冲裁模寿命影响因素分析

于国红

(兰州城市学院 机械工程系,甘肃 兰州 730070)



冲裁模寿命影响因素分析

于国红

(兰州城市学院 机械工程系,甘肃 兰州 730070)

摘要：冲裁模是加工零件的重要工艺装备。它的使用寿命直接影响产品的质量和成本。从冲裁模失效形式着手，系统分析了冲裁模在设计、制造、安装、使用和维护保养过程中影响其寿命的因素，并提出了对应的提高冲裁模寿命的措施。

关键词：失效形式；模具寿命；影响因素；改善措施

冲裁模是现代制造业中重要的工艺装备之一。采用冲裁模加工零件，具有生产效率高、周期短、产品质量好及成本低等优点，在工业生产的各个领域，如机械制造、车辆制造、航空航天、电子、电器、轻工、仪表及日用品等行业得到了广泛应用。因冲裁模制造一般是单件小批量生产，精度要求高，属于技术密集型产品，使模具制造费用在整个生产成本中占了较大比重。在实际生产中，如果模具易失效，就不能保证可靠的寿命周期，将直接影响产品的产量和质量，造成生产成本浪费；因此，从冲裁模的设计、制造和使用维护等各个环节对模具进行失效分析，并采取有效的防范措施，可提高冲裁模使用寿命，降低生产成本，提高生产效率。

1冲裁模失效形式

1.1磨损

冲裁模的主要工作对象是冷轧钢板和有色金属板材。冲压时，被冲材料与冲模的工作部分产生摩擦，依靠冲模的刃口剪切使板料分离。一般在室温下，冲击力不大，而分离板料时受力主要集中在模具刃口附近；因此，它的正常失效形式为磨损。从磨损机理上分析，主要是粘着磨损，同时也伴随着磨粒磨损，在长期使用过程中也会产生疲劳磨损。由于冲裁模工作时凸、凹模刃口处于端面最大压应力和侧面最大压应力的交汇处，同时也处于端面最大摩擦力和侧面间最大摩擦力的交汇处，因此，冲裁模中凸、凹模的刃口工况最为恶劣，磨损最严重。

1.2断裂

模具工作中承受冲击载荷，断裂失效是其常见的形式。断裂形式分为过载断裂和疲劳断裂。当模具所受的应力突然增加并超过模具材料的许用值时，模具就会在有应力集中处突然断裂；当模具承受高于一定临界值的交变应力作用时，在交变应力的多次反复作用下，模具材料首先产生微小裂纹，随着作用次数的增加，裂纹逐渐扩展，最终发生疲劳断裂。

1.3其他形式失效

冲裁模还会出现刃口变形、疲劳崩刃等失效形式。当冲裁凸模较细长时，会引起弯曲变形失效。

2影响冲裁模寿命的因素

为满足现代制造业生产高质量和低成本的产品，冲裁模应有足够的寿命。能否在使用期间内保证模具寿命，取决于诸多方面的因素。应从系统的角度出发，就冲裁模的设计、制造、安装使用以及维护保养等全方位分析影响冲裁模寿命的因素，从而找到相应的改善措施。

2.1冲裁模设计环节

2.1.1适当选择冲裁间隙

冲裁过程中，凸、凹模的刃口部分挤压、剪切被加工材料，材料对模具的反作用力主要集中在凸、凹模的刃口部分。间隙的大小影响凸、凹模刃口在剪切中所受应力的大小。当间隙过小时，模具刃口所受垂直应力和侧压应力增大，摩擦力增大，模具刃口的磨损加剧，甚至发生啃模的现象，易造成模具的过早失效；当间隙过大时，被加工材料所受转矩增大，摩擦力增大，刃口处所受拉应力增大，也会加剧模具刃口磨损。因此，模具设计中凸、凹模间隙应在合理范围内取值。一般情况下，加工材料厚、塑性低的硬脆材料时，所需间隙值就越大；反之，所需间隙值就越小。

