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提高模具使用寿命的实用方法
  2007年05月13日

    随着工业自动化程度的不断提高,模具的应用越越广泛。但目前在我国的许多企业中,模具的使用寿命还比较低,进相当于国外的1/3~1/5。模具寿命低、工作部分精度保持性差,不仅会影响产品质量,而且会造成模具材料、加工工时等成本的巨大浪费,大大增加产品的成本并降低生产效率,严重影响产品的竞争力。研究表明:模具的使用寿命与热处理不当、选材不合适、模具结构不合理、机械加工工艺不合理、模具滑润不好、设计水平差等诸多因素有关。根据对大量失效模具的分析统计,在引起模具失效的各种因素中,热处理不当约占45%,选材不当、模具结构不合理约占25%,工艺问题约占10%;滑润问题、设备问题等因素约占20%。因此,在模具设计和制造过程中,选用恰当的材料,合理设计模具结构,选择合理的热处理工艺,妥善安排模具各零件的加工工艺路线,改善模具的工作条件都有利于提高模具的质量和使用寿命。
1 合理选用模具材料
1.1模具材料的选用
    选用模具材料时,应根据不同的生产批量、工艺方法和加工对象进行选择。在大批量生产中,应选用长寿命的模具材料,如硬质合金,高强韧、高耐磨模具钢(如YG15、YG20);对小批量或新产品试制可采用锌合金、铋锡合金等模具材料;对于易变形、易断裂失效的通用模具,需要选用高强度、高韧性的材料(T10A);热锻模则要选用具有良好的韧性、强度、耐模性和抗冷热疲劳性能的材料(如5CrM-nMo);压铸模要采用热疲劳抗力高、高温强度高的合金钢(如3Cr2W8V);塑料模具则应选择易切削、组织致密、抛光性能好的材料。此外,在设计凸模和凹模时,宜选用不同硬度或不同材料的模具相匹配,如:凸模用工具钢(如T10A),凹模用高碳高铬钢(如Cr12、Cr12MoV),模具使用寿命可提高5~6倍。
1.2合理的模具结构
  模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙,并减少应力集中,以保证由模具生产出来零件符合设计要求。因此对模具的主要工作零作(如冲模的凸、凹模,注塑模的动、定模,模锻模的上、下模等)要求其导向精度高、同心度和中性好及冲裁的间隙合理。
    在进行模具设计时,应着重考虑的是:
    ① 设计凸模时必须注意导向支撑和对中保护。特别是设计小孔凸模时采用自身导向结构,可延长模具寿命。
    ② 对夹角、窄槽等薄弱部位,为了减少应力集中,要以圆弧过渡,圆弧半径R可取3~5mm。
    ③ 对于结构复杂的凹模采用镶拼结构,也可减少应力集中。    ④ 合理增大间隙,改善凸模工作部分的受力状态,使冲裁力、卸件力和推件力下降,凸、凹模刃口磨损减少。
2 模具的热处理工艺
    从模具失效分析得知,45%的模具失效是由于热处理不当造成的。众所周知,磨损、粘结均发生在表面,疲劳、断裂也往往从表面开始,因此对模具表面的加工质量要求非常高。但实际上由于加工痕迹的存在,热处理时表面氧化脱碳也在所难免。因此,模具的表面性能反而比基体差。采用热处理新技术是提高模具性能的经济而有效的重要措施。模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。基体的强韧化在于提高基体的强度和韧度,减少断裂和变形。表面强化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。
2. 1模具的整体强韧化工艺
    模具既要具有优良的整体强韧化性能,又要具有优异的型腔表面性能,这样才能提高模具使用寿命,为了达到这个要求,出现了在对模具整体强韧化的基础上再进行表面强化的各种处理工艺:对普通冷作模具钢,采用低温淬火与低温回火处理,可收到增加韧性、减少脆性和折断的良好效果;对热作模具钢,采用高温淬火与高温回火处理,可显著提高热作模具钢的强韧性和热稳定性。例如,对于3Cr2W8V材料制成的压铸模,采用400℃~500℃及800℃~850℃的俩次预先正火而后进行高温淬火、回火处理,可提高韧性40%,模具寿命可提高1倍。
  除此之外,还可采用形变热处理。变形热处理是把钢的强化与相变强化结合起来的一种强韧化工艺。形变热处理的强韧化本质在于获得细小的奥氏体晶粒、细化马氏体增加了马氏体中的位错密度并形成胞状亚结构,同时促进碳化物的弥散硬化作用。
2.2模具的表面强化热处理
  模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。
