簡要：論述了精密體積成形(精鍛)模具的壽命與模具設(shè)計制造的關(guān)系。采用先進(jìn)設(shè)計手段合理設(shè)計精密體積成形件(精鍛件)、鍛壓工藝、模具結(jié)構(gòu)，選擇模具材料，制定模具鋼的鍛造規(guī)范和熱處理工藝以及合理確定機(jī)械加工工藝及加工精度，可大幅度提高模具壽命。
1、引 言
面對廿一世紀(jì)的國內(nèi)建設(shè)形勢，企業(yè)要適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為國家支拄產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)將加大輕、微、轎車的產(chǎn)量，因而對模鍛件的精度提出了更高的要求。在生產(chǎn)過程中，提高模具壽命是一個復(fù)雜的綜合性問題。所有鍛壓工藝，特別是凈形和近似凈形加工工藝，在很大程度上取決于模具的精度和品質(zhì)，取決于模具的技術(shù)水平。模具技術(shù)反映在模具設(shè)計和制造上，而模具壽命除與上述兩個環(huán)節(jié)有關(guān)外，還與使用環(huán)節(jié)有關(guān)。
提高模具壽命有極大的經(jīng)濟(jì)效益，一般在試生產(chǎn)階段模具工裝費(fèi)用占生產(chǎn)成本的25%左右，而定型生產(chǎn)時僅為10%。
模具的早期失效形式，多為凸模斷裂、模膛邊緣堆塌、飛邊遭橋部龜裂、模腔底部發(fā)生裂紋。影響模具壽命的因素較多，涉及面廣，模具設(shè)計是模具壽命的基礎(chǔ)。模具設(shè)計環(huán)節(jié)是指模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、成形模腔設(shè)計和確定模具鋼種、模具硬度等。模具制造環(huán)節(jié)是指制模工藝、熱處理規(guī)范和表面處理技術(shù)等。本文僅從模具設(shè)計和模具制造兩個方面探討提高模具壽命的措施。
2、合理設(shè)計精密體積成形件(精鍛件)
模鍛件應(yīng)盡量避免帶小孔、窄槽、夾角，形狀要盡量對稱，即使不能做到軸對稱，也希望達(dá)到上、下對稱或左、右對稱。要設(shè)計拔模斜度，避免應(yīng)力集中和模鍛單位壓力增大，克服偏心受載和模具磨損不均等缺陷。
對于鍛模模腔邊緣和底部圓角半徑R，設(shè)計時應(yīng)從保證鍛件型腔容易充滿的前提下盡可能放大。若圓角半徑過小，模腔邊緣很容易在高溫高壓下堆塌，嚴(yán)重者會形成倒錐，影響模鍛件出模。如底部圓角半徑R過小而又不是光滑過渡，則容易產(chǎn)生裂紋且會不斷擴(kuò)大。
設(shè)計模具時應(yīng)充分利用CAD系統(tǒng)功能對產(chǎn)品進(jìn)行二維和三維設(shè)計，保證產(chǎn)品原始信息的統(tǒng)一性和精確性，避免人為因素造成的錯誤，提高模具的設(shè)計質(zhì)量。產(chǎn)品三維立體的造型過程以在鍛造前全面反映出產(chǎn)品的外部形狀，及時發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計中可能存在的問題，同時根據(jù)產(chǎn)品信息，用電腦設(shè)計出加工模具型腔的電極，為后續(xù)模具加工做好準(zhǔn)備。
采用CAM技術(shù)可以將設(shè)計的電極精確地按指定方式生產(chǎn)。采用數(shù)控銑床(或加工中心)加工電極，可保證電極的加工精度，減小試模時間，減少模具的廢品率和返修率，減少鉗工勞動量。
對于一些外形復(fù)雜，精度要求高的鍛件，靠模具鉗工采用常規(guī)模具制造方法保證某些外形尺寸而采用CAD/CAM技術(shù)可以對這些復(fù)雜的鍛件進(jìn)行精確的尺寸描述，確定合理的分模面，保證合模精度，從模具制造這一環(huán)節(jié)確保產(chǎn)品精度。
