浅谈冲压模具寿命的管控方法

文/赵金升，谷龙，陈德欣·长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心

浅谈冲压模具寿命的管控方法

文/赵金升，谷龙，陈德欣·长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心

赵金升，助理工程师，主要从事汽车模具、工艺研发工作。

本文介绍了模具的失效形式及原理，通过对影响模具寿命因素的分析，提供了模具寿命管理的有效方法和可靠数据，为搭建模具企业的质量管理体系提供依据。

随着模具工业的不断发展，模具的应用越来越广泛。目前国内大多数模具企业，模具的使用寿命还比较低，而且缺乏对模具寿命管理的理论认识和指导依据，这不仅会影响冲压生产的产品质量，而且会造成模具材料、加工工时等成本的巨大浪费，增加生产成本并降低生产效率，严重影响模具企业产品市场的竞争力。

模具寿命的定义及目的

定义

模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品件数，称为模具的使用寿命，简称模具寿命。模具寿命是首次寿命（修复前生产出的合格件数）与各次修模寿命的总和。实际上，我们并不期望模具的寿命无限长， 最佳的模具寿命应是基于获得最低单件产品成本计算出来的。

目的

通过对模具寿命的管理，防止因模具自然磨损和老化带来的品质事故发生，通过企业的寿命管理体系，确保原材料部品品质的稳定性。

模具的失效

失效概念

模具的失效形式分为非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未达到正常使用、保养条件下使用寿命，而早期失效、报废的情况；正常失效是指模具经大批量生产使用，因缓慢塑性变形、均匀磨损、断裂等而不能继续工作的失效。

失效形式

模具失效的形式通常有塑性变形、断裂、磨损等。

⑴塑性变形：塑性变形主要表现为镦粗、弯曲、形腔变形、塌陷等。因模具工作时承受较大的应力，当应力超过模具材料的屈服极限时，就会产生塑性变形，改变其几何形状或尺寸。模具塑性变形是模具材料的屈服过程，通常以晶格滑移、孪晶、晶界滑移等方式进行。模具是否产生塑性变形，与所受应力、模具的工作温度及模具材料的高温强度等有关。

⑵磨损失效：模具在工作时，与制件材料接触，并产生相对运动，从而使接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。磨损失效又分为：表面金属疲劳脱落的疲劳磨损；金属表面气泡破裂而形成微小麻点和凹坑的气蚀磨损；液体和固体微小颗粒反复高速冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的冲蚀磨损；以及在摩擦过程中，模具表面和周围介质发生化学或电化学反应，而引起表面材料脱落的磨蚀磨损。磨损往往是以多种形式并存。

⑶断裂失效：模具出现裂纹或分离为两部分或多部分，丧失工作能力的失效，即为断裂失效。断裂可分为塑性断裂和脆性断裂。模具材料多为脆性断裂。

影响模具寿命的因素及保证方法

合理选用模具材料

冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷，工作条件复杂，易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此，模具材料的性能对模具的寿命影响较大，不同材质的模具寿命往往不同，对模具工作零件材料的要求比普通零件也高。根据模具的工作条件、生产批量以及材料本身的强韧性能来选择模具用材，应尽可能选用品质好的钢材。

⑴材料的使用性能应具有高硬度(58～64HRC）和高强度，并具有高的耐磨性和足够的韧性，热处理变形小，有一定的热硬性。

⑵材料的工艺性能良好，具有可锻性、淬硬性、淬透性、淬火裂纹敏感性和磨削加工性、热稳定性和耐热疲劳性等。

⑶在大批量生产选用模具材料时，应选用长寿命的模具材料，如硬质合金，高强韧、高耐磨模具钢(如SKD11，SLD，DC53等）；对小批量或新产品试制可采用国产的45#、Cr12等模具材料；对于易变形、易断裂失效的通用模具，需要选用高强度、高韧性的材料DF-2。

选择恰当的模具热处理工艺

热处理不当是导致模具早期失效的重要原因，通过模具失效分析得知，45%的模具失效是由于热处理不当造成的。模具热处理包括钢材锻造后的退火，粗加工以后高温回火或低温回火，精加工后的淬火与回火，电火花、线切割以后的去应力低温回火。只有冷热加工相互配合，才能保证良好的模具寿命。

