沖壓模具的壽命分析和改進措施
2016-10-13李海林
（貴州省電子信息技師學院，貴州都勻，558000）
（貴州省電子信息技師學院，貴州都勻，558000）
摘 要：概述了影響沖壓模具壽命的各種分析，并針對這些因素提出了相應的具體改進措施，從而有效的提高了沖壓模具壽命。
關鍵詞 ：沖壓模具、壽命分析、改進措施
1.引言
模具是制造業中不可或缺的特殊基礎工藝裝備，主要用于高效大批量生產工業產品的有關零部件和制件。其生產過程集精密制造、計算機技術、智能控制和綠色制造為一體，既是高新技術載體，又是高新技術產品。但與先進水平相比，其綜合水平仍存在較大差距。其中模具壽命短是其主要表現形式之一，筆者從理論的角度分析了產生的原因，并提出了一些改進措施。
2.影響沖壓模具壽命主要的因素分析
①制件材料的影響實際生產中，由于沖壓用原材料的厚度公差不符合要求、材料性能的波動、表面質量差和不干凈等原因造成模具工作零件磨損加劇、崩刃的情況時有發生。由于這些制件材料因素的影響，直接降低了模具使用壽命，所以冷沖壓制件所用的鋼板或其他原材料，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用成形性能好的材料，以減少沖壓變形力，改善模具工作條件。另外，保證材料表面的質量和清潔對任何沖壓工序都是必要的。因此，材料在加工前應擦洗干凈，必要時還要清除表面氧化物和其他缺陷。
1.引言
模具是制造業中不可或缺的特殊基礎工藝裝備，主要用于高效大批量生產工業產品的有關零部件和制件。其生產過程集精密制造、計算機技術、智能控制和綠色制造為一體，既是高新技術載體，又是高新技術產品。但與先進水平相比，其綜合水平仍存在較大差距。其中模具壽命短是其主要表現形式之一，筆者從理論的角度分析了產生的原因，并提出了一些改進措施。
2.影響沖壓模具壽命主要的因素分析
①制件材料的影響實際生產中，由于沖壓用原材料的厚度公差不符合要求、材料性能的波動、表面質量差和不干凈等原因造成模具工作零件磨損加劇、崩刃的情況時有發生。由于這些制件材料因素的影響，直接降低了模具使用壽命，所以冷沖壓制件所用的鋼板或其他原材料，應在滿足使用要求的前提下，盡量采用成形性能好的材料，以減少沖壓變形力，改善模具工作條件。另外，保證材料表面的質量和清潔對任何沖壓工序都是必要的。因此，材料在加工前應擦洗干凈，必要時還要清除表面氧化物和其他缺陷。
②模具材料的影響模具材料性能及熱處理質量是影響模具壽命的主要因素。對沖壓模具，因工作零件在工作中承受拉伸、壓縮、彎曲、沖擊摩擦等機械力的作用，因此沖模材料應具備抗變形、抗磨損、抗斷裂、耐疲勞、抗軟化及抗黏性的能力。近年來新開發出的新型模具材料，既有優良的強度和耐磨性等，又有良好的加工工藝性，不僅大大提高了制件質量，而且大大提高了模具壽命。
③模具熱處理的影響模具的熱處理質量對模具的性能與使用壽命影響很大。因為熱處理的效果直接影響著模具用鋼的硬度、耐磨性、抗咬合性、回火穩定性、耐沖擊以及抗腐蝕性，這些都是與模具壽命直接有關的性質。通過熱處理可以改變模具工作零件的硬度，而硬度對模具壽命的影響是很大的。但并不是硬度越高，模具壽命越長。這是因為硬度與強度、韌性及耐磨性等有密切關系，硬度提高，韌性一般要降低，而抗壓強度、耐磨性、抗黏合能力則有所提高。有的沖模要求硬度高、壽命長，例如采用T10鋼制造硅鋼片的小沖孔模，硬度為HRC56～58時只沖幾千次制件時毛刺就很大，如果將硬度提高到HRC60～62，則刃磨壽命可達到2萬～3萬次；但如果繼續提高硬度，則會出現早期斷裂。有的沖模硬度不宜過高，例如采用Cr12MoV制造六角螺母冷鐓沖頭，其硬度為HRC57～59時，模具壽命一般為2萬～3萬件，失效形式是崩裂，如將硬度降到HRC52～54，壽命則提高到6萬～8萬件。由此可見，熱處理應達到的模具硬度必須根據沖壓工序性質和模具的失效形式而定，應使硬度、強度、韌性、耐磨性、疲勞強度等達到特定模具成形工序所需的Z佳配合。