CAD/CAM/CAE技術(shù)可以進(jìn)行有限元分析，對關(guān)鍵部位的尺寸設(shè)計是否合理可以提供修改依據(jù)，從而在為客戶提供高質(zhì)量鍛件的同時，也為客戶的設(shè)計提供了依據(jù)，加強(qiáng)了與客戶的合作。
成形是模鍛過程中最重要的工步，模鍛件的幾何形狀是靠鍛模來保證的，模鍛過程中要全面考慮各種因素，尤其是對生產(chǎn)中可能發(fā)生的或已暴露出的問題，在模具設(shè)計時應(yīng)采取措施減輕后續(xù)工序的加工難度。按照這一原則在預(yù)防為減少模鍛件開裂與變形，提高鍛件合格率方面，可以有針對性地采取一些對策和措施。如鍛件的某些部位在切邊和沖孔時易變形而影響產(chǎn)品質(zhì)量時，可在鍛模設(shè)計上適當(dāng)增加相應(yīng)變形部位的加工余量予以補(bǔ)償，這一點(diǎn)對于切邊時鍛件變形大的薄法蘭更為重要。對一些帶有桿部且桿部直徑相對較小的鍛件，在切邊和熱處理過程中會產(chǎn)生有規(guī)律的幾何變形，而用冷校正方式無法或難以校直。如某廠生產(chǎn)的TS60曲軸，可根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)預(yù)先將中心線在一定范圍內(nèi)變形方向反向偏移一定的預(yù)補(bǔ)反變形量。
3、合理設(shè)計鍛壓工藝
目前，一般企業(yè)無健全的工藝試驗(yàn)室，缺乏工藝試驗(yàn)條件，客觀上要求工藝方案必須正確，一次成功。尤其步入市場經(jīng)濟(jì)以后，企業(yè)負(fù)責(zé)人要求鍛造技術(shù)人員只能成功，不許失敗，這就給工藝設(shè)計人員帶來了較大的困難，要求工藝人員要具有較高的水平，但即使具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工藝人員也難免會感到棘手，一旦失誤就會造成較大損失。
對于切邊時存在容易撕裂部分的鍛件可在設(shè)計飛邊槽時有意減薄薄弱部分飛邊橋部的高度，以降低切飛邊時此處的切割厚度。如S195連桿，材料為45鋼，鍛后冷切邊，大頭搭子部位由于截面形狀小、料薄，在切邊時經(jīng)常出現(xiàn)搭子及附近筋部撕裂，廢品率高。若改為鍛后余熱切邊則可提高切邊質(zhì)量，但由于切邊受模鍛生產(chǎn)節(jié)拍的限制，效率低。而在設(shè)計鍛模時減薄此處飛邊橋的高度，減少此處飛邊沖裁力，可以大大減少切邊撕裂。
對于冷擠壓工藝，必須最大程度地軟化毛坯及減少變形時的磨擦力，嚴(yán)格控制變形程度和各工序變形程度的合理分配。
一般低碳鋼、碳鋼及低碳合金鋼的軟化退火工藝為：加熱至760℃保溫4h，以20℃/h的冷卻速度冷到680℃保溫3h，再以20℃/h的冷卻速度冷卻到640℃后隨爐冷卻到350℃出爐。硬度一般可達(dá)125～155HB。
含碳量小于0.2%的碳鋼，鋼材經(jīng)退火后硬度可小于120HB。鋼材經(jīng)軟化退火后再經(jīng)滾光、酸洗、磷化、皂化后再涂豬油拌MoS2潤滑，可降低變形負(fù)載，有效減少凸模、壓模圈、接頭體的斷裂失效。
采用多工序小變形的冷擠壓方法能有效地降低模具承受的單位擠壓力，工序間坯料可不進(jìn)行軟化處理，使模具壽命得以延長。國內(nèi)某些廠家在擠壓生產(chǎn)時貪圖一時之便，減少擠壓工序，雖然也能把樣品(或產(chǎn)品)做出，但模具負(fù)荷太大，容易出現(xiàn)斷裂失效。這種急功近利的做法是我國冷擠壓工藝曾經(jīng)一轟而起未能迅猛發(fā)展的主要技術(shù)原因之一。
采用鍛模CAE軟件，可以分析材料的流動情況、磨擦阻力以及材料的充腔溢料情況，幫助設(shè)計人員有效合理地進(jìn)行工藝設(shè)計。
4、合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
模具結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮導(dǎo)向精度合理、沖裁間隙恰當(dāng)、剛性好，還要考慮盡量采用組合式模具。
