1、冲压工艺与冲模设计 第2版 主编 翁其金 第十一章冲压模具寿命及模具材料 第一节冲压模具寿命11-冲压模具寿命有两重含义:两次复磨间的最大冲压件数称为模具的复磨寿命;一副模具从开始使用到不能修复所冲冲压件的总数量称为模具的总寿命。在生产中应该重视提高模具的总寿命,更应该重视提高模具的复磨寿命。当然,这两者是有联系的。模具寿命受各种失效形式的限制。11-一、冷冲模的工作条件及失效形式1.各种冷冲模的工作条件各种冷冲模的工作零件一般都是整个模具中受力最大、工作条件最差的零件。各种冲模的工作零件都承受一定的压力和摩擦力。其中凸模在工作时都承受着压力,在回程时又承受着脱模所产生的拉力,这就构成了拉压循
2、环应力。如果坯料偏斜(或由于送料误差的原因),则凸模还承受偏心载荷。以上受力情况可能使凸模折断或疲劳断裂。凹模在工作时一般都承受径向压应力和切向拉应力,而且都是周期变化的循环应力,可能导致凹模的疲劳破坏。11-2.冷冲压模具的失效形式模具经过使用,由于种种原因不能再冲出合格的冲件,也不能再修复,这种情况一般称为模具失效。冷冲模失效形式主要有以下几种:11-图11-1冲裁模刃口磨损曲线11-损、正常磨损和急剧磨损。模具磨损可以分为摩擦磨损和粘着磨损两种。在冷冲压加工中,粘着磨损必须引起注意。所谓粘着磨损是指模具工作零件粘着上了被加工材料的微粒和碎屑,使模具工作零件表面变得很粗糙,导致摩擦阻力增大
3、,磨损加剧。其结果使模具工作零件表面与材料间的局部压力和温度升高,进一步促进了粘合现象的产生,从而又进一步加剧了模具的磨损,形成恶性循环,致使模具寿命很快下降。(2)变形失效由于模具工作零件内的应力超过了本身材料的屈服强度,因而产生塑性变形。(1)磨损失效冲裁模刃口的磨损过程大体分为三个阶段(图11-1):初期磨11-图11-2冷冲模的局部破损与整体破损11-(4)啃伤失效由于模具装配质量差,压力机导向精度低,模具安装调整不当,送料误差等原因,使凸、凹模相碰,造成刃口崩裂,冲压件毛刺突然增大。(3)断裂失效模具在使用过程中突然出现裂纹而失效。11-二、影响冲模寿命的因素及提高冲模寿命的措施1.
4、冲压工艺及冲模设计对模具寿命的影响正确的冲压工艺及冲模设计是保证模具高寿命的前提。关于冲压工艺及冲模设计已在有关章节作了详细论述,这里进一步强调以下几点:11-(1)冷冲压用原材料对模具寿命的影响实际生产中,由于冲压用原材料的厚度公差不符合要求、材料性能的波动、表面质量差和不干净等而造成模具工作零件磨损加剧、崩刃的情况时有发生。1)冲压前应对原材料的牌号、厚度、表面质量进行严格检查。2)尽量采用工艺性好的材料,以减少冲压变形力,改善模具工作条件。3)保证材料表面质量和清洁对任何冲压工序都是必要的。4)应根据冲压工序性质和原材料种类,安排必要的软化处理和表面处理与润滑工序。11-图11-3润滑剂
5、与模具寿命的关系11-甚大。(3)模具的导向结构对模具寿命的影响必要和可靠的导向,对于减小工作零件的磨损,避免凸、凹模啃伤极为有效,尤其对无间隙或小间隙冲裁模、复合模和多工位级进模更为重要。(4)模具几何参数对模具寿命的影响凸、凹模的形状、间隙和圆角半径不仅对冲件成形影响极大,而且对模具的磨损影响也很大。图11-4所示为冲裁间隙值和搭边值对凸模磨损的影响,从总的趋向看,采取较大间隙和较大搭边值,有利于减少磨损,提高模具寿命。(2)排样与搭边对模具寿命的影响排样方法与搭边值对模具寿命影响11-图11-4冲裁间隙值和搭边值对凸模磨损的影响a)搭边值为3mmb)搭边值为1.2mm1轴向磨损量2径向磨
