精密体积成形模具的设计制造和模具寿命(上)

HEATS

　　“锻模模腔的粗糙度直接影响锻模寿命，粗糙度高会使锻件不易脱模，特别是中间带凸起部位，锻件越深，抱得越紧，最后只能卸下锻模用机加工或气割的方法破坏锻件。由于粗糙度值高会使金属流动阻力增加，严重时模锻若干件以后会将模壁磨损成沟槽，既影响锻件成形，也易使锻模早期失效。”

　　本文论述了精密体积成形(精锻)模具的寿命与模具设计制造的关系。采用先进设计手段合理设计精密体积成形件(精锻件)、锻压工艺、模具结构，选择模具材料，制定模具钢的锻造规范和热处理工艺以及合理确定机械加工工艺及加工精度，可大幅度提高模具寿命。

　　1、引言

1 Y# {& H/ U$ u7 }

　　面对廿一世纪的国内建设形势，企业要适应市场经济的发展，作为国家支拄产业的汽车工业将加大轻、微、轿车的产量，因而对模锻件的精度提出了更高的要求。在生产过程中，提高模具寿命是一个复杂的综合性问题。所有锻压工艺，特别是净形和近似净形加工工艺，在很大程度上取决于模具的精度和品质，取决于模具的技术水平。模具技术反映在模具设计和制造上，而模具寿命除与上述两个环节有关外，还与使用环节有关。

　　提高模具寿命有极大的经济效益，一般在试生产阶段模具工装费用占生产成本的25%左右，而定型生产时仅为10%。

* Z0 ~2 m& n9 Z( X$ G' r $ M% I5 w- B4 M; Y/ P

　　模具的早期失效形式，多为凸模断裂、模膛边缘堆塌、飞边遭桥部龟裂、模腔底部发生裂纹。影响模具寿命的因素较多，涉及面广，模具设计是模具寿命的基础。模具设计环节是指模具的结构设计、成形模腔设计和确定模具钢种、模具硬度等。模具制造环节是指制模工艺、热处理规范和表面处理技术等。本文仅从模具设计和模具制造两个方面探讨提高模具寿命的措施。

& Q( q5 e, p) U, g& F0 y+ D* \ + m9 s& _+ b5 Z/ f5 r

　　2、合理设计精密体积成形件(精锻件)

+ b9 ?' o0 F5 K5 y& K

　　模锻件应尽量避免带小孔、窄槽、夹角，形状要尽量对称，即使不能做到轴对称，也希望达到上、下对称或左、右对称。要设计拔模斜度，避免应力集中和模锻单位压力增大，克服偏心受载和模具磨损不均等缺陷。

6 S/ ?7 T- T2 f6 E0 S8 |+ a6 j$ J / S# v* N; _) |4 l3 W. H$ ?

　　对于锻模模腔边缘和底部圆角半径R，设计时应从保证锻件型腔容易充满的前提下尽可能放大。若圆角半径过小，模腔边缘很容易在高温高压下堆塌，严重者会形成倒锥，影响模锻件出模。如底部圆角半径R过小而又不是光滑过渡，则容易产生裂纹且会不断扩大。

　　设计模具时应充分利用CAD系统功能对产品进行二维和三维设计，保证产品原始信息的统一性和精确性，避免人为因素造成的错误，提高模具的设计质量。产品三维立体的造型过程以在锻造前全面反映出产品的外部形状，及时发现原始设计中可能存在的问题，同时根据产品信息，用电脑设计出加工模具型腔的电极，为后续模具加工做好准备。

　　采用CAM技术可以将设计的电极精确地按指定方式生产。采用数控铣床(或加工中心)加工电极，可保证电极的加工精度，减小试模时间，减少模具的废品率和返修率，减少钳工劳动量。

6 Z) E; U, `. b: \' J1 N5 t# ` 3 d9 r7 I0 C$ g u

　　对于一些外形复杂，精度要求高的锻件，靠模具钳工采用常规模具制造方法保证某些外形尺寸而采用CAD/CAM技术可以对这些复杂的锻件进行精确的尺寸描述，确定合理的分模面，保证合模精度，从模具制造这一环节确保产品精度。 　　

