xiàn)該凸模在固定板中旋轉(zhuǎn)，周?chē)€有廢屑(圖3b)，且凸模刃口處以及凸模與卸料板接觸的位置磨損比較明顯，如圖2畫(huà)圈處位置所示。從凸模的加工痕跡看，該凸模采用車(chē)削加工，檢測(cè)硬度為56 HRC。

1.2 凸模Ⅱ的失效形式

本副模具中沖孔凸模Ⅱ結(jié)構(gòu)如圖4所示，橫截面形狀不規(guī)則，為圓形+矩形利用螺釘進(jìn)行連接，所用材料為Cr12。模具在打開(kāi)時(shí)沒(méi)有發(fā)生松動(dòng)，但沖孔的廢料斷面(圖5)有兩個(gè)光亮帶，所占比例更小，且兩光亮帶之間有明顯的夾層。從加工痕跡看，該凸模采用了線(xiàn)切割加工，檢測(cè)硬度為56 HRC。

1.3 兩凸模失效原因分析

從上述失效情況看，該模具中凸模零件的失效主要有3個(gè)原因：

(1)模具工作時(shí)，模具間隙過(guò)小，致使斷面上出現(xiàn)了二次光亮帶，這就使得產(chǎn)品質(zhì)量下降，也會(huì)加快模具磨損。

(2)兩凸模的硬度不足，耐磨性較差。

(3)圓形凸模的固定方式出現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)于圓形零件在工作一段時(shí)間后其會(huì)繞著中心軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.4 凹模失效分析

本模具中沖孔凹模分別在兩塊板上加工，然后采用相拼結(jié)構(gòu)組合成工件形狀，如圖1中的A處所示。雖然采用相拼結(jié)構(gòu)，使得維修方便，降低維修成本，但所沖的兩孔要求圓心在同一條直線(xiàn)上，這就增加了模具的裝配難度，另孔磨損后一般不易進(jìn)行刃磨，且在檢查刃口及漏料孔時(shí)發(fā)現(xiàn)該處為直通式，內(nèi)部堵了2～3個(gè)沖孔廢料，這是不利于沖壓加工的。

而且一般設(shè)計(jì)時(shí)要求凹模硬度比凸模高1～2 HRC，但經(jīng)檢測(cè)該凹模硬度同凸模一樣。

2 模擬方案

通過(guò)有限元分析，預(yù)測(cè)支架側(cè)沖模具失效形式及模具壽命，并結(jié)合模具實(shí)際工作情況，得出模具失效形式和壽命大小。結(jié)合這一目的，按照下列步驟進(jìn)行分析，實(shí)施流程如圖6。

本文以側(cè)向沖孔模具為研究對(duì)象，所沖產(chǎn)品如圖7所示，其孔尺寸不屬于小孔，即凸模在工作的過(guò)程中不存在強(qiáng)度問(wèn)題，一般不會(huì)發(fā)生變形或斷裂。對(duì)沖裁等工藝參數(shù)做如下設(shè)置：材料厚度t為3 mm，根據(jù)沖裁件斷面情況看，模具沖裁間隙為中等間隙，間隙c的合理取值范圍為(7%～10%)t，間隙取料厚的10%，即c=0.3 mm，上模運(yùn)動(dòng)速度為20 mm/s，摩擦系數(shù)為0.12, 凸模硬度為56 HRC。對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬后，將其中的某一參數(shù)改變，其他參數(shù)保持不變，進(jìn)行數(shù)值模擬并記錄模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)模具壽命分析提供參考。

3 側(cè)向沖孔過(guò)程數(shù)值模擬

3.1 建立模型

由于Deform-3D軟件主要用于分析金屬流動(dòng)過(guò)程，并不具備實(shí)體造型能力。本文采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)模型。為解決處理過(guò)程中耗時(shí)較長(zhǎng)，計(jì)算誤差較大的問(wèn)題，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文所建立模型只是左右兩側(cè)工作零件部分(凸模、凹模、毛坯)，如圖8所示。

3.2 變參數(shù)條件下模具失效分析

通過(guò)改變沖壓參數(shù)進(jìn)行模擬，分析模具磨損情況，通過(guò)磨損情況進(jìn)行失效分析。將模具間隙為0.3 mm，速度為20 mm/s，摩擦系數(shù)為0.12，硬度為56 HRC這組數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在該組數(shù)據(jù)中改變某一參數(shù)，其他參數(shù)不變，得到一系列的圖片和數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)制成曲線(xiàn)，從這些數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)中分析沖壓參數(shù)對(duì)模具失效的影響。

