模具制造工藝對沖壓模具使用壽命的影響
/ 2021/6/5 15:40:29
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沖壓
模具，是在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模具（俗稱冷沖模）。沖壓是在室溫下利用安裝在壓力機(jī)上的模具對材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件的一種壓力加工方法。下面具體介紹沖壓
模具材料的選用以及模具制造工藝對沖壓模具使用壽命的影響?。
沖壓模具材料的選用模具制造工藝對沖壓模具使用壽命的影響
沖裁模具
沖裁模具
沖裁模具材料的選用
選用沖裁模具材料應(yīng)考慮工件生產(chǎn)的批量，若批量不大就沒有必要選擇高壽命的模具材料；還應(yīng)考慮被沖工件的材質(zhì)，不同材質(zhì)適用的模具材料亦有所不同。對于沖裁模具，耐磨性是決定模具壽命的重要因素，鋼材的耐磨性取決于碳化物等硬質(zhì)點(diǎn)相的狀況和基體的硬度，兩者的硬度越高，碳化物的數(shù)量越多，則耐磨性越好。常用沖壓模具鋼材耐磨性的劣優(yōu)依次為碳素工具鋼—合金工具鋼—基體鋼—高碳高鉻鋼—高速鋼—鋼結(jié)硬質(zhì)合金—硬質(zhì)合金。
此外還必須考慮工件的厚度、形狀、尺寸大小、精度要求等因素對模具材料選擇的影響。
1.傳統(tǒng)模具用鋼長期以來，國內(nèi)薄板沖裁模用鋼為T10A、CrWMn、9Mn2V、Cr12和Cr12MoV等。
其中T10A為碳素工具鋼，有一定強(qiáng)度和韌性。但耐磨性不高，淬火容易變形及開裂，淬透性差，只適用于工件形狀簡單、尺寸小、數(shù)量少的沖裁模具。
T10A碳素工具鋼的熱處理工藝為：760~810℃水或油淬，160~180℃回火，硬度59~62HRC。
CrWMn、9Mn2V是高碳低合金鋼種，淬火操作簡便，淬透性優(yōu)于碳素工具鋼，變形易控制。但耐磨性和韌性仍較低，應(yīng)用于中等批量、工件形狀較復(fù)雜的沖裁模具。CrWMn鋼的熱處理工藝為：淬火溫度820~840℃油冷，回火溫度200℃，硬度60~62HRC。9Mn2V鋼的熱處理工藝為：淬火溫度780~820℃油冷，回火溫度150~200℃，空冷，硬度60~62HRC。注意回火溫度在200~300℃范圍有回火脆性和顯著體積膨脹，應(yīng)予避開。
Cr12和Cr12MoV為高碳高鉻鋼，耐磨性較高，淬火時變形很小，淬透性好，可用于大批量生產(chǎn)的模具，如硅鋼片沖裁模。但該類鋼種存在碳化物不均勻性，易產(chǎn)生碳化物偏析，沖裁時容易出現(xiàn)崩刃或斷裂。其中，Cr12含碳量較高，碳化物分布不均比Cr12MoV嚴(yán)重，脆性更大一些。
Cr12型鋼的熱處理工藝選擇取決于模具的使用要求，當(dāng)模具要求比較小的變形和一定韌性時，可采用低溫淬火、回火（Cr12為950~980℃淬火，150~200℃回火；Cr12MoV為1020~1050℃淬火，180~200℃回火）。若要提高模具的使用溫度，改善其淬透性和紅硬性，可采用高溫淬火、回火（Cr12為1000~1100℃淬火，480~500℃回火；Cr12MoV為1110~1140℃淬火，500~520℃回火）。
高鉻鋼在275~375℃區(qū)域有回火脆性，應(yīng)予避免。
2.常用模具新鋼種
為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)模具鋼種性能的不足，國內(nèi)開發(fā)或引進(jìn)了以下性能較好的沖壓模具用鋼：