模架應(yīng)有良好的剛性，不要僅僅滿足強(qiáng)度要求，模板不宜太薄，在可能的情況下盡量增厚，甚至增厚50%。多工位模具不宜僅用2根導(dǎo)柱導(dǎo)向，應(yīng)盡量做到4根導(dǎo)柱導(dǎo)向，這樣導(dǎo)向性能好。因?yàn)樵黾恿藙偠?，保證了凸、凹模間隙均勻，確保凸模和凹模不會發(fā)生碰切現(xiàn)象。
浮動模柄可避免壓力機(jī)對模具導(dǎo)向精度的不良影響。凸模應(yīng)夾緊可靠，裝配時要檢查凸?；虬寄５妮S線對水平面的垂直度以及上下底面之間的平行度。
在冷擠壓時，凸模和凹模的硬度要合適，要充分發(fā)揮強(qiáng)韌化處理對延長壽命的潛力。如Mo5Cr4V2鋼冷擠壓凸模，當(dāng)硬度≥60HRC時可正常使用，壽命為3000～3500件。但如果憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為硬度低、塑性好，壽命一定延長時就會大失所望，當(dāng)硬度為57～58HRC擠壓工件時，凸模的工作帶會鐓粗。某廠檢測擠壓第1件以后凸模的工作帶尺寸發(fā)現(xiàn)，鐓粗增大量為0.01～0.04mm。對于熱擠凹模就不能套用冷擠摸的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)把3Cr2W8V鋼熱擠凹模的硬度值從＞40HRC降到37～38HRC時，使用壽命從1000～2000次提高到6000～8000次。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同的鍛壓設(shè)備上的模鍛對鍛模的硬度要求不盡相同，即使在同一種鍛壓設(shè)備上的模鍛，鍛不同的產(chǎn)品對模具的硬度要求也不相同。在鍛件飛邊切除時，凸模底要盡量與鍛件的上側(cè)表面相吻合。如鋼絲鉗模鍛件熱切飛邊時，切飛邊凸模底部的凹形要與鋼絲鉗柄部的弧形相吻合，否則在切飛邊過程中，切飛邊凸模易使鍛件向一側(cè)翻轉(zhuǎn)，使凸模和凹模損壞。一般情況下，沖裁間隙放大可以延長切飛邊模壽命。
5、合理選擇模具材料
根據(jù)模具的工作條件、生產(chǎn)批量以及材料本身的強(qiáng)韌性能來選擇模具用材，應(yīng)盡可能選用品質(zhì)好的鋼材。據(jù)有關(guān)資料介紹，模具的制造費(fèi)較高，而材料費(fèi)用一般僅是模具價格的6%～20%。對模具材料要進(jìn)行質(zhì)量檢測，模塊要符合供貨協(xié)議要求，模塊的化學(xué)成份要符合國際上的有關(guān)規(guī)定。只有在確信模塊合格的情況下，才能鍛造。大型模塊(100kg以上)采用電渣重熔鋼H13時要確保內(nèi)部質(zhì)量，避免可能出現(xiàn)的成份偏析、雜質(zhì)超標(biāo)等內(nèi)部缺陷。要采用超聲波探傷等無損檢測技術(shù)檢查，確保每件鍛件內(nèi)部質(zhì)量良好，避免可能出現(xiàn)的冶金缺陷，將廢品及早剔除。
6、合理制定模具鋼的鍛造規(guī)范
根據(jù)碳化物偏析對模具壽命的影響，必須限制碳化物的不均勻度，對精密模具和負(fù)荷大的細(xì)長凸模，必須選用韌性好強(qiáng)度高的模具鋼，碳化物不均勻度應(yīng)控制為不大于3級。Cr12鋼碳化物不均勻度3級要比5級耐用度提高1倍以上。滾絲模的碳化物不均勻度為5～6級時最多滾絲2000件，而碳化物不均勻度提高到1～2級時可滾絲550000件。如果碳化物偏析嚴(yán)重，可能引起過熱、過燒、開裂、崩刃、塌陷、拉斷等早期失效現(xiàn)象。帶狀、網(wǎng)狀、大顆粒和大塊堆集的碳化物使制成的模具性能呈各向異性，橫向的強(qiáng)度低，塑性也差。根據(jù)顯微硬度測量結(jié)果，碳化物正常分布處為740～760HV，碳化物集中處為920～940HV，碳化物稀少處為610～670HV，在碳化物稀少處易回火過度，使硬度和強(qiáng)度降低，碳化物富集區(qū)往往因回火不足，脆性大，而導(dǎo)致模具鐓粗或斷裂。通過鍛造能有效改善工具鋼的碳化物偏析，一般鍛造后可降低碳化物偏析2級，最多為3級。最好采用軸向、徑向反復(fù)鐓拔(十字鐓拔法)，它是將原材料鐓粗后沿斷面中兩個相互垂直的方向反復(fù)鐓拔，最后再沿軸向或橫向鍛成，重復(fù)一次這一過程就叫做雙十字鐓拔，重復(fù)多次即為多次十字鐓拔。
