提高模具使用寿命的方法分析

摘 要：模具被人们称为工业之父，由于现代工业的自动化程度越来越高，模具的使用范围也越广泛，可在我国的较多中小企业中，其寿命还很低，仅相当于国外同行业的1/3到1/5。模具的寿命低，不但会降低产品质量，更会产生浪费模具材料、增加加工工时等严重的后果，使产品的成本居高不下并严重影响生产效率。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%。模具寿命与模具设计、制造、使用和维修等环节有关。通过分析大量失效模具发现，在各种因素中，45%与不适当的热处理有关，不合理的模具结构和选材不当大约占25%，不及时和设备维护因素大约占20%，工艺处理不当约占10%。

关键词：模具；使用寿命；研究分析

1 在设计模具时需注意的问题

合理的模具设计方案是保证其寿命的基础，这里很多因素需要考虑。制成品的批量、形状和精度等决定了模具的结构方案，并要注重其使用的经济性；好的结构方案，不但拥有紧凑的结构和灵活方便的操作，而且能使各零部件有足够的刚度强度；模具零件各表面的转角应尽量成圆角过渡，来消除应力集中；可采用组合和镶拼的方式来消除凹模、型腔及部分凸模、型芯的应力集中问题，应采取适当的措施来保护细长凸模或型芯；长期使用中滑动配合件、频繁撞击件的磨损对模具寿命也有很大的影响，减少其磨损应在重点考虑之列；在设计冷冲模时，应设置避免制件或废料堵塞的机构。模具可靠的导向机构，对于避免凸模和凹模间的互相啃伤是有帮助的，多工位模具不宜仅用2根导柱导向，应尽量做到4根导柱导向，这样导向性能好，保证了凸、凹模间隙均匀，确保凸模和凹模不会发生碰切现象。

2 选用模具材料时应注意的问题

选择模具材料的原则依据加工批量、制造工艺方法和加工对象而制定。易变形、易断裂的普通模具，应选择高强度、高韧性的碳素工具钢；对于容易刃口磨损的冲裁模，应使用硬度高、较耐磨、加工性能好、热处理淬火时变形小、淬透性高的材料；冲压模的主要失效形式是表面疲劳裂纹导致的表层剥落，要使用表面韧性好的钢材；磨擦系数特别低的材料比较适合拉深模；热锻模需要材料具有较强的韧度、强度、耐磨性和抗冷热疲劳的能力，合金工具钢比较合适；受到循环热应力作用的压铸模，应选择耐热疲劳、高温环境强度高的热作模具钢；塑料模具要使用易切削加工、组织结构密实、表面抛光性好的材料；设计凸模和凹模时，应考虑硬度不同或材料不同的模具的搭配，以延长其各自寿命。此外，选用的模具材料应与成品件具有较弱的亲和力，以防止制件与模具粘合，磨损模具的零件，缩短模具的使用寿命。

3 在制造模具的过程中需要解决的问题

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。为了确保模具的寿命也应把制造模具的过程提到十分重要位置，这里影响其使用寿命的因素主要是加工方法和精度。

3.1 合理制定模具钢的锻造规范

模具材料多为高碳、高合金钢，不同程度地存在成分偏析、组织偏析、碳化物偏析等缺陷，不能直接用于制模。同时，所用原材料的形状及尺寸很难与模块相符，锻造是获得所需内部组织和使用性能以及减少机械加工量必不可少的手段。通过锻造能有效改善工具钢的碳化物偏析，一般锻造后可降低碳化物偏析2级，最多为3级。

模具钢一般导热性较差，加热速度必须缓慢均匀，大的锻件一般采用预加热或以阶梯加热方式控制加热速度，钢件在炉膛内的位置要适当，有时还要反复翻转，以使受热尽量均匀。为最大限度地打碎和均匀碳化物，需采取墩粗加拔长且反复多次的变形工艺，最后像揉面团一样，上下、前后、左右翻动，使其内部变形充分且均匀。坯料锻后均应缓慢冷却，随炉缓慢冷却或在热灰箱中冷却。但对于Cr12等莱氏体钢，锻后若采用缓慢冷却，易在晶界上析出网状碳化物，从而影响毛坏质量，故一般应先快冷至700℃左右，然后进行坑冷或入炉缓冷。锻件应尽量减少锻造火次，以控制坯料的氧化与脱碳。