（1）Cr12Mo1V1（代號D2）鋼為仿美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的D2鋼引進(jìn)的鋼種，屬Cr12型鋼。由于D2鋼中Mo、V含量增加，細(xì)化了晶粒，改善了碳化物的分布狀況，因此D2鋼的強(qiáng)韌性（沖擊韌度、抗彎強(qiáng)度、撓度）比Cr12MoV鋼有所提高，耐磨性和抗回火穩(wěn)定性也比Cr12MoV更高。可用深冷處理，提高硬度并改善尺寸穩(wěn)定性。用D2鋼制作的沖裁模具壽命要高于Cr12MoV鋼模具。
D2鋼的鍛造性能和熱塑成形性比Cr12MoV鋼略差，機(jī)械加工性能和熱處理工藝與Cr12型鋼相似。
（2）Cr6WV鋼為高耐磨微變形高碳中鉻鋼，碳、鉻含量均低于Cr12型鋼，碳化物的分布狀態(tài)較Cr12MoV均勻，具有良好的淬透性。熱處理變形小，機(jī)械加工性能較好。抗彎強(qiáng)度、沖擊韌度優(yōu)于Cr12MoV，只是耐磨性略低于Cr12型鋼。用于承受較大沖擊力的高硬度、高耐磨板料沖裁模，其效果好于Cr12型鋼。
鋼的常用熱處理工藝為：淬火溫度9701~000℃，一般可熱油或硝鹽分級淬火冷卻，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后應(yīng)立即回火，回火溫度160210~℃，硬度58~62HRC。
（3）Cr4W2MoV鋼也是高耐磨微變形高碳中鉻鋼，替代Cr12型鋼而研制的鋼種，碳化物均勻性好，耐磨性高于Cr12MoV，適于制作形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的沖壓模具，可用于硅鋼片沖裁模。
Cr4W2MoV鋼的熱處理工藝：要求強(qiáng)度、韌性較高時，采用低溫淬火、低溫回火工藝：淬火溫度960~980℃，回火溫度280~320℃，硬度60~62HRC。要求熱硬性和耐磨性較高時，采用高溫淬火、高溫回火工藝：淬火溫度1020~1040℃，回火溫度500~540℃，硬度60~62HRC。
（4）7CrSiMnMoV(代號CH-1)鋼為空淬微變形低合金鋼、火焰淬火鋼，可以利用火焰進(jìn)行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火溫度（800~1000℃），具有良好的淬透性和淬硬性（可達(dá)60HRC以上），強(qiáng)度和韌性較高，崩刃后能補(bǔ)焊。可代替CrWMn、Cr12MoV鋼，制作形狀復(fù)雜的沖裁模。CH-1鋼的推薦熱處理工藝：淬火溫度900~920℃，油冷，190~200℃回火1~3小時，硬度58~62HRC。
（5）6CrNiSiMnMoV(代號GD)鋼為高韌性低合金鋼，淬透性好，空淬變形小，耐磨性較高。其強(qiáng)韌性顯著高于CrWMn和Cr12MoV鋼，不易崩刃或斷裂。尤其適用于細(xì)長、薄片狀凸模及大型、形狀復(fù)雜、薄壁凸凹模。
GD鋼的推薦熱處理工藝：淬火溫度870~930℃（900℃最佳），鹽浴爐加熱（45s/mm），油冷或空冷、風(fēng)冷，175~230℃回火2小時，硬度58~62HRC。由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加熱淬火。
（6）9Cr6W3Mo2V2(代號GM)鋼為高耐磨高強(qiáng)韌合金鋼，各項(xiàng)工藝性能良好，其耐磨性、強(qiáng)韌性、加工性能均優(yōu)于Cr12型鋼，能夠用于高速壓力機(jī)沖壓下的多工位級進(jìn)模等精密模具，是較理想的耐磨、精密沖壓模具用鋼。
