影响冲压模具寿命的因素及提高模具寿命的措施研究

陈雪岩，余小鲁

（安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000）

影响冲压模具寿命的因素及提高模具寿命的措施研究

陈雪岩，余小鲁

（安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000）

冲压模具的寿命长短可以根据其在失效前制造的零件数量来评价，制约冲压模具服役时间的因素有很多，在实际生产中，几种因素共同作用，决定了冲压模具的使用寿命.对于不同的影响因素需要了解其具体的影响方式才能够找到合理的解决方法来提高产品质量延长模具寿命，本文从设计过程制，造过程以及模具的使用过程三个方面列举了影响冲压模具寿命的几种主要因素以及可以延长模具寿命的一些途径.

模具寿命；模具结构；材料；磨损

1 引言

在日常生产生活及模具工业制造中，冲压模具制造占有极大的比重，一个地区的工业生产水平的高可以直接反映在模具设计与制造的水平上面，而模具服役时间的长短则决定了其制造工艺与技术的成熟程度，当模具工作服役到一定时间后便会失效，特别是对于汽车行业，随着经济的不断发展，人们对汽车的需求越来越多，企业要提高自身的竞争力，在市场中占据有利地位，就需要不断地创新，而对于汽车的外形结构来讲，其加工模具的开发周期直接决定了其研发周期，一套模具如果服役时间较短，则其开发成本会大大增加，一旦模具失效就需要重新制造，因此，提高冲压模具的寿命有着非常重要的意义.

2 影响模具寿命的主要因素

影响冲压模具寿命的主要因素可分两个方面来看，一是冲压模具的设计与制造过程，二是冲压模具的使用过程.

在冲压模具设计时，模具过载设计、工具形式和精度不良、加强环预应力不足等都会影响模具寿命；在模具制造过程中，模具材料的选材是否合适、下料是否合理，热处理工艺中是否存在过热、脱碳等缺陷，淬火冷却速度，回火硬度及温度都会对材料的内部成分造成影响；模具加工时表面精度低、划痕、小圆角等因素也会对模具的工作寿命产生影响[1].

在设计排样时，应尽量保证搭边的最小宽度约等于坯料的厚度.适当的搭边值可以有效的防止在冲裁过程中坯料被过多的拉入冲裁间隙中，造成模具刃口的磨损，同时也可以减少制件产生毛刺的数量[2].

使用过程中，由于被加工零件的坯料重量参差不齐、硬度的变化大、表面质量不一，形状尺寸不规范等因素导致模具寿命受到严重的影响；同时，压力机精度、刚性、工作部分加工速度、加工压力、模具与压力机装配处的中心度和垂直度以及润滑油的选择等都制约着模具寿命的长短.

2.1 模具结构对模具寿命的影响

合理的结构设计能够有效地提高模具服役时间，在冲压模具设计过程中可以使用仿真模拟软件对设计结构进行改良，以达到模具最佳的使用寿命.

设计过程中影响冲压模具使用寿命的因素一共有以下几种：(1)冲压模具凸凹模冲裁间隙；(2)冲压模具本身几何形状；(3)冲压模具自身结构形式.

结构设计不合理会使得冲压过程中模具局部产生应力集中，会引起模具热处理变形、开裂等，模具几何形状的设计不当会影响到成形过程中坯料的流动及成形力的产生，如一些尖锐的转角结构和过大的截面变化都会造成应力集中，在淬火过程中，由于尖锐转角而产生的残余拉应力，对模具寿命影响极大[3].

凸凹模圆角半径也是影响模具寿命的重要因素之一.冲压模具凸模圆角过小会导致板料拉深成形时的成形力增大，引起凸圆角半径迅速磨损；凹模圆角过小则会使圆角处产生较大的应力集中，易产生裂纹，毁坏模具[4].

模具间隙也影响模具使用寿命，对于成型类冲压模具（如拉延、整形等），如果凸凹模具之间工作间隙太小，冲压过程中会使模具与工件接触部分摩擦阻力上升，模具受到较大的成形力，导致模具和工件表面容易产生磨损，形成擦痕擦伤，加快模具损耗，严重影响模具精度和制件质量；对于分离型冲压模具（如落料、修边、冲孔等），冲裁凸凹模间隙过小也会加剧模具工作部分磨损，严重影响模具使用寿命[5].

2.2 模具材料的选择

冲压模具的服役条件比较苛刻，在工作时都伴随着高温、冲击、震动与摩擦等外部环境，所以在选择模具材料的时候，通常要选用具有良好耐热疲劳和咬合抗力、好的耐磨性、良好的热稳定性、高硬度、高韧性、高强度的材料；同时，冲压模具材料的选择还需考虑到所加工产品的材料性质、批量、以及加工精度等因素；根据生产需要对于不同的模具选择合理的模具材料[6]可以有效地提高模具寿命.