④模具結構的影響合理的模具結構是保證模具高壽命的前提，因而在設計模具結構時，必須認真考慮模具壽命問題。模具結構對模具受力狀態的影響很大，合理的模具結構，能使模具在工作時受力均勻，應力集中小，也不易受偏載，因而能提高模具壽命。在設計模具結構時應注意以下幾方面：（1）適當增大模座的厚度，加大導柱、導套直徑，以提高模架的剛性；（2）提高模架的導向性能，增加導柱、導套數量；（3）盡量使凸模或型芯工作部分長度縮短，并增大固定部分直徑和尾端的承壓面積；（4）適當增加沖裁凹模刃口直壁部分的高度，以增加刃磨次數；（5）盡量避免模具成形零件截面的急劇變化及尖角過渡，以減小應力集中或延緩磨損，防止模具過早損壞；（6）在沖壓成形工序中，模具成形零件的幾何參數應有利于金屬或制件的變形和流動，工作表面的粗糙度值盡可能地減小；（7）保持模具的壓力中心與壓力機、注塑機或壓鑄機等成形設備的壓力中心基本一致。
⑤加工工藝的影響模具工作零件需要經過車、銑、刨、磨、鉆、冷壓、刻印、電加工、熱處理等多道加工工序。加工質量對模具的耐磨性、抗斷能力、抗黏合能力都有顯著的影響。在模具加工時可采用合理的加工方法和工藝路線，盡可能通過加工設備來保證模具的加工質量；對尺寸和質量要求均較高的模具零件，應盡量采用精密機床（如坐標鏜床、坐標磨床等）和數控機床（如數控銑床、數控磨床、數控線切割、數控電火花機、加工中心等設備）加工；消除電加工表面不穩定的淬硬層（可用機械或電解、腐蝕、噴射、超聲波等方法去除），電加工后進行回火，以消除加工應力；嚴格控制磨削工藝條件和方法（如砂輪硬度、精度、冷卻、進給量等參數），防止磨削燒傷和裂紋的產生；注意掌握正確的研磨、拋光方法。拋光方向應盡量與金屬的變形流動方向保持一致，并注意保持模具成形零件形狀的準確性。
⑥模具的使用、維護和保管的影響一副模具即使設計合理、加工裝配精確、質量良好，但若使用、維護及保管不當，也會導致模具變形、生銹、腐蝕，失效加快，壽命降低。為此，需要正確地安裝與調整模具；在使用過程中，注意保持模具工作面的清潔，定期清洗模具內部，合理潤滑與冷卻；對沖模，應嚴格控制沖裁凸模進入凹模的深度，并防止誤送料、沖疊片，還應嚴格控制矯正彎曲、整形、冷擠等工序中上模的下止點位置，以防模具超負荷；當沖裁模出現0.1mm的鈍口磨損時，應立即刃磨，刃磨后要研光，Z好使表面粗糙度Ra<0.1μm。模具編號管理，在專用庫房里進行存放和保管。模具儲藏期間，要注意防銹處理，Z好使彈性元件保持松弛狀態。
3.提高沖壓模具壽命的改進措施
模具磨損的根本原因是模具零件與制件（或坯料）制件或模具零件之間的相互摩擦作用。降低這種摩擦作用或者提高模具零件耐磨性的途徑都是降低模具的磨損速度、提高模具有效磨損壽命的有效途徑。
①合理選擇模具材料模具材料的耐磨性是決定模具零件磨損速度的主要因素之一，材料的耐磨性主要取決于材料的種類和熱處理狀態。常用模具材料中，以冷作模具用鋼為例，硬質合金的耐磨性Z高，其次是高碳高鉻工具鋼，再次是低合金工具鋼，碳素工具鋼的耐磨性Z低。一般情況下，需要耐磨的模具零件都應通過淬火或其他熱處理方法提高材料的硬度。材料越硬，耐磨性就越好。
②提高模具零件表面質量首先，要提高模具零件表面的精加工質量。零件加工越精細，表面粗糙度值越小，則模具的磨損速度就越慢，使用壽命就越高。其次，要盡力避免零件表層材料在加工過程中發生軟化現象，防止材料耐磨性的降低。例如，在磨削加工時，如果工藝條件選擇不當，就會產生磨削燒傷，使模具的表層材料的硬度降低，大大降低了零件的耐磨性。
③潤滑處理模具的導柱、導套及其它有相對運動的部位應經常加注潤滑油。沖壓加工時，一般應在凸、凹模工作表面或毛坯表面涂覆潤滑油或潤滑劑。變形抗力大的沖壓加工，如冷擠壓、厚料拉深、變薄拉深等，應對坯料進行表面潤滑處理。