; {) x" l ?' Y( y$ ]" o " x; j; T4 s# W$ o B% J! K6 {

　　CAD/CAM/CAE技术可以进行有限元分析，对关键部位的尺寸设计是否合理可以提供修改依据，从而在为客户提供高质量锻件的同时，也为客户的设计提供了依据，加强了与客户的合作。成形是模锻过程中最重要的工步，模锻件的几何形状是靠锻模来保证的，模锻过程中要全面考虑各种因素，尤其是对生产中可能发生的或已暴露出的问题，在模具设计时应采取措施减轻后续工序的加工难度。按照这一原则在预防为减少模锻件开裂与变形，提高锻件合格率方面，可以有针对性地采取一些对策和措施。如锻件的某些部位在切边和冲孔时易变形而影响产品质量时，可在锻模设计上适当增加相应变形部位的加工余量予以补偿，这一点对于切边时锻件变形大的薄法兰更为重要。对一些带有杆部且杆部直径相对较小的锻件，在切边和热处理过程中会产生有规律的几何变形，而用冷校正方式无法或难以校直。如某厂生产的TS60曲轴，可根据实践经验和统计数据预先将中心线在一定范围内变形方向反向偏移一定的预补反变形量。

$ f8 s: w# y/ h& d/ z2 `3 Z 2 I/ S: i+ W$ A# B7 d2 @

　　3、合理设计锻压工艺

" G6 B: r' }' t' t 1 e, E5 N2 M6 J$ x$ h2 R

　　目前，一般企业无健全的工艺试验室，缺乏工艺试验条件，客观上要求工艺方案必须正确，一次成功。尤其步入市场经济以后，企业负责人要求锻造技术人员只能成功，不许失败，这就给工艺设计人员带来了较大的困难，要求工艺人员要具有较高的水平，但即使具有丰富实践经验的工艺人员也难免会感到棘手，一旦失误就会造成较大损失。

- j2 k% R& m/ A0 m( U

　　对于切边时存在容易撕裂部分的锻件可在设计飞边槽时有意减薄薄弱部分飞边桥部的高度，以降低切飞边时此处的切割厚度。如S195连杆，材料为45钢，锻后冷切边，大头搭子部位由于截面形状小、料薄，在切边时经常出现搭子及附近筋部撕裂，废品率高。若改为锻后余热切边则可提高切边质量，但由于切边受模锻生产节拍的限制，效率低。而在设计锻模时减薄此处飞边桥的高度，减少此处飞边冲裁力，可以大大减少切边撕裂。

4 j7 e/ g0 }, L+ a7 m: d7 f6 j. S

　　对于冷挤压工艺，必须最大程度地软化毛坯及减少变形时的磨擦力，严格控制变形程度和各工序变形程度的合理分配。

- b$ ?* I! f$ O8 l3 h$ d

　　一般低碳钢、碳钢及低碳合金钢的软化退火工艺为：加热至760℃保温4h，以20℃/h的冷却速度冷到680℃保温3h，再以20℃/h的冷却速度冷却到640℃后随炉冷却到350℃出炉。硬度一般可达125～155HB。

) s$ s N1 D. r% D. [- t* L

　　含碳量小于0.2%的碳钢，钢材经退火后硬度可小于120HB。钢材经软化退火后再经滚光、酸洗、磷化、皂化后再涂猪油拌MoS?2润滑，可降低变形负载，有效减少凸模、压模圈、接头体的断裂失效。采用多工序小变形的冷挤压方法能有效地降低模具承受的单位挤压力，工序间坯料可不进行软化处理，使模具寿命得以延长。国内某些厂家在挤压生产时贪图一时之便，减少挤压工序，虽然也能把样品(或产品)做出，但模具负荷太大，容易出现断裂失效。这种急功近利的做法是我国冷挤压工艺曾经一轰而起未能迅猛发展的主要技术原因之一。采用锻模CAE软件，可以分析材料的流动情况、磨擦阻力以及材料的充腔溢料情况，帮助设计人员有效合理地进行工艺设计。