3.2.1 凸模Ⅰ的失效分析

(1)模具間隙對(duì)模具磨損的影響

沖裁間隙是沖壓過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，其大小是否合適，不僅影響模具的壽命，還將影響沖壓件的質(zhì)量。通常情況下間隙減小可提高產(chǎn)品質(zhì)量，但沖壓力變大，模具的磨損加劇，導(dǎo)致模具壽命降低，所以產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，因此研究沖裁間隙對(duì)模具壽命的影響十分重要。模擬時(shí)模具間隙分別取7%t，8%t，9%t，10%t，保證其在模具間隙的合理范圍內(nèi)。通過(guò)模擬可以得到圖9所示的模具磨損量圖，可以看出凸模Ⅰ的磨損主要集中在模具刃口位置。

對(duì)圖9中的最大磨損量進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)，得到間隙—磨損量曲線(xiàn)如圖10。從圖中可以看出間隙在0.21～0.24 mm之間，磨損量是最小的，當(dāng)間隙大于0.24 mm時(shí)，磨損量開(kāi)始變大，到0.3 mm時(shí)，模具間隙為最大合理間隙，此時(shí)的磨損也達(dá)到最大值，這也就說(shuō)明側(cè)向沖裁時(shí)并不是在模具的合理間隙范圍內(nèi)，間隙越大，模具的磨損就越小。從曲線(xiàn)形態(tài)看，在合理范圍內(nèi)，間隙取較小值時(shí)，模具的磨損反而較小。

(2)凸模沖壓速度對(duì)磨損量的影響

在沖壓生產(chǎn)中為提高生產(chǎn)效率，一般會(huì)提高壓力機(jī)滑塊的運(yùn)行速度，所以研究凸模的沖壓速度對(duì)模具壽命十分必要，模擬設(shè)置速度分別為3 mm/s，5 mm/s，8 mm/s，10 mm/s，12 mm/s，14 mm/s，16 mm/s，18 mm/s，其他參數(shù)不變的有限元模型。圖11為凸模的磨損量圖。從圖中可知凸模的磨損主要集中在模具刃口位置。

對(duì)圖11中的最大磨損量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到速度-磨損量曲線(xiàn)，如圖12所示，沖壓速度在3～10 mm/s時(shí)，曲線(xiàn)變化比較平緩，也是磨損比較小的時(shí)候。當(dāng)沖壓速度大于14 mm/s時(shí)，凸模的磨損量幾乎呈線(xiàn)性增大，磨損量急劇變大。總體上是隨著速度的增大，磨損量也增大，但存在一最佳沖壓速度范圍為3～10 mm/s。

(3)模具硬度對(duì)模具磨損的影響

模具材料是影響模具壽命的重要因素，模具選材不當(dāng)，易使模具產(chǎn)生早期失效，影響其使用壽命。硬度是選材的重要依據(jù)，所以在選材時(shí)優(yōu)先考慮材料硬度。一般凸模熱處理后的硬度在56～62 HRC，模擬設(shè)置硬度分別為(52、54、56、58、60、62)HRC。圖13為不同硬度下凸模的磨損量圖，從圖中可以看出不管硬度值是否變化，磨損主要集中在刃口附近，離刃口越遠(yuǎn)磨損越小。

對(duì)圖13中最大磨損量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到硬度-磨損量曲線(xiàn)如圖14所示，兩者呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)硬度為52 HRC時(shí)，磨損量最大，耐磨性最差，隨著模具硬度的增加，磨損量逐漸減小，耐磨性逐漸提高。但當(dāng)硬度增加到一定值后再增加時(shí)磨損量應(yīng)幾乎不變。因凸模一般熱處理的硬度不超過(guò)62 HRC，故其余硬度不再研究。

(4)摩擦系數(shù)對(duì)模具壽命的影響

普通沖裁時(shí)一般很少對(duì)模具進(jìn)行潤(rùn)滑，只是在模具保養(yǎng)和維修時(shí)在表面進(jìn)行潤(rùn)滑處理，但實(shí)際沖裁時(shí)模具表面如果不夠光滑，將增加模具的磨損。一般冷成形時(shí)的摩擦系數(shù)不超過(guò)0.2，本文建立了0.12、0.14、0.16、0.18、0.2的摩擦系數(shù)有限元模型。圖15為不同摩擦系數(shù)下凸模的磨損變化情況，從圖中可知磨損主要集中在刃口位置。