2.3 热处理及加工过程

在对冲压模具进行制造时，要想提高模具使用寿命除了要根据所加工零件性质来确定合适的原材料外，还需要采取适当的热处理.

热处理是将加工工件放在一定的介质中（如水、油、空气等）加热到合适的温度并保持一段时间后，再以不同的介质对工件进行冷却的加工工艺，如对材料进行的预处理，如先粗加工然后再根据所要获得的的性质进行退火、淬火、回火等工艺又或者是先采用电火花或磨削加工后再进行退火，总而言之，其目的都是为了消除材料的残余应力.合理的热处理工艺可以有效的延长冲压模具的使用寿命，较差的热处理工艺则会使模具工作部分发生淬火变形、开裂等，还可能会造成模具在正常工作过程中发生早期断裂；热处理过程中还会伴有氧化脱碳的情况发生，严重影响模具表面质量[9].

切削加工、磨削加工、电火花加工等工艺的完成质量都关系到模具表面质量与寿命长短，需要格外注意.磨削过程中磨削烧伤和磨削裂纹会造成模具的疲劳强度和断裂抗力降低；而电火花加工时若操作不慎则会导致电火花烧伤层的出现，在烧伤层处则会出现大的拉应力，当烧伤层厚度增大到一定尺寸时会造成显微裂纹[7].

加工过程中的表面划痕也会使得模具的寿命和精度降低，降低产品的表面质量.

2.4 冷冲压模具使用过程

冲压模具的主要失效形式有磨损、变形、腐蚀、疲劳和断裂[8]，其中由于磨损而导致的失效在各失效形式中所占比例最大，冲压模具正常生产工作过程中不可避免的会产生磨损，所以模具的日常维护是非常重要的，而当磨损达到一定程度时则会造成冲压模具的失效.

在工业生产中尽量多的减少磨损一直以来都是研究者的目标，磨损会影响产品的质量，危害设备的寿命，如在传动中的齿轮渐开线齿形受到损坏，造成传动过程中的晃动，又加剧了磨损[9].又如机床主轴的磨损，使得机床加工精度下降；磨损还会降低机械工作效率，耗用更多能源；除此之外也会埋下机械生产过程中的安全隐患，若不及时发现并处理，最终会造成重大事故.

3 提高冲压模具寿命的方法

3.1 优化模具结构

在模具设计过程中，应该使得凸模各部分的过度平缓圆滑，使冲压模具各部分的应力均匀，尽量避免尖锐转角、壁厚悬殊以及内凹角等，其直径与长度应满足一定标准；在遇到一些结构复杂的凹模设计时，采用镶拼结构可以有效的减少应力集中的产生；为冲压模具凸凹模设计合适的圆角半径可以使得模具工作时受力均匀[10].

加工零件在满足生产要求的情况下也应尽量简化其结构，过于复杂的零件必然使模具的结构变得复杂.

在设计一些小间隙的冲压模具时，一般所选择的导向精度要高于凸模与凹模的配合精度，在提高模具导向精度的同时还可以保证冲裁件的质量与精度要求，缩短了小尺寸凸模的自有长度，可以有效的避免其弯曲折断[11].

对于冲压模具中的冲孔凸模来说，在冲裁过程中会造成冲裁力失衡，使得板料发生偏移，造成冲裁间隙的变化，使得冲孔部位毛刺量增加，同时也会是的凸凹模磨损变得严重，小尺寸凸模则容易产生变形和弯曲折断；因此可以采取在凸模刃口部增加导向块的方法，来增加小尺寸凸模的断面面积，保证冲裁过程中的冲裁间隙，从而达到延长寿命的目的[12].

3.2 合理选择模具材料

材料的加工性能如锻造性能、切削性能、热处理性能和经济实用性也制约着模具材料的选择.