6、损量11-图11-5凹模口形状和圆角半径对模具寿命的影响11-2.模具材料对模具寿命的影响据统计,模具材料性质及热处理质量对模具寿命的影响是影响模具寿命诸因素中最重要的因素。模具材料对模具寿命的影响是模具材料种类、化学成分、组织结构、硬度和冶金质量等的综合反映。模具材料种类对模具寿命的影响是很大的,如图11-6所示是用不同模具钢制造弯曲模对同一种弹簧钢板进行弯曲试验的结果。11-图11-6模具材料种类对模具寿命的影响11-3.模具的热加工与表面强化对模具寿命的影响模具的热加工包括锻造、预先热处理、粗加工后的消除应力退火、淬火与回火、磨削后或电加工后消除应力回火等。模具的热加工质量对模具的性能与
7、使用寿命影响很大。锻造是模具工作零件制造过程中的重要环节。模具工作零件毛坯的预先热处理,视材料和要求的不同有退火、正火、调质等。模具材料的淬火与回火是保证模具工作零件性能的中心环节。淬火与回火工艺合理与否,对模具承载能力和寿命有直接的影响。11-4.模具加工工艺对模具寿命的影响模具工作零件需要经过车、刨、铣、钻、磨、冷压、刻印、电加工等多道加工工序。加工质量对模具的耐磨性、抗断裂能力、抗粘合能力等都有显著的影响。11-5.压力机的精度与刚性对模具寿命的影响 压力机的精度与刚性对冷冲模的寿命影响不可忽视。使用精度高、刚性好的压力机,冲模寿命可以大大提高,例如用Cr12MoV制造的复杂的硅钢片冲模
8、,在普通开式压力机上使用时,平均复磨寿命为14万次;而在新式的高精度压力机上使用时可达815万次。因此,小间隙或无间隙冲模、硬质合金冲模、高精度冲模必须选择精度高、刚性好的压力机,才能获得良好的效果。否则,将损坏模具,降低模具寿命。11-6.模具的使用、维护和保管 正确使用、维护和保管模具是提高模具寿命的重要方面。它包括模具正确安装与调整;注意保持模具的清洁和合理的润滑;防止误送料、冲叠片;严格控制凸模进入凹模深度,控制校正弯曲、冷挤、整形等工序上模的下止点位置;及时复磨,研光;设置安装块和行程限制器,以便安装、使用和储存等。11-第二节冲压模具材料及热处理11-一、对冷冲模工作零件材料的要求
9、 1.对材料使用性能的要求对冷冲模具钢使用性能的基本要求是具有高硬度(5864HRC)和强度,具有高耐磨性,有足够的韧度,热处理变形小,有一定的热硬性。不同的冷冲模对模具钢的性能要求是有区别的。冲裁模要求高硬、高耐磨性和一定的韧度;拉深等成形模要求高耐磨、抗粘合能力;冷挤压模要求高的耐磨性、抗疲劳强度和较高的韧度。11-2.对材料工艺性能的要求由于冷冲模工作零件一般要经过较复杂的制造过程,因而必须具有对各种加工工艺的适应性。对冷冲模具材料的工艺性要求包括可锻性、加工工艺性、脱碳、氧化的敏感性、淬硬性、淬透性、过热敏感性、淬火裂纹敏感性、磨削加工性等。11-二、冷冲模具材料的种类及特性冷冲模材料
10、主要是指工作零件所用的材料。目前用于冷冲模工作零件的材料有工具钢、硬质合金和钢结硬质合金、铸铁、铸钢、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、聚氨酯、合成树脂等。其中各种工具钢是模具工作零件的主要材料;硬质合金用于高寿命大批量生产的模具;其他材料主要用于制造大型冲压件的成形模或简易模具。11-1.冷冲模用钢的分类及特性冷冲模用钢按工艺性能和使用性能特点可分为六组,见表11-1。在同一组中,具有共同的特性,在一定条件下可以互相代用。11-表11-1冷作模具钢分类表11-T10A和Cr2是这组钢的典型代表。T10A是碳素工具钢中制造冷冲模的通用钢材。Cr2钢相当于在T10A钢中加入1.5%的铬,使淬透性大为