④防止粘膜如果制件材料與模具材料制件有較強的親和力，兩者之間會產生很強的黏附作用，甚至相互間在高壓作用下產生冷焊，這就是所謂的粘膜現象。粘膜現象嚴重時，將在起模時導致制件和模具零件表面的材料撕裂脫落，一方面影響制件的表面質量，另一方面將使模具零件產生強烈的粘著磨損，同時脫落的材料顆粒還會加劇模具零件的磨損。因此，無論是對于制件質量，還是對于模具壽命，粘膜現象都是極為有害的，應采取措施加以預防。預防粘膜的方法有：采用與制件材料親和力較小的模具材料；采用可靠的潤滑措施，防止潤滑膜在高壓下被擠破；采用滲氮、碳氮共滲等表面處理方法，改變模具零件表層材料的組織結構。
⑤合理選擇模具結構參數和成形工藝條件在保證制件質量的前提下，對于沖裁模適當加大凸、凹模間隙，對于彎曲模、拉深模適當加大凸、凹模間隙和凹模口部圓角半徑，對于冷擠壓模適當減小凹模入口角和凸、凹模工作帶高度，以及增加制件的起模斜度，都能提高模具壽命。
③模具熱處理的影響模具的熱處理質量對模具的性能與使用壽命影響很大。因為熱處理的效果直接影響著模具用鋼的硬度、耐磨性、抗咬合性、回火穩定性、耐沖擊以及抗腐蝕性，這些都是與模具壽命直接有關的性質。通過熱處理可以改變模具工作零件的硬度，而硬度對模具壽命的影響是很大的。但并不是硬度越高，模具壽命越長。這是因為硬度與強度、韌性及耐磨性等有密切關系，硬度提高，韌性一般要降低，而抗壓強度、耐磨性、抗黏合能力則有所提高。有的沖模要求硬度高、壽命長，例如采用T10鋼制造硅鋼片的小沖孔模，硬度為HRC56～58時只沖幾千次制件時毛刺就很大，如果將硬度提高到HRC60～62，則刃磨壽命可達到2萬～3萬次；但如果繼續提高硬度，則會出現早期斷裂。有的沖模硬度不宜過高，例如采用Cr12MoV制造六角螺母冷鐓沖頭，其硬度為HRC57～59時，模具壽命一般為2萬～3萬件，失效形式是崩裂，如將硬度降到HRC52～54，壽命則提高到6萬～8萬件。由此可見，熱處理應達到的模具硬度必須根據沖壓工序性質和模具的失效形式而定，應使硬度、強度、韌性、耐磨性、疲勞強度等達到特定模具成形工序所需的Z佳配合。
④模具結構的影響合理的模具結構是保證模具高壽命的前提，因而在設計模具結構時，必須認真考慮模具壽命問題。模具結構對模具受力狀態的影響很大，合理的模具結構，能使模具在工作時受力均勻，應力集中小，也不易受偏載，因而能提高模具壽命。在設計模具結構時應注意以下幾方面：（1）適當增大模座的厚度，加大導柱、導套直徑，以提高模架的剛性；（2）提高模架的導向性能，增加導柱、導套數量；（3）盡量使凸模或型芯工作部分長度縮短，并增大固定部分直徑和尾端的承壓面積；（4）適當增加沖裁凹模刃口直壁部分的高度，以增加刃磨次數；（5）盡量避免模具成形零件截面的急劇變化及尖角過渡，以減小應力集中或延緩磨損，防止模具過早損壞；（6）在沖壓成形工序中，模具成形零件的幾何參數應有利于金屬或制件的變形和流動，工作表面的粗糙度值盡可能地減小；（7）保持模具的壓力中心與壓力機、注塑機或壓鑄機等成形設備的壓力中心基本一致。
⑤加工工藝的影響模具工作零件需要經過車、銑、刨、磨、鉆、冷壓、刻印、電加工、熱處理等多道加工工序。加工質量對模具的耐磨性、抗斷能力、抗黏合能力都有顯著的影響。在模具加工時可采用合理的加工方法和工藝路線，盡可能通過加工設備來保證模具的加工質量；對尺寸和質量要求均較高的模具零件，應盡量采用精密機床（如坐標鏜床、坐標磨床等）和數控機床（如數控銑床、數控磨床、數控線切割、數控電火花機、加工中心等設備）加工；消除電加工表面不穩定的淬硬層（可用機械或電解、腐蝕、噴射、超聲波等方法去除），電加工后進行回火，以消除加工應力；嚴格控制磨削工藝條件和方法（如砂輪硬度、精度、冷卻、進給量等參數），防止磨削燒傷和裂紋的產生；注意掌握正確的研磨、拋光方法。拋光方向應盡量與金屬的變形流動方向保持一致，并注意保持模具成形零件形狀的準確性。