⑴模具型腔大而壁薄时需要采用正常淬火温度的上限，使模具不致胀大。

⑵对高速钢采用低淬、高回工艺比较好，淬火温度低，回火温度偏高，可大大提高韧性，尽管硬度有所降低，但对提高因折断或疲劳破坏的模具寿命极为有效。通常Cr12MoV钢淬火加热温度为1000℃，油冷，然后220℃回火。如能在这种热处理以前先行热处理一次，即加热至1100℃保温，油冷，700℃高温回火，则模具寿命能大幅度提高。

⑶采用低温氮碳共渗工艺，表面硬度可达1200HV，也能大大提高模具寿命。

⑷模具淬火后存在很大的残留应力，它往往引起模具变形甚至开裂。为了减少残留应力，模具淬火后应趁热进行回火，回火应充分，回火不充分易产生磨前裂纹。

⑸回火后一般为空冷，在回火冷却过程中，材料内部可能会出现新的拉应力，应缓冷到100～120℃以后再出炉，或在高温回火后再加一次低温回火。

2)成本控制措施(D)：按照核电工程预算和执行程序开展立项、采购、变更和支付等业务，实施立项对标、采购市场竞标、严控紧急采购及变更等相应的控制措施，支付必须考虑重视资金时间价值，结合实际合理安排支付计划，避免超前支付造成损失。

⑹模具表面强化工艺能够提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电镀、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等。

选择合理的冲压工艺及模具结构

对同一制件，不同的冲压工艺决定了模具结构的不同。在制定冲压工艺时，必须要分析制件结构，考虑模具结构，保证模具具有足够的强度、寿命。模具的种类、形式较多，影响模具结构的因素也多种多样，在模具设计时，选择合理的结构可提高模具的强度、刚性，使模具受力均衡，不偏载，减少应力集中情况的发生，提高模具的寿命。

⑴模具导向精度：准确、可靠的导向，可保证模具各相关零件的相互位置精度，减少模具工作零件的不均匀磨损，避免凸、凹模啃伤、增加模具的抗弯曲、抗偏载能力。尤其是对于小间隙冲裁模、复合模和多工位级进模作用更为有效。为提高模具寿命，必须根据工序性质和零件精度等要求，正确选择导向形式和确定导向机构的精度。通常对于冲小孔的凸模，需采用自身导向结构；而选用小吨位冲压设备的模具，还可根据情况选用浮动模柄，避免冲床对模具导向精度的不良影响。一般情况下，导向机构的精度应高于凸、凹模配合精度。

⑵模具工作零件尺寸：凸、凹模的形状、配合间隙和圆角半径不仅对冲压件成形有较大的影响，对于模具的磨损及寿命也影响很大。如合理的凸凹模间隙，可增加模具的磨损空间，提高模具的使用寿命。当模具精度要求较高时，宜选用较小的间隙值；反之则可适当加大间隙，以提高模具寿命。在模具设计时，还应尽量避免出现尖锐的圆角和过大的截面变化，尖锐的圆角可引起应力集中，从而引起开裂；对于结构复杂的模具，可采用镶块结构，使工件形状、结构简单，受力均匀。凹模工作部位的圆角半径大小，不仅对模具的成形过程及磨损速度有影响，对模具的失效形式及寿命也有影响。在模具设计时，应尽量增大圆角半径，并做到光滑过渡，以提高模具寿命。

⑶模架刚性：模座厚度不宜太薄，应有良好的刚性，满足强度要求。

⑷排样方式：排样方式与搭边值大小对模具寿命也有影响。过小的搭边值，往往是造成模具急剧磨损和凸、凹模啃伤的主要原因。对于冲裁模具，当搭边值小于一定数值后，有可能将料片边缘直接拉入模具间隙中，损坏模具刃口，降低模具寿命。因此在模具设计时必须要慎重考虑排样方法，确定搭边值，保证满足模具寿命要求。