2.1.2正确设计模具(凸、凹模)刃口几何参数

冲裁模结构尺寸及形状设计影响模具的强度，不合理的设计导致模具无法保证其使用寿命。尤其是凸、凹模局部结构中的尖角，圆角半径偏小，凹槽和缺口布置不合理，截面过于突出，位置设计不当造成薄壁，断面太薄和间隙不当等。尖角与截面突变处存在过大内应力，往往导致冲裁模使用时过早失效；薄壁同时还会产生塑性变形和开裂失效。

2.1.3保证冲裁模导向装置的精度

冲裁模设计中若采用导向装置，能有效地保证模具零件的对中，增加刚度，提高模具抗弯折、抗偏载的能力，消除不均匀磨损，从而延长模具寿命。针对具体工序性质和被加工零件精度，选择正确导向形式和保证一定的导向装置精度，是设计时应重视的环节。一般情况下，导向机构的精度应高于凸、凹模配合精度。

2.1.4增加压料卸料装置

冲裁过程中，模具刃口与被冲板料间产生相互作用力。由于凸、凹模配合间隙的存在会形成转矩，造成被加工板料相对于凹模端面滑动。如果设计有弹性卸料板，可提供一定的压边力，从而降低冲裁力以及板材对凸模和凹模的摩擦磨损。

2.1.5模具材料的选择

设计冲裁模时，合理选择模具材料是关系到模具使用寿命的一项重要工作。在冲压过程中，由于冲裁模是在冲击负荷下工作，而且被冲材料的变形抗力一般都比较大，尤其是刃口受到强烈的挤压和摩擦，因此，制造冲裁模工作零件的材料应满足2项基本要求:1)材料综合力学性能要好，包括材料应具备高硬度(58～64 HRC)和高强度，并具有高的耐磨性和足够的韧度，热处理变形小，有一定的热硬性;2)材料应具备良好的工艺性能，包括良好的锻造性能，淬硬性和淬透性以及机械切削加工性，磨削加工性等。在实际生产中因冲压件的材料特性、生产批量和精度要求等的不同，选择模具材料时，除了应保证所选材料性能优良，还要兼顾经济性。

2.2冷冲模制造环节

2.2.1确定合理的锻造工艺

冲裁模在锻造阶段，为防止材料内部产生裂纹，镦击力不能过大。应控制加热温度，均匀加热，防止过热过烧现象。模具材料锻打后，应控制好冷却速度，防止开裂。

2.2.2确定合理的机械加工工艺

为保证冲裁模的寿命，模具主要零件都具有高的精度和低的表面粗糙度要求。在粗加工阶段，应彻底去除材料表面的脱碳层，否则会降低模具表面硬度，加剧模具磨裂和淬裂倾向。模具工作部分转角处应光滑过渡，减少热处理时产生的热应力；考虑到后续热处理变形的影响，冲模粗加工时应为精加工余留合理加工余量。精加工时走刀量要小，不允许出现加工刀痕，以防萌生疲劳裂纹，造成模具疲劳失效。磨削加工时，为避免磨削裂纹和磨削烧伤，保证模具的疲劳强度和断裂抗力，磨削进给量不能过大，同时应控制磨削热，提供充足的冷却。对于精密模具的精密磨削应注意环境温度的影响，要求恒温磨削。电火花成型加工和线切割加工时，应防止模具表面产生拉应力和显微裂纹。模具装配时，应保证装配精度。装配精度高，各个配合表面的平面度和平行度好，凸模与凹模垂直度高，间隙均匀，也能使模具获得相当高的寿命。

2.2.3热处理工艺

冲裁模制造中，采用热处理工艺，可有效消除模具材料的内应力，改善切削加工性，提高硬度和强度等综合力学性能。模具失效中，因热处理工艺不当引起的失效占很大比重，如模具工作零件的淬火变形与开裂，使用过程的早期断裂，均与模具热加工工艺有关。为保证良好的模具寿命，机械加工与热处理应很好地相互配合，如粗加工后高温回火或低温回火，精加工后淬火与回火，电火花、线切割后的去应力低温回火。