3.2 选用合理的模具热处理工艺

提高模具性能的方法有很多，采用热处理新技术是成本适宜而又很有效的途径。模具热处理工艺主要包括基体强韧化和表面强化处理；基体的强韧化是为了增强基体的韧度和强度，降低断裂和变形的出现。表面强化主要是为了增加表面的耐磨、耐腐蚀性和性能。

3.2.1 模具的整体强韧化工艺

材料失效的主要原因是应力集中和疲劳断裂。为了增加普通冷作模具钢的韧性，降低脆性和折断，可使用低温淬火与低温回火的工艺；高温淬火与高温回火工艺能显著地增强热作模具钢的强韧性和热稳定性。模具型腔大而壁薄时需要采用正常淬火温度的上限，以使残留奥氏体量增加，使模具不致胀大。快速加热法由于加热时间短，氧化脱碳倾向减少，晶粒细小，对碳素工具钢大型模具淬火变形小。对高速钢采用低淬、高回工艺比较好，淬火温度低，回火温度偏高，可大大提高韧性，尽管硬度有所降低，但可提高模具抗折断和抗疲劳破坏的能力。为了减少残留应力，模具淬火后应趁热进行回火，回火的作用是使才材料因为在短时间里面淬火产生的内应力慢慢释放掉，回火应充分，回火不充分易产生磨前裂纹。

3.2.2 模具的表面强化热处理工艺

经研究发现，磨损、粘结均发生在模具的表面，常见的疲劳、断裂也往往从表面开始。为了更好地提高模具寿命，需要增强零件表面的耐磨性，对主要成形零部件采用表面强化处理是最直接的途径。模具表面强化工艺主要有气体氮化、离子氮化、电火花表面强化、渗硼、热扩散碳化物覆层、化学气相沉积、物理气相沉积、激光表面强化、离子注入、等离子喷涂法等。在实际生产中，要根据模具的不同用途来采取不同的表面强化工艺。举例说明之，为了增强冲裁模表层的耐磨性和抗压强度，可采取电火花、硬质合金堆焊等强化方法；对于热加工模具（压铸模、塑料模）的表面可使用渗氮方法处理，以达到增强其耐磨、耐热疲劳和耐腐蚀性的目的；拉深模、弯曲模主要是生产中摩擦造成的磨损，为了增强材料的耐磨性可用渗硫工艺来降低摩擦系数；碳氮共渗适合各类模具的表面强化。表面覆层硬化技术中的PVD、CVD近年来获得较大的进展，在PVD中常用的有真空蒸镀、真空溅射镀和离子镀，其中离子镀层具有附着力强、沉积速度快、无公害等优点。离子镀工艺可在模具表面镀上tic、TIN，其使用寿命可延长几倍到几十倍。

3.2.3 在模具的机械加工过程中应注意的工艺问题

机加工艺直接影响着模具的使用寿命和产品质量，实践研究发现：如能让模具的型腔表面粗糙度改进一倍，就能让其使用寿命增加50%，而实现的前提是能保证正确的加工工艺。制造工艺首先要解决加工后的加工变形与残留应力不能太大的问题。粗加工时最好不要使表面粗糙度Ra大于3.2μm，特别应注意在模具工作部分转角处要光滑过渡，减少热处理产生的热应力。在精加工时走刀量要小，不允许出现刀痕。对于精密模具的精密磨削要注意环境温度的影响，要求恒温磨削。锻模模腔的粗糙度直接影响锻模寿命，由于粗糙度值高会使金属流动阻力增加，使锻件不易脱模。工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲劳能力强。