提高汽车模具可靠性的方法

郑滢滢

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

提高汽车模具可靠性的方法

郑滢滢

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

文章从汽车工业的基础工艺装备出发，浅析了汽车模具的的失效模式及机理，从模具材料、模具设计、模具加工、热处理和表面强化技术等几个方面提出了提高汽车模具可靠性方法。

汽车模具；失效；可靠性

1 引言

目前，我国的模具总产值排世界第三，仅次于美国和日本。随着我国模具业产品专业化、细分化的趋势，汽车模具行业迅速发展，现已具备相当规模，但是距离模具强国还有较大的差距。模具是汽车工业的基础工艺装备，制造一辆普通的轿车约需要1500套模具，其中冲压模具约占2/3，一辆汽车的 90%的零件需要模具成形。在新车型的开发中，用于车身和冲压工艺及装备的开发约占60%[1]。

汽车模具中大部分为冲压模具，工作环境恶劣，一方面要承受很高的接触压力和剧烈的摩擦，另一方面在循环加工工件时，引起模具的应力、应变和温度的周期性变化而造成模具的疲劳失效。模具失效会影响零件的加工质量，造成被迫停产维修，降低了生产效率，增加了零件生产成本，给汽车产业造成了巨大的经济损失。分析汽车模具的失效形式，研究提高汽车模具可靠性的方法，对汽车产业的发展具有重大的意义。

2 模具失效模式及失效机理

模具的失效可以概括为两方面：模具本身的损坏和生产的零件达不到精度。模具的本身损坏分为正常损坏和非正常损坏两种模式。本文主要讨论正常损坏模式下模具的失效。研究汽车模具的失效模式及机理，目的是为了有效的减少和避免模具的失效，增强模具的可靠性，提高模具的性能和使用寿命。

模具失效机理：模具工作时，零件和模具工作表面之间在高压力作用下的相对运动会产生剧烈摩擦，这将导致模具表面磨损；挤压循环工艺过程中，模具内部会形成很大的应力，由于结构上原因，模具受到非对称的交变应力而发生塑性变形；挤压时由于金属剧烈流动和摩擦将产生大量的热量，使模具表面温度升高，冷作模具表面的温度可以到达 400℃[2]，热锻模表面温度更高，在结束一道工序，取出零件后加润滑剂，表面会散热冷却，这样便形成一个热循环而产生热交变应力导致热疲劳破坏。

模具失效的原因有很多，但其中的主要原因可以归纳为设计不合理、选材不当、热处理不合理、加工不良、使用方法不当等几个方面。张云[3]有统计，模具失效的比例如图 1所示：设计不合理占3.3%，选材不当占17.8%，热处理不合理占52%，锻造不良占7.8%，加工工艺不合理占8.9%，使用方法不当占 10.2%。为了提高模具的可靠性，应该最大可能的避免以上造成失效的主要原因出现。

图1 模具失效比例

3 提高模具可靠性方法

3.1 选择正确的模具材料

模具材料是影响冷挤压模具寿命关键因素，所选择的模具材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性、足够的热硬性、稳定性和耐热疲劳性。一般的模具材料费用不及模具总费用的 20%，为了保证模具的性能，要尽量选用优良钢材来制造模具。模具材料表面的缺陷（如脱碳、氧化、疤痕等）和内部缺陷（如夹杂成分偏析、碳化物分布不均、表面脱碳等）将影响模具的可靠性，在选模具材料时应避免。

3.2 模具设计

模具设计前，根据成形零件的材料、形状和几何尺寸确定模块的外形尺寸，以保证模具的强度。在模具设计中应尽量避免尖角，槽和孔的位置应该合理布置。过小的圆角半径、槽和孔的位置布置不合理，在模具的热处理和使用的过程中，可能会引起过大的应力集中而使模具产生裂纹，发生失效，降低了模具可靠性。凸模的各个部分过渡应圆滑平缓，尽量避免尖角。有些整体模具不可避免的存在凹的圆角半径，造成应力集中而容易产生裂纹，可以采用镶嵌结构有效的避免。