⑥模具的使用、維護和保管的影響一副模具即使設計合理、加工裝配精確、質量良好，但若使用、維護及保管不當，也會導致模具變形、生銹、腐蝕，失效加快，壽命降低。為此，需要正確地安裝與調整模具；在使用過程中，注意保持模具工作面的清潔，定期清洗模具內部，合理潤滑與冷卻；對沖模，應嚴格控制沖裁凸模進入凹模的深度，并防止誤送料、沖疊片，還應嚴格控制矯正彎曲、整形、冷擠等工序中上模的下止點位置，以防模具超負荷；當沖裁模出現0.1mm的鈍口磨損時，應立即刃磨，刃磨后要研光，Z好使表面粗糙度Ra<0.1μm。模具編號管理，在專用庫房里進行存放和保管。模具儲藏期間，要注意防銹處理，Z好使彈性元件保持松弛狀態。
3.提高沖壓模具壽命的改進措施
模具磨損的根本原因是模具零件與制件（或坯料）制件或模具零件之間的相互摩擦作用。降低這種摩擦作用或者提高模具零件耐磨性的途徑都是降低模具的磨損速度、提高模具有效磨損壽命的有效途徑。
①合理選擇模具材料模具材料的耐磨性是決定模具零件磨損速度的主要因素之一，材料的耐磨性主要取決于材料的種類和熱處理狀態。常用模具材料中，以冷作模具用鋼為例，硬質合金的耐磨性Z高，其次是高碳高鉻工具鋼，再次是低合金工具鋼，碳素工具鋼的耐磨性Z低。一般情況下，需要耐磨的模具零件都應通過淬火或其他熱處理方法提高材料的硬度。材料越硬，耐磨性就越好。
②提高模具零件表面質量首先，要提高模具零件表面的精加工質量。零件加工越精細，表面粗糙度值越小，則模具的磨損速度就越慢，使用壽命就越高。其次，要盡力避免零件表層材料在加工過程中發生軟化現象，防止材料耐磨性的降低。例如，在磨削加工時，如果工藝條件選擇不當，就會產生磨削燒傷，使模具的表層材料的硬度降低，大大降低了零件的耐磨性。
③潤滑處理模具的導柱、導套及其它有相對運動的部位應經常加注潤滑油。沖壓加工時，一般應在凸、凹模工作表面或毛坯表面涂覆潤滑油或潤滑劑。變形抗力大的沖壓加工，如冷擠壓、厚料拉深、變薄拉深等，應對坯料進行表面潤滑處理。
④防止粘膜如果制件材料與模具材料制件有較強的親和力，兩者之間會產生很強的黏附作用，甚至相互間在高壓作用下產生冷焊，這就是所謂的粘膜現象。粘膜現象嚴重時，將在起模時導致制件和模具零件表面的材料撕裂脫落，一方面影響制件的表面質量，另一方面將使模具零件產生強烈的粘著磨損，同時脫落的材料顆粒還會加劇模具零件的磨損。因此，無論是對于制件質量，還是對于模具壽命，粘膜現象都是極為有害的，應采取措施加以預防。預防粘膜的方法有：采用與制件材料親和力較小的模具材料；采用可靠的潤滑措施，防止潤滑膜在高壓下被擠破；采用滲氮、碳氮共滲等表面處理方法，改變模具零件表層材料的組織結構。
⑤合理選擇模具結構參數和成形工藝條件在保證制件質量的前提下，對于沖裁模適當加大凸、凹模間隙，對于彎曲模、拉深模適當加大凸、凹模間隙和凹模口部圓角半徑，對于冷擠壓模適當減小凹模入口角和凸、凹模工作帶高度，以及增加制件的起模斜度，都能提高模具壽命。
⑥表面強化表面強化的目的是提高模具零件表面的耐磨性。常用的表面強化方法有表面電火花強化、硬質合金堆焊、滲氮、碳氮共滲、滲硫處理、表面鍍鉻等。表面電火花強化、硬質合金堆焊常用于沖裁模。
4.結束語
沖壓模具在模具設計、制造、使用以及維護保養過程中，應該采用先進的制造技術和實行全面質量管理，以及致力于發展專業化生產，加強模具標準化工作，不斷提高模具設計和制造水平，這樣有利于提高模具壽命。
4.結束語
沖壓模具在模具設計、制造、使用以及維護保養過程中，應該采用先進的制造技術和實行全面質量管理，以及致力于發展專業化生產，加強模具標準化工作，不斷提高模具設計和制造水平，這樣有利于提高模具壽命。
參考文獻：
[1]薛
[1]薛