對(duì)圖15中最大磨損量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到摩擦系數(shù)-磨損量圖如圖16所示。摩擦系數(shù)在0.12～0.14之間變化平緩，磨損也較小；在0.14～0.18之間磨損呈線(xiàn)性增大，在0.18～0.2之間磨損變化又趨于平緩。總的來(lái)說(shuō)，隨著摩擦系數(shù)的增大，模具的磨損增大，摩擦系數(shù)的臨界值控制在0.16以下。所以模具在沖壓加工時(shí)應(yīng)有一定的潤(rùn)滑，以減小模具之間摩擦，而且沖裁一定次數(shù)后模具需要進(jìn)行保養(yǎng)和維修。

3.2.2 凸模Ⅱ的失效分析

由于凸模Ⅱ的截面上有一處尺寸較小，其余截面形狀同凸模Ⅰ，所以對(duì)于凸模Ⅱ主要分析該處的磨損變化情況。分析仍然從模具間隙、沖壓速度、模具硬度、摩擦系數(shù)4個(gè)方面進(jìn)行，分析凸模沖裁結(jié)束后磨損情況，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到磨損規(guī)律，如圖17所示。

從圖17中可以看出，凸模Ⅱ凸鍵部分在間隙增大時(shí)，磨損也增大，在改變速度、硬度、摩擦系數(shù)的條件下，其變化規(guī)律同凸模Ⅰ。

3.3 兩種凸模結(jié)構(gòu)磨損規(guī)律的比較

將3.2.1節(jié)和3.2.2節(jié)中的的曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，得到圖18圖形。從圖18中可以看出不管沖壓參數(shù)如何改變，凸模Ⅰ的磨損量始終大于凸模Ⅱ的磨損量，而且凸模Ⅱ的磨損變化趨勢(shì)較緩。這主要是由于凸模Ⅰ在沖裁的過(guò)程中，整個(gè)圓周受力是均等的，所以四周都產(chǎn)生了磨損。而凸模Ⅱ的截面不規(guī)則，在尺寸較小的凸鍵位置上由于易產(chǎn)生應(yīng)力集中使模具的磨損主要集中在這一位置，其余地方反而磨損較小，這也就使整個(gè)凸模Ⅱ的磨損小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際模具失效分析和不同沖壓工藝參數(shù)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)可知這些參數(shù)對(duì)凸模的磨損影響比較大。

(1)模具磨損也主要集中在刃口和尺寸比較小的位置，且離刃口越遠(yuǎn)磨損越小。

(2)在凸模Ⅰ中，改變模具間隙的大小，得出模具的磨損在合理間隙范圍內(nèi)先減小后增大，在這里存在一個(gè)最佳沖裁間隙，對(duì)于本文模型其取值在7%t～8%t，超出這個(gè)范圍，模具的磨損變大，模具的壽命降低；隨著沖壓速度的增加，模具的磨損量增大，但在3～10 mm/s時(shí)為最佳沖壓速度，此時(shí)磨損較小，當(dāng)沖壓速度大于14 mm/s時(shí)，凸模的磨損量幾乎呈線(xiàn)性增大，磨損量急劇變大；隨著模具硬度的增大，磨損量逐漸減小，當(dāng)硬度達(dá)到一定值后，磨損量幾乎不再發(fā)生變化；凸模與坯料之間不同的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致磨損情況不一樣，隨著摩擦系數(shù)的增大，磨損量也逐漸增大，摩擦系數(shù)在0.12～0.14之間為最佳取值，磨損較小，在0.14～0.18之間磨損呈線(xiàn)性增加，在0.18～0.2之間變化又趨于平緩。

(3)與凸模Ⅰ相比，凸模Ⅱ的磨損整體較小，除了受間隙的影響磨損量變化稍有不同外，其他參數(shù)下磨損量變化規(guī)律幾乎相同。

通過(guò)分析可知該模具的失效主要為磨損。為提高模具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，在沖壓時(shí)要合理控制模具間隙、速度、摩擦系數(shù)使其在最佳范圍內(nèi)進(jìn)行沖裁，模具硬度應(yīng)盡可能高點(diǎn)。

[1] 林占光.談模具失效的原因及其預(yù)防措施[J].莆田學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，13(2)：69-71，76.

[2] 陳志剛.模具失效與維護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 石其年.冷沖模的失效形式及其對(duì)策分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006(8)：70-73.

[4] 陳錫棟，楊婕，趙曉棟，等.有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 [J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2010，39(11)：6-8.

[5] 何柏林.模具材料及表面強(qiáng)化技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6] 林方.典型精沖凸模的失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[7] 張莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：10-11.