锻造模具失效分析及成本降低办法研究

文/彭添，廖德侃·桂林福达重工锻造有限公司

锻造模具是一种损耗工装，锻造模具使用寿命的长短，不仅会对锻件的表面质量及尺寸有影响，同时也会对锻件的制造成本产生影响，通常锻造模具费用往往占锻件成本的13%。要想提高企业竞争力，除要保证过硬的锻件质量外，同样需要做好锻造模具成本的管控。要降低模具成本，最有效的途径是在保证锻件质量的前提下延迟模具失效尽可能多提高锻打件数，同时也可以通过加快模具制造周期的办法实现模具成本的降低。本文以曲轴锻件模具为例，简述常见的曲轴锻造模具失效形式以及就如何降低模具成本进行探讨。

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锻造模具失效分析

众所周知锻造用的模具使用条件非常苛刻，曲轴锻件结构比较复杂，锻造模具在工作时的受力状态极其复杂多变，因此导致曲轴锻造模具的失效形式各种各样，尤为常见的失效形式有磨损、疲劳裂纹、开裂、塑性变形。

磨损

在曲轴毛坯锻造过程中，高温坯料与模具表面产生较强的热传导，同时金属的剧烈流动进一步与模具表面产生巨大的热效应，在二者的共同作用下会引起模具表面瞬时升温使模具材料软化或熔融，与此同时沿型腔表面流动的金属将模具已软化或熔融部位冲刷起皱、加速腐蚀，形成凹坑和形成严重折皱而无法修理。同时也导致模具型腔尺寸和形状发生变化，导致产品尺寸及表面质量无法满足锻件图纸要求，致使模具报废。曲轴锻造模具的磨损失效(图1)是众多失效形式中最为常见的一种。

图1 模具磨损

疲劳裂纹

曲轴锻模结构较复杂，且型腔深浅不一，金属要充填到型腔底部首先需要做水平方向流动，对型腔凸角造成反复摩擦，模具表面温度迅速提升，紧接而来又承受润滑剂快速冷却，在冷热交变作用下凸角根部开始开裂形成细小裂纹，严重时造成脱落。疲劳裂纹(图2)也是曲轴锻造模具常见的失效形式之一。

图2 疲劳裂纹

脆性断裂

脆性断裂(图3)是以模块折断、劈裂和脆裂等形式出现，一般是由于无锻件的情况下空击、坯料温度过低、锻模预热温度过低(尤其是春、冬季)和锻模安装不当等原因导致，同时模具材质低劣、模具型腔堆焊工艺不当以及模具型腔表面应力集中等原因也会造成模具脆裂。

图3 脆性断裂

塑性变形

曲轴锻造模具塑性变形(图4)一般发生在金属流动量较大的及承受冲击力较大的型腔凸出部位。由于金属流动量大，往往该区域模具表面温度较高，在较大冲击力的加持下，模具表面会出现软化及变形的情况。该失效模式往往是因为冷却不到位或异常时锻件在模具表面停留较长时间后锻打导致，在正确使用模具的过程中，该故障模式基本不发生。

图4 塑性变形

导致锻造模具失效的原因可以是一个，也可以是多个原因综合导致，故失效原因分析(图5)不能过于片面的依靠以往经验来确定原因及制定措施，应该结合现场模具使用情况进一步综合分析，找到最根本、影响最大的原因加以控制或改进，这样才能有效的延迟模具失效，提高使用寿命及降低成本。

图5 模具失效原因分析

降低锻造模具成本办法

推迟锻造模具失效，提高模具寿命

模具失效是不可避免的，特别是磨损及疲劳所引起的失效是正常现象，但是为了降低模具成本，可以结合失效的原因推迟模具失效，以达到延长模具寿命的目的。推迟曲轴锻造模具失效，可以从以下几个方面考虑并加以改善。

⑴模具设计方面。设计时需要考虑各工序金属变形量及压力均衡，避免压力集中在某一工序造成个别工序模具提前失效，比如曲轴锻件成形过程一般包括辊锻、压扁、预锻、终锻，如不考虑预锻和终锻压力分配则有可能导致预锻或终锻过早失效影响到模具配套使用。同时飞边槽的结构设计也对模具受力状况有很大影响，特别是对型腔复杂的模具需要结合现场模具使用情况深入分析及改善受力。

⑵模具的材料选择及硬度控制。实践证明5CrNiMo 材料制作的曲轴毛坯锻造模具，因型腔形状复杂，截面变化大，硬度为35HRC 左右的模具寿命比硬度为45HRC 左右的模具寿命要低20%～50%。又例如，同样硬度的曲轴毛坯锻造模具，5CrNiMo 材料制作的曲轴毛坯锻造模具又要比使用不同硬度焊材堆焊加工的模具寿命低30%～50%。所以推迟锻造模具失效要充分发挥模具材料的性能，不仅需要模具硬度高，还要能根据型腔不同区域的要求对材料的韧性作出调整。目前能实现锻造模具型腔不同区域达到不同性能的方法就是通过堆焊型腔，在不同层面或不同区域使用该层面或区域需要性能的焊材。根据实际应用确认使用焊材堆焊后加工出的模具型腔使用寿命要比使用普通模块加工的模具型腔使用寿命高50%左右。

⑶在锻造模具使用过程中，为了能更好地发挥模具材料性能，模具在使用前还要进行适当的预热，预热时要注意热透，避免模具产生早期开裂。另外模具在使用过程中要充分润滑和降温，否则模具较容易变形及塌陷，进一步形成粘模或卡模，致使模具表面温度过高，再次打击后造成模具变形或开裂。

⑷磨损失效是锻造模具最为常见的失效形式，为推迟该类型的失效，可增加模具表面热处理，如QPQ、渗硫、渗硼、TD 法以及多元共渗等方法提高模具表面的耐磨性、抗蚀性和压应力。经过验证相同产品、相同工艺制造的模具使用QPQ 技术对模具表面进行处理过比未经过表面处理的模具寿命提高30%～50%，锻件单件生产成本下降20%以上。

⑸模具的维护保养同样至关重要，模具使用过程中常出现磨损，局部塌陷等故障，发现此类问题时应及时打磨去除，避免失效加速恶化。保持模具表面有较高的光洁度，可以减小金属与模具表面的摩擦，避免模具表面高温，减少磨损，可以有效地推迟模具失效，提高模具的使用寿命。

缩短锻造模具制造周期

随着曲轴产品的量产，往往需要多套模具或频繁新开模具才能满足产量要求，选择一种较优的开模办法同样有利于降低模具制造成本。现有的模具制造方法有三种：新开、降面、堆焊。三种制造方法优缺点对比见表1。

表1 曲轴锻造模具制造方法对比

除了以上三种方法，我们也可以对现有制造方法进行融合创新，将堆焊及降面方法结合，实现型腔堆焊使用一次加降面使用一次的办法进一步缩短堆焊模加工周期，实现模具制造成本的降低。各企业可以根据自身工艺及设备特点去选择适合企业自身的模具制造方法，达到降低模具制造成本的目的。

结束语

锻造模具的使用条件非常恶劣，模具失效是不可避免的，但企业可以有针对性的对失效原因进行分析，进而推迟失效产生时间，提高模具使用寿命，降低模具使用成本。在开展锻造模具成本降低的工作时，不能一味追求优质材料，更应该结合产品的要求及企业自身工艺和设备的要求，选择合适的开模办法，缩短模具加工周期，减少开模次数以实现模锻件制造成本降低的目的。