11、提高。小型模具用分级淬火或等温淬火可获得硬度和韧度良好配合的性能;大、中型模具淬火后形成表面硬化层,有良好的耐疲劳能力。Cr2钢用作轴承行业中的冷冲模和冶金行业中的冷拔模均有良好效果。(2)低变形冷作模具钢这组钢是低合金工具钢。MnCrWV钢是这组钢中综合性能优良的代表性钢种。(1)低淬透性冷作模具钢这组钢包括碳素工具钢和部分低合金工具钢。11-(3)高耐磨微变形冷作模具钢这组钢是高合金钢。Cr12和Cr12MoV是高碳高铬钢的代表性钢号,其优点如上所述,缺点是碳化物偏析倾向严重。Cr4W2MoV是针对高碳高铬钢的缺点而研制的高碳中铬钢,是一种性能良好的冷冲模钢。其碳化物颗粒较小,分布较均匀,
12、具有较高的淬硬性、淬透性、耐磨性和尺寸稳定性,韧度较好,可代替Cr12等高碳高铬钢。Cr2Mn2SiWMoV钢在轻载精密冲模上可代替Cr12MoV钢,其特性是可锻性较好,耐磨性与Cr12MoV相近,在较低温度(860920)加热后可空冷淬硬,变形小,属于低温空淬微变形钢,回火稳定性亦较好。这种钢主要用于制造各种轻载的复杂形状的冲模、高精度多孔冲模、电机硅钢片冲槽模等。11-(4)高强度冷作模具钢这组钢是通用高速钢。(5)高强韧冷作模具钢过去,承受重载荷的冷挤压模,一般采用高速钢或高碳高铬钢制造。6W6Mo5Cr4V是降碳减钒型的高速钢。与W6Mo5Cr4V2比较,其含碳量减少,改善了碳化物分布
13、的均匀性,提高了抗弯强度和冲击韧度,但仍保持了良好的回火稳定性。这种钢主要用于代替高速钢或高碳高铬钢制造易断裂的冷挤压凸模,寿命可成倍提高。11-表11-2中国研制和仿制的模具钢钢号、代号及主要化学成分11-表11-2中国研制和仿制的模具钢钢号、代号及主要化学成分(6)抗冲击冷作模具钢这组钢属于中碳低合金工具钢,具有高韧度、高的耐冲击疲劳能力,但抗压和耐磨性不高。11-2.硬质合金和钢结硬质合金硬质合金比模具钢具有更高的硬度、热硬性、耐磨性和抗压强度,但抗弯强度和可加工性差。用于制造冷冲模的硬质合金是钨钴类。对于冲击力小的,要求耐磨的冲模,可选用YG6、YG8等;对于冲击力较大的冲模应选YG1
14、5、YG20、YG25等。11-因为一般的硬质合金的基体是硬质的碳化钨、碳化钛,所以不能进行切削加工,而钢结硬质合金是以合金钢粉末(铬钼钢或高速钢,其含量占50%65%)作为粘结剂,以碳化钛、碳化钨粉末为硬质相,经压制成形和烧结制成。因其基体是钢,所以可以锻造、切削加工、热处理、焊接。它具有高硬度(淬火回火后硬度达70HRC)、高耐磨性,是一种很好的模具材料。与模具钢相比,可提高模具寿命几十倍甚至百倍以上。当然,钢结硬质合金毕竟是碳化物硬质相较多的粉末冶金材料,可锻性和可加工性比较差,因而对锻造温度和锻造方法以及切削加工规范都有严格的要求。11-用于制造冷冲模的钢结硬质合金的牌号、成分和性能见
15、表11-3。表11-3钢结硬质合金的牌号成分和性能11-三、冷冲模具材料的选用及热处理要求模具材料种类很多,同时,冲压工序和被冲材料种类也很多,实际生产条件又不尽相同,因此,要做到合理选择模具材料,提出恰当的热处理要求,必须根据模具的工作条件、生产量、模具材料市场供应情况及各模具材料的可加工性,进行认真的分析比较。11-表11-4和表11-5分别列出冲模工作零件和其他一般零件材料及热处理要求,可供设计者借鉴。表11-4常用冷作模具钢材选用一览表11-表11-4常用冷作模具钢材选用一览表11-表11-4常用冷作模具钢材选用一览表11-表11-4常用冷作模具钢材选用一览表11-表11-4常用冷作模具钢材选用一览表11-表11-5冲模一般零件的材料和热处理要求11-表11-5冲模一般零件的材料和热处理要求11-表11-5冲模一般零件的材料和热处理要求