而對于直徑小于或等于50mm的高合金鋼，其碳化物不均勻性一般在4級以內(nèi)，可滿足一般模具使用要求。
7、合理選擇熱處理工藝
熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致模具早期失效的重要原因，據(jù)某廠統(tǒng)計，其約占模具早期失效因素的35%。
模具熱處理包括鍛造后的退火，粗加工以后高溫回火或低溫回火，精加工后的淬火與回火，電火花、線切割以后的去應(yīng)力低溫回火。只有冷熱加工很好相互配合，才能保證良好的模具壽命。
模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限，以使殘留奧氏體量增加，使模具不致脹大?？焖偌訜岱ㄓ捎诩訜釙r間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細(xì)小，對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常Cr12MoV鋼淬火加熱溫度為1000℃，油冷，然后220℃回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次，即加熱至1100℃保溫，油冷，700℃高溫回火，則模具壽命能大幅度提高。我們在70年代初期對3Cr2W8V鋼施行高淬、高回工藝熱處理鋼絲鉗熱鍛模具也取得良好效果，壽命提高2倍多。采用低溫氮碳共滲工藝，表面硬度可達(dá)1200HV，也能大大提高模具壽命。
低溫電解滲硫可降低金屬變形時的摩擦力，提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V鋼制作冷擠壓凸模，經(jīng)低溫氮碳共滲后，使用壽命平均提高1倍以上，再經(jīng)低溫電解滲硫處理可以進(jìn)一步提高壽命50%。模具淬火后存在很大的殘留應(yīng)力，它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進(jìn)行回火，回火應(yīng)充分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。對碳素工具鋼，200℃回火1h，殘留應(yīng)力能消除約50%，回火2h殘留應(yīng)力能消除約75%～80%，而如果500～600℃回火1h，則殘留應(yīng)力能消除達(dá)90%。
某廠CrWMn鋼制凸模淬火后回火1h，使用不久便斷裂，而當(dāng)回火2.5h，使用中未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。這說明回火不均勻，雖然表面硬度達(dá)到要求，但工作內(nèi)部組織不均勻，殘留應(yīng)力消除不充分，模具易早期破裂失效。
回火后一般為空冷，在回火冷卻過程中，材料內(nèi)部可能會出現(xiàn)新的拉應(yīng)力，應(yīng)緩冷到100～120℃以后再出爐，或在高溫回火后再加一次低溫回火。表面覆層硬化技術(shù)中的PVD、CVD近年來獲得較大的進(jìn)展，在PVD中常用的真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子鍍，其中離子鍍層具有附著力強(qiáng)、澆鍍性好，沉積速度快，無公害等優(yōu)點(diǎn)。離子鍍工藝可在模具表面鍍上TiC、TiN，其使用壽命可延長幾倍到幾十倍。離子鍍是真空蒸膜與氣體放電相結(jié)合的一種沉積技術(shù)。