一种锤环金属模具的改进与设计

孙全喜 于宏阁 刘国忠

摘 要：金属模具被广泛应用于铸造行业中，在生产中通过对金属模具的合理改进设计，可以降低金属模具的制造成本，提高产品质量，提高生产效率，从而增加企业的经济效益。

关键词：铸造；金属模具；改进设计

1 改进前锤环金属模具的情况

1.1 改进前金属模具的结构及特性

以前，某铸造企业生产锤环采用的是整体式金属模具（如图1），模具材料为铸铁（HT200），其化学成分百分比为C：3.2～3.5；Si：1.5～1.8；Mn：0.8～1.0；S：≤0.12；P：≤0.15。在生产过程中，钢水的浇注温度是1450～1500℃，金属模具长期在高温条件下工作，容易产生疲劳而使得材料变脆，特别是模具型腔的圆弧处容易损伤掉角。而铸铁模具不能补焊修复，因此导致整个模具报废。整体式金属模具加工制造锲形内腔部分时比较困难，加工周期较长。一般铸铁金属模具的使用寿命为一年，金属模具报废后需重新制造新的模具，这就增加了金属模具的制造成本，从而使生产成本增加，降低企业的经济效益。

1.2 整体式铸铁金属模具的缺点

（1）铸铁材料的电加工性能极差，加工异形型腔比较困难。图1所示的铸铁模具的异形型腔在加工时一般采用插削加工和线切割加工的方法。采用插削加工方法加工异形型腔时一般先按照样板划线，然后进行插削加工，这种加工方法的加工精度很低，生产效率非常低，模具生产周期较长。采用线切割方法加工异形型腔时，虽然能够按照图形程序一次性切割成型，但是在切割过程中经常会出现材料不导电的现象，使得线切割无法加工生产。因为铸铁材料中经常会有冷隔、夹杂等现象，使得铸铁材料的导电性能降低，因此会影响其线切割加工时的导电性能。

（2）铸铁材料的焊接性能极差，模具有损坏时不能补焊修复。铸铁是一种含碳量很高的合金，在焊接过程中被熔化的铁水需要重新冷却凝固。由于含碳量高，如冷却速度快，铸铁中的C元素会形成非常脆的渗碳体，而不是原来的石墨，从而使得材料变硬发脆，因此其焊接效果和强度非常差。所以异形型腔有损坏补焊的焊接强度很低，使用寿命就相应很短。

（3）铸铁材料在长期高温条件下工作容易变脆，模具使用寿命较短。由于铸铁材料的含碳量很高，其内部组织粗大，致密度不高，因此铸铁材料在长期高温（1500℃）条件下工作，材料会碳化变脆，模具在使用过程中其异形型腔就易掉角脱落，使得铸铁模具报废，模具使用寿命降低。

2 改进后锤环金属模具的情况

2.1 改进后金属模具的结构及特性

目前，某铸造企业对该金属模具进行了一定的改进设计（如图2）。将原来的整体式金属模具改变成模具体和镶块两部分，即分体式金属模具。模具体和镶块全部采用耐热钢ZG40Cr9Si2，其化学成分百分比是C：0.35～0.50；Mn：≦0.70；Si：2.00～3.00；Cr：8.00～9.00；P：≦0.035；S：≦0.30。模具体内腔是8个U型槽，镶块与U型槽采用间隙配合，并且采用螺栓连接使模具体和镶块紧固。将整体式金属模具设计成分体式金属模具，可解决模具体内腔锲形部分加工困难的问题。即把锲形型腔的机械加工变成U型槽加工，而U型槽的机械加工工艺简单，很容易加工。且锲形型腔部分是可拆换的，如有损坏可将其取下进行补焊修复或更换即可使用。这样就大大降低了生产成本，有效地提高企业经济效益。

2.2 改进后分体式金属模具的优点

（1）耐热钢材料的电加工性能较好，能采用线切割方法加工异形型腔。由于耐热钢材料的合金元素含量比较高，合金元素和铁、碳元素的融合效果好，其材料组织细化，致密度高，因此采用线切割方法加工异形型腔时能顺利一次性切割成型，不会出现不导电现象。另外，异形锲形部分还可采用数控加工中心方法进行加工生产，模具生产效率较高。

（2）耐热钢材料的焊接性能良好，模具如有损坏可进行补焊修复，重复使用。耐热钢属于高铬合金钢，材料组织细化，致密度高，因此焊接性能优良。使用过程中出现损坏能进行补焊修复，达到重复使用效果，大幅提高此模具使用寿命。

（3）耐热钢材料在长期高温条件下不易变脆，不易损坏，金属模具的使用寿命较长。由于耐热钢的含铬量比较高，其耐热性能非常好，长期在高温（1500℃）条件下工作使用仍能保持原有的机械性能，其组织及强度不会有任何变化，所以耐热钢模具的使用寿命就会大幅提高。

3 经济效益情况分析

改进前铸铁金属模具制造成本2600元/套，使用寿命仅1年。改进后的分体式金属模具制造成本5000元/套，使用寿命10年。以10年为计算周期，改进前的金属模具费用26000元/10年，改进后的金属模具费用5000元/10年，10年内可节约模具费用21000元/10年·套，那么每年就可节约模具费用2100元/年/套。该铸造企业在大批量生产时所需的金属模具有100套之多，由此可见改进后每年节约的模具费用20多万元，产生的经济效益是显著的。

4 結语

金属模具在铸造行业中被广泛使用，在生产实践中对金属模具进行一些合理的改进设计，能够有效地提高金属模具的使用寿命，提高生产效率和产品质量，降低金属模具的制造成本，对提高企业经济效益具有十分重要的意义。

参考文献

[1]陈文琳，陈忠家.转向锤臂锻件工艺与模具设计的改进[J].精密成形工程，2001，19（5）：14-16.

[2]孙全喜，战中学，高平，等.一种碎煤机锤环金属模具：CN102672114A[P].2012.

（作者单位：中国兵器工业第五二研究所）