3.3 合理的机加工

模具机加工过程中，型腔和凸模的圆角部位，常常因为进刀太深而留下一些刀痕，这些刀痕会造成严重的应力集中。因此，在模具加工的最后一道切削中，应尽量减少走刀量，降低模具表面粗糙度。模具在锻造过程中，模具应反复多方向锻造，要尽量消除碳化物偏析，获得尽可能细小、均匀分布的碳化物组织，以防止在后面淬火时产生过大的组织应力和热应力。电火花加工是现代模具制造中不可缺少的精加工方法，火花放电时，局部温度高达1000℃，会产生大量的热量，模具表面金属被熔化和汽化，表面组织发生变化，形成所谓的电加工异常层(如图2所示)，该层内部有许多微细的裂纹，熔化凝固层下一层区域发生淬火，形成淬火层，再往里由于受热减少，该层温度不高，只发生回火，形成回火层，回火层。可以在电火花加工后用机械加工方法将该层去除，然后再进行一次低温回火，使该层稳定化，防止微裂纹扩展[4]。在磨削工程中，为了防止磨削表面过热、表面软化和产生热应力，应该采用粘结性较差的砂轮或者切削力强的粗砂轮，选用合适优质的冷却剂，并减少零件的进给量，在磨削结束后，采用250~350℃回火，以消除磨削应力。

图2 电加工异常层

3.4 合理的热处理工艺

模具的可靠性很大程度取决于热处理质量，热处理不仅提高了表面的硬度，而且更多的是改变其内部的组织和性能，以获得理想的韧性和热强度。合理的热处理工艺使模具获得良好的力学性能，极大的提高模具的可靠性。但是，模具在热处理时，加热温度的高低、保温时间的长短、以及冷却速度快慢等工艺参数选择不当都可能成为模具失效的因素。一般模具材料导热性差，固加热速度不宜过快。严格控制模具淬火温度，防止出现氧化和脱碳，采用装箱保护处理（箱内填充防脱碳和氧化的填充物），可以有效的防止氧化和脱碳。

3.5 表面强化技术

侯艳丽[5]等提出表面强化技术是通过改变模具表面成分、镀层及组织来提高模具的耐磨性、耐热性、硬度、疲劳强度等机械性能。表面强化技术有热喷涂法、气相沉积、等离子体热处理、熔盐浸镀法等，这些技术已经日趋成熟并广泛应用。热喷涂法将喷涂材料加热至熔化，用高压气流将其雾化，然后喷涂到模具的表面，能高有效的改善模具表面的性能。气相沉积是将具有特殊性能的稳定化合物直接沉积于金属模具表面，这些化合物形成一层超硬覆盖膜，使模具具有高硬度、抗腐蚀、耐磨性等特性。等离子体热处理中发展最快，应用最广的是等离子体化学热处理，有离子渗碳、离子渗氮、离子碳-氮共渗、离子渗硼等。熔盐浸镀法在模具中应用最广泛的是在模具表面渗钒，所形成的V-C薄膜，能够显著的提高模具表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗粘着性。

3.6 模具维护与管理

在模具的使用过程中，正常的操作以及合理的维护，减少违规操作，可以提高模具的寿命。比如润滑工件与模具的相对运动表面，可降低工件和模具的摩擦系数，减小摩擦力，降低成形力。另外，润滑剂还能在一定程度上起到冷却的作用，减少了坯料向模具传热量,降低模具温度，这对提高模具的可靠性都是有利的。例如模锻时润滑模膛，拉深中润滑凹模与毛坯接触面，都有利于成形和提高模具寿命。在模具的制造和使用过程中，模具的管理是指要严格按照工艺规程运作，而模具在生产作业中的管理则指在安装、调试、拆卸、运行保管模具时要遵守相关操作规程,避免因为人为因素而带来模具的损伤。

4 结束语

汽车模具是汽车工业的基础工艺设备，在汽车工业中扮演着重要的角色。模具的工况比较恶劣，磨损、疲劳破坏、塑性变形和断裂等造成模具失效因素，会导致模具可靠性下降。本文从模具材料、模具设计、模具加工、热处理和表面强化技术和模具维护与管理几个方面提出了提高模具可靠性的具体方法，在实际生产过程中，模具失效往往不局限为一种模式，因此要针对模具失效形式和机理，进行全面的分析和预防，有效的提高模具可靠性，促进汽车产业的蓬勃发展。

[1] 李志刚.国内外汽车模具技术的发展趋势[J].技术前沿,2011,(16):12-15.

[2] 许胜利,苗高蕾.冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径[J].模具,2011,(3):71-73.

[3] 张云.模具失效因素浅析[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2005(4)，22-24.

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

[5] 侯艳丽,等.增进模具可靠性的表面强化技术[J].电镀与涂饰,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

郑滢滢（1975－），女，浙江温州人，柳州职业技术学院机电系工程师，从事模具和车身的教学、设计、科研方面工作。