空心陰極放電法(HCD法)是先用真空泵抽真空，再向真空泵通入反應(yīng)氣體，并使真空度保持在10-5～10-2Pa范圍內(nèi)，利用低壓大電流HCD電子槍使蒸發(fā)的金屬或化合物離子化，從而在工作表面堆積成一層防護(hù)膜。為提高鍍敷效率，一般在工件上施加負(fù)電壓。鍛模的表面處理技術(shù)國內(nèi)應(yīng)用不太多，這一領(lǐng)域大有開發(fā)的必要。整體模腔的滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲以及模腔局部的噴涂、刷鍍和堆焊等表面硬化支持都是很有發(fā)展前途的，突破這一領(lǐng)域?qū)⑹刮覈颇＜夹g(shù)得到很大提高。模具失效以后的焊補(bǔ)技術(shù)，國內(nèi)90年代初期就有工廠進(jìn)行研究和應(yīng)用，如青海鍛造廠，焊補(bǔ)后的鍛模壽命可提高1倍。
8、合理確定機(jī)械加工制造工藝和加工精度
采用先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)確保每副模具具有高精度和互換性以保證鍛模所要求的高精度和重復(fù)精度。制造工藝首先要解決加工后的加工變形與殘留應(yīng)力不能太大。粗加工時最好不要使表面粗糙度Ra＞3.2μm，特別應(yīng)注意在模具工作部分轉(zhuǎn)角處要光滑過渡，減少熱處理產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
模腔表面加工時留下的刀痕、磨痕都是應(yīng)力集中的部位，也是早期裂紋和疲勞裂紋源，因此在鍛模加工時一定要刃磨好刀具。平面刀具兩端一定要刃磨好圓角R，圓弧刀具刃磨時要用R規(guī)測量，絕不允許出現(xiàn)尖點(diǎn)。在精加工時走刀量要小，不允許出現(xiàn)刀痕。對于復(fù)雜模腔一定要留足打磨余量，即使加工后沒有刀痕，也要再由鉗工用風(fēng)動砂輪(或用其它方法)打磨拋光，但要注意防止打磨時局部出現(xiàn)過熱、燒傷表面和降低表面硬度。模具電加工表面有硬化層，厚10μm左右，硬化層脆而有殘留應(yīng)力，直接使用往往引起早期開裂，這種硬化層在對其進(jìn)行180℃左右的低溫回火時可消除其殘留應(yīng)力。磨削時若磨削熱過大會引起肉眼看不見的與磨削方向垂直的微小裂紋，在拉應(yīng)力作用下，裂紋會擴(kuò)展。對CrWMn鋼冷擠凹模采用干磨，磨削深度為0.04～0.05mm時，使用中100%開裂；采用濕磨，磨削深度0.005～0.01mm時，使用性能良好。消除磨削應(yīng)力也可將模具在260～315℃的鹽浴中浸1.5min，然后在30℃油中冷卻，這樣硬度可下降1HRC，殘留應(yīng)力降低40%～65%。對于精密模具的精密磨削要注意環(huán)境溫度的影響，要求恒溫磨削。鍛模粗加工時要為精加工保留合理的加工余量，因?yàn)樗舻挠嗔窟^小，可能因熱處理變形造成余量不夠，必須對新制鍛模進(jìn)行補(bǔ)焊，若留的余量過大，則增加了淬火后的加工難度。當(dāng)鍛模燕尾支承面與分模面平行度超過要求時，會使鍛模鎖扣啃壞或打裂，重者會打斷錘桿甚至損壞錘頭，所以在鍛模加工中除對模腔尺寸按圖紙要求加工外，對其它各部分外形尺寸、位置度、平行度、垂直度都要按要求加工并嚴(yán)格檢驗(yàn)。有些廠對小型鍛模熱處理后用平面磨床磨削上下平面，對大型鍛模用龍門刨床以刨代刮，保證制造精度。鍛模模腔的粗糙度直接影響鍛模壽命，粗糙度高會使鍛件不易脫模，特別是中間帶凸起部位，鍛件越深，抱得越緊，最后只能卸下鍛模用機(jī)加工或氣割的方法破壞鍛件。由于粗糙度值高會使金屬流動阻力增加，嚴(yán)重時模鍛若干件以后會將模壁磨損成溝槽，既影響鍛件成形，也易使鍛模早期失效。
工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲勞能力強(qiáng)，表面粗糙度一般要求Ra=0.4～0.8μm。模具的制造裝配精度對模具壽命的影響也很大，裝配精度高，底面平直，平行度好，凸模與凹模垂直度高，間隙均勻，亦可獲得相當(dāng)高的壽命。