    ① 气体软氮化:使氮在氮化温度分解后产生活性氮原子,被金属表面吸收渗入钢中并且不断自表面向内扩散,形成氮化层。模具经氮化处理后,表面硬度可达HV950~1200,使模具具有很高的红硬度和高的疲劳强度,并提高模具表面光洁的度和抗咬合能力。
    ② 离子氮化:将待处理的模具放在真空容器中,充以一定压力的含氮气体(如氮或氮、氢混合气),然后以被处理模具作阴极,以真空容器的罩壁作阳极,在阴阳极之间加400~600伏的直流电压,阴阳极间便产生辉光放电,容器里的气体被电离,在空间产生大量的电子与离子。在电场的作用下,正离子冲向阴极,以很高速度轰击模具表面,将模具加热。离能正离子冲入模具表面,获得电子,变成氮原子被模具表面吸收,并向内扩散形成氮化层。应用离子氮化法可提高模具的耐磨性和疲劳强度。
   ③ 点火化表面强化:这是一种直接利用电能的高能量密度对模具表面进行强化处理的工艺。它是通过火花放电的作用,把作为电极的导电材料溶渗进金属工件表层,从而形成合金化的表面强化层,使工作表面的物理、化学性能和机械性能得到改善。例如采用WC、TiC等硬质合金电极材料强化高速钢或合金工具钢表面,可形成显微硬度HV1100以上的耐磨、耐蚀和具有红硬性的强化层,使模具的使用寿命明显得到提高。点火花表面强化的优点是设备简单、操作方便,处理后的模具耐磨性提高显著;缺点是强化表面较粗糙,强化层厚度较薄,强化处理的效率低。
    ④ 渗硼:由于渗硼层具有良好的红硬性、耐磨性,通过渗硼能显著提高模具表面硬度(达到HV1300~2000)和耐磨性,可广泛用于模具表面强化,尤其适用于处理在磨粒磨损条件下的模具。但渗硼层往往存着较大的脆性,这也限制了它的应用。
    ⑤ TD热处理:在空气炉或盐槽中放入一个耐热钢制的坩埚,将硼砂放入坩埚加热熔化至800℃~1200℃,然后加入相应的碳化物形成粉末(如钛、钡、铌、铬),再将钢或硬质合金工件放入坩埚中浸渍保温1~2小时,加入元素将扩散至工件表面并与钢中的碳发生反应形成碳化物层,所得到的碳化物层具有很高的硬度和耐磨性。
    ⑥ CVD法(化学气相沉积):将模具放在氢气(或其它保护气体)中加热至900℃~1200℃后,以其为载气,把低温气化挥发金属的化合物气体如四氯化钛(TiCI4)和甲苯CH4(或其它碳氢化合物)蒸气带入炉中,使TiCI4中的钛和碳氢化合物中的碳(以及钢表面的碳分)在模具表面进行化学反应,从而生成一层所需金属化合物涂层(如碳化钛)。
    ⑦ PVD法(物理体相沉积):在真空室中使强化用的金属原子蒸发,或通过荷能粒子的轰击,在一个电流偏压的作用下,将其吸引并沉积到工件表面形成化层。利用PVD罚可在工件表面沉积碳化钛、氮化钛、氧化铝等多种化合物。
    ⑧ 激光表面强化:当具有一定功率的激光束以一定的扫描速度照射到经过黑化处理的模具工作表面时,将使模具工作表面在很短时间内由于吸收激光的能量而急剧升温。当激光束移开时,模具工作表面由基材自身传导而迅速冷却,从而形成具有一定性能的表面强化层,其硬度可提高15~20%,此外还具有淬火组子细小、耐磨性高、节能效果显著以及可改善工作条件等优点。
    ⑨ 离子注入:利用小型低能离子加速器,将需要注入元素的原子,在加热器的离子源中电离成离子,然后通过离子加热器的高电压电场将其加热,成为高速离子流,再经过磁分析器提炼后,将离子束强行打入置于靶室中的模具工作表面,从而改变模具表面的显微硬度和粗糙度,降低表面摩擦系数,最终提高工作的使用寿命。
3 模具的机械加工工艺
    模具的机械加工工艺是直接影响模具使用寿命和产品质量的重要环节。由于模具零件的形状多种多样而且精度要求高,因此在加工过程中除了使用车床、铣床、刨床、锸床和磨床等普通机械加工设备外,还需要应用各种先进设备,诸如点火花加工机床、点火花线切割加工机床和精密磨削机床等等。目前针对结构复杂且工艺要求特殊的模具,一种有别于传统机械加工的新型加工方法-模具特种加工(电加工)也得到了快速发展。采用这种方法,不要求工具材料比工件材料更硬,也不需要在加工过程中施加明显的机械力,而是直接利用电能、化学能、光能和声能对工件进行加工,以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求。加工实践证明:采用正确的加工工艺,使高精度模具的型腔表面粗糙度改善一倍,就可使模具使用寿命提高50%。这一点对塑料模具尤为重要。
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