⑸其他方面：在模具设计时，除关注上述情况外，还有许多方面均需注意。如为满足热处理要求，避免过大的形状/截面变化，对于各工件其形状尺寸的变化均采用圆角过渡等；为满足热处理及加工要求避免开盲孔；为保证模具强度要求，避免模具刃口间距太近；以及模具设计时必须保证废料顺利排出、设置模具存放装置（保护模具刃口及弹性元件）、模具设计时控制模具在冲压设备中工作时的偏载现象，保证模具受力均衡，提高模具的寿命。

选择合理的加工工艺

机加工工艺要能消除加工后的加工变形与残留应力，尽量采用磨削、研磨和抛光等精加工和精细加工，获得较小的表面粗糙度值，提高模具使用寿命。

⑴模具表面加工时留下的刀痕、磨痕都是应力集中的部位，也是早期裂纹和疲劳裂纹源。

⑵粗加工时要为精加工保留合理的加工余量，因为所留的余量过小，可能因热处理变形造成余量不够，必须对新制冲模进行补焊，若留的余量过大，则增加了淬火后的加工难度。

⑶模具的制造装配精度对模具寿命的影响也很大，装配精度高，底面平直，平行度好，凸模与凹模垂直度高，间隙均匀，亦可获得相当高的寿命。

模具工作条件的影响

⑴冲压原材料对模具寿命的影响：对于冷冲压模具，当冲压件原材料强度较低、厚度较薄时，所需的成形力将较小，模具受力也较小，模具寿命相对较高；如果原材料厚度公差超差、材料性能波动、表面质量较差（如锈迹）或不干净（如油污）等，会造成模具工作零件磨损加剧、易崩刃等不良后果，所以必要时应清除表面氧化物和锈迹。

⑵润滑对模具寿命的影响：润滑模具与坯料的相对运动表面，可减少模具与坯料的直接接触，有效降低摩擦力、冲压力，减少模具的磨损。同时，润滑剂还能在一定程度上减少摩擦热的产生，阻碍坯料向模具传热，降低模具温度，提高模具寿命。

⑶冲压设备对模具寿命的影响：冲压设备的精度和刚性对模具寿命的影响很大，同样一副模具在不同精度的压力机上将会显示出不同的使用寿命。如果一台冲压设备的精度和刚性较差，在冲压制件的过程中，设备易产生变形，将导致模具的上、下模中心线不重合、间隙不均，造成模具局部磨损加剧，甚至出现啃刃、崩刃现象。特别是对于小间隙或无间隙冲模、硬质合金冲模及精密冲模必须选择精度高、刚性好的压力机。如果设备存在偶然过载的现象，严重时也会损坏模具，影响模具寿命。

与液压设备相比，机械冲压设备的冲压速度较快。如果速度越快，模具在单位时间内受到的的冲击力将会较多，当速度到达一定程度时，冲击能量来不及传递和释放，将集中在模具的局部，造成局部应力超过模具材料的屈服应力或断裂强度，使模具产生塑性变形或断裂，影响模具的使用寿命。

规范操作、维护、保养，延长模具寿命

⑴模具操作人员应杜绝由于野蛮装卸引起的异常失效；同时还应保持模具清洁，避免模具在工作时有影响安全及模具失效的异物存在；避免双件冲压现象的发生。在安装调试模具过程中，应规范操作、循序渐进，避免因操作过量而引起模具的失效；在正常生产时，密切关注模具的工作状态，发现异常声音、振动等情况，及时停机检查，杜绝模具带病工作的情况发生。

⑵模具的维护保养，其目的就是使模具保持最佳的性能状态，从而延长模具的使用寿命。在日常生产过程中，必须做到及时维护、保养，如果模具带病工作，不仅存在一定的安全隐患，同时也会加剧模具的失效速度。因此，模具操作者及专业模保人员必须及时清理、维护、保养模具，预防、杜绝不良和异常情况的发生，延长模具的使用寿命。

结束语

影响冷冲压模具寿命的因素方方面面，任何一个因素失效，都会导致模具寿命的降低。应用先进制造工艺和实行全面质量管理，是提高模具寿命的有效保证。如果要想更好的提高模具寿命，则必须对制件工艺制定、模具设计、选材、加工、选择冲压设备、规范操作、维护保养等各方面进行综合分析。要纳入模具企业的质量管理体系，不断提高模具设计和制造水平，有利于提高模具寿命。