模具主要工作件在粗加工阶段，应根据材料和要求的不同，分别采用退火、正火或调质等预备热处理，以改善组织，消除锻造毛坯的组织缺陷，改善加工工艺性。这样有利于保证淬火、回火质量，提高模具寿命。

模具主要工作件在精加工阶段插入淬火和回火热处理工序时，应严格控制淬火温度，如果淬火温度过高，材料晶粒长大，使冲击韧度下降，会造成疲劳裂纹萌生周期缩短，扩展速度加快，严重影响模具寿命。

冲模淬火加热时，应特别防止氧化、脱碳和增碳，模具工作面残留有脱碳层时，会导致模具早期磨损或断裂；表面增碳会导致模具出现崩刃等失效形式。为消除淬火后的残余应力，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。对于高精度模具，磨削或电加工后，还应经消应力回火处理，以稳定模具精度，提高使用寿命。

2.2.4合理的模具表面强化工艺

模具工作零件表面经强化处理后，可大幅度提高冲裁模性能和使用寿命。表而强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、渗硼、渗钒和电火花表面强化，以及化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)和在盐浴中向工件表而浸镀碳化物法(TD)等。为了提高模具工作零件硬度和耐疲劳强度，也可采用滚压、喷丸等冷作强化工艺。

2.3冷冲模安装使用环节

2.3.1冲压设备的选用

冲裁模工作时需要的工作力由冲压设备提供。在成形过程中，工作力反力导致设备产生弹性变形，这种变形直接影响冲模，造成凸模与凹模刃口受力不均和冲裁间隙不均，加速刃口和导向件的磨损，降低模具寿命，严重时直接啃坏刃口和导向件。因此，选择冲压设备时应选用导向精度高、刚度大且适合完成该冲压工序的设备。这样冲压模具在使用过程中就具有良好的工作条件。

2.3.2冲裁模的正确安装

冲裁模作为一种工艺装备，只有实现了在冲压设备上的正确安装，才能发挥其最佳性能，并使模具的寿命得到保障；因此，安装模具时，在保证装模闭合高度的同时，冲床工作台面和下模座间垫板的精度也要得到保证。冲压中凸模刃口进入凹模深度应严格控制，取值合理。当凸模刃口进入凹模刃口过深时，不仅加剧了凸模刃口的磨损，而且增大了正常的刃磨刃口修磨量，从而降低了冲裁模的使用寿命。

2.3.3冲裁模的使用和维护

冲裁模在正常使用过程中，冲裁次数达到一定程度后，凸、凹模刃口锋利度下降，凸模和凹模工作面的表面粗糙度增大，一方面导致模具疲劳强度下降，另一方面被冲材料流动时和凸、凹模端面间摩擦力增大，加剧模具的磨损；因此，及时的刃磨修理是模具使中的重要环节。选择合理的刃磨寿命和刃磨量，保证刃磨后模具工作部位的精度和表面粗糙度要求，可延长模具的使用寿命。

在冲裁模的日常保养、维护工作中, 应重视模具结构中的弹性件和紧固件的可靠性，发现问题应及时更换，以防其失效后造成模具精度下降，运动错位等，导致严重损伤。在使用中，模具应保持清洁和合理的润滑。通过使用前、使用过程中和使用后检查，确保冲裁模在精良的状态下运行。

3结语

工欲善其事，必先利其器。为了高效率、高质量、低成本地生产冲裁零件，应在冲裁模设计、制造、安装使用和维护等各个环节，针对存在的主要失效形式，采取相应的先进制造技术，以保证和延长模具的使用寿命。

责任编辑马彤

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

作者简介：于国红(1967-)，男，讲师，大学本科，主要从事机械制造和机械故障诊断等方面的研究。

中图分类号：TG 385

文献标志码:A