碳素工具钢（T7A、T8A、T10A…）即可用于易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具制造，也可用于具有高耐磨性、不需要承受大冲击载荷的模具制造，还可用于制作小型拉伸、挤压模；

合金工具钢（CrWMn、9CrWMn、6CrNiMnSiMoV…）在碳素合金钢中加入合金元素，有效的降低淬火冷却速度，减少热应力和组织应力，减少淬火变形和开裂倾向；

高碳高铬冷作模具钢（Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1…）对于一些结构复杂、精度要求高，工作时需受到较大载荷的大型凸凹模是非常合适的原材料；

高速钢（W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、6W6Mo5Cr4V…）可用于制造对寿命要求高、需承受大载荷的冷作模具、结构复杂且耐冲击要求高的刀具、高温轴承和冷挤压模具等；

基体钢（6Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo2V2Si、5Cr4Mo3SiMn-VAL…）多用于制造硬度及耐冲击性能要求高的模具，如冷挤压、冷镦等，还可用于黑色金属的热挤压模具；

硬质合金主要用于多工位级进模制造及大直径拉伸凹模镶块结构的制造；也用于刀具材料，用于切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料；

钢结硬质合金（TiC基、TiCN基、WC基…）弹性模量比高合金模具钢要高，韧性也比硬质合金要好，该种钢材所制造的模具润滑性好、摩擦系数小、性能稳定，可以有效减少模具磨损量，延长模具的更换周期[13].

3.3 选择合适的热处理方案

采取合理的热处理手段，可以更有效地提高模具寿命；如在淬火过程中温度过高则会使材料过硬，韧性降低，易出现断裂的情况，淬火温度不足会导致硬度不够，易产生变形；若采用的热处理工艺不合理，则会使加工材料内部组织结构分布不均匀，晶粒粗大，造成模具的强度、韧性、抗疲劳及抗咬合性能降低，大大缩短模具寿命[14].

在淬火进行前可以采取一些有效的防护措施来减少在淬火过程中产生的应力分布不均等缺陷，如捆包法、填充法、堵塞法[15]；在淬火冷却阶段，选用合适的冷却剂可以有效的降低工件的淬火变形，预防模具因热处理而开裂.

回火工艺流程对于模具的寿命影响也较为明显，因此还需控制好回火温度、时间等变量，才能够有效地避免模具热处理过程中的开裂.

3.4 合理的模具加工方法

冲压模具在机加工的过程中可以采用高速切削的加工工艺[16]，不仅极大提高了模具的加工效率，还提高了模具的表面质量及其加工精度，有效的延长了其使用寿命.

当一些特别的结构导致无法使用常规的切削工艺时，则需采用电火花加工工艺[17]；电火花加工工艺可以采用多电极加工法、合理选择电极材料来减少烧伤层的产生，从而提高模具寿命.

3.5 表面处理

冲压模具工作部分如凸凹模刃口部分表面质量好坏不仅影响模具的使用寿命，还会影响其工作精度和制件的表面质量.

可以通过对模具工作部分进行表面处理从而提高冲压模具的寿命.常用的模具表面处理工艺有渗碳?渗氮等化学热处理；有电火花、物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂等表面覆层处理以及喷丸等表面加工处理[18].这几类处理方式工艺过程繁杂,所用时间长,且加工后模具存在变形较大的缺陷.人们一直致力于研究得到更加节约成本强化效果更佳的工艺手段，恰逢近几年激光技术在工业生产中的推广与应用，以激光为手段的新型强化技术也逐渐成熟.

3.6 模具使用过程中的保养维护

利用仿真模拟软件对模具的磨损情况来进行模拟，从而得到冲压模具的磨损模型，可以有效的预测冲压模具的磨损程度，及时的对模具进行维护或者修理，避免出现事故.

合适的润滑条件不仅可以防止模具生锈，还可以减少冲压模具工作时的摩擦和冲压力，以及由于摩擦而产生的摩擦热，减缓模具的磨损，提高模具的寿命；润滑剂种类的选择也至关重要，要根据冲压模具的材料、结构以及实际工作环境来选择合适的润滑剂[19].

日常的保养维护对于延长模具寿命也有很大的帮助，定期的检查维护可以及时发现模具在使用过程中出现的一些问题，在模具出现更为严重的缺陷而导致失效前进行修理，即保证了生产工作的安全同时也延长了模具的使用寿命.

4 结语

冲压模具寿命的影响因素不是独立存在的，而是共同起着影响效果，材料的选择的合理与否会影响到之后冲压模具在制造过程中的加工方式，加工方式的选择会影响模具生产工作中的性能，而模具的设计则会影响模具的整个加工制造过程，冲压模具在生产坯料的过程中产生的磨损对于模具寿命的危害也是不可忽视的，在采取提高模具寿命的手段时需要考虑多种因素.从模具的设计，选材，加工以及实际生产工作、日常维护等各个环节上去采取应对措施，才能够有效的提高冲压模具的寿命，从而提高生产效率，减少生产成本，为企业谋福利.

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TG385.2

A

1673-260X（2017）08-0035-03

2017-05-08

镁合金半固态成形多尺度多场量耦合计算机模型化研究(KJ2015A329)