GM鋼的熱處理工藝：淬火溫度1080~1120℃，硬度64~66HRC?；鼗饻囟?40~560℃，回火二次。
（7）Cr8MoWV3Si(代號ER5)鋼屬高耐磨高強(qiáng)韌合金鋼，具有較好的電火花加工性能，強(qiáng)度、韌性、耐磨性都優(yōu)于Cr12型鋼，適用于大型精密沖壓模具。用于硅鋼片沖裁模，一次刃磨壽命為21萬次，總壽命高達(dá)360萬次，是目前合金鋼沖模沖裁硅鋼片的較高壽命水平。
ER5鋼的推薦熱處理工藝：對高耐磨性、高強(qiáng)韌性的模具，采用1150℃淬火，520~530℃回火3次；對重載服役條件下的模具，采用1120~1130℃淬火，550℃回火3次。
3．硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金
當(dāng)工件的批量極大時，可以考慮選用硬度和耐磨性比各類模具鋼種更高的硬質(zhì)合金或鋼結(jié)硬質(zhì)合金。用作模具材料的硬質(zhì)合金為鎢鈷類，隨著含鈷量的增加，韌性及抗彎強(qiáng)度提高而硬度降低。對于承受沖擊力較小的模具，可以選用含鈷量較低的YG10X；承受沖擊力中等或較大的模具，可以選用含鈷量較高的YG15或YG20。硬質(zhì)合金的缺點(diǎn)為韌性較差、難以加工，作為模具的工作部件可以設(shè)計為鑲拼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的性能介于硬質(zhì)合金和高速鋼之間，能夠機(jī)械加工和熱處理，可以用于制作復(fù)雜的高壽命模具。用作沖裁模的鋼結(jié)硬質(zhì)合金有DT、GT35、TLMW50、GW50等。
沖壓模具使用壽命受模具制造工藝影響
(1)鍛造工藝的影響
如果鍛造工藝不合理，會降低鋼材的性能，造成鍛造缺陷，形成導(dǎo)致模具早期失效的隱患。常見的鍛件表面缺陷有裂紋、折疊、凹坑等，內(nèi)部缺陷有組織偏析、流線分布不合理、疏松、過熱、過燒等。
鍛造時鐓擊力過大，變形量過大，易產(chǎn)生裂紋。加熱不均，溫度過高會產(chǎn)生材料晶粒粗大的過熱現(xiàn)象、或?qū)е戮Ы缛刍脱趸倪^燒現(xiàn)象。停鍛后冷卻速度過快容易開裂，特別是高碳高合金鋼，鍛造溫度范圍較窄，操作不當(dāng)極易開裂。鍛造不充分會產(chǎn)生組織應(yīng)力，熱處理時也易發(fā)生變形開裂。若模具材料中的非金屬夾雜物鍛壓后，流線分布走向與凸模軸線垂直，則可能引起橫向折斷；如果分布走向與軸線平行，則可能發(fā)生縱向劈裂
(2)加工工藝的影響
切削加工時沒有徹底去除材料表面脫碳層，將會降低模具的表面硬度，加劇了模具磨裂及淬裂的傾向。切削的表面粗糙、尺寸連接處不光滑，或留有尖角和加工刀痕，將萌生疲勞裂紋，造成模具疲勞失效。磨削加工時進(jìn)給量過大、冷卻不足則容易產(chǎn)生磨削裂紋和磨削燒傷，減低模具的疲勞疲勞強(qiáng)度和斷裂抗力。電火花成形及線切割加工，會使模具表面產(chǎn)生拉應(yīng)力和顯微裂紋，導(dǎo)致表面剝落和早期開裂。若材料淬火后的內(nèi)應(yīng)力很高，電火花加工時應(yīng)力會重新分布，引起模具變形或開裂。
(3)熱處理工藝的影響
模具淬火加熱時溫度過高，容易造成模具的過熱、過燒，沖擊韌度下降，導(dǎo)致早期斷裂。如果淬火溫度過低，會降低模具的硬度、耐磨性及疲勞抗力，容易造成模具的塑性變形、磨損失效。淬火加熱時不注意采取保護(hù)措施，會使模具表面氧化和脫碳，脫碳將造成淬火軟點(diǎn)或軟區(qū)，降低模具的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗咬合能力，影響其使用壽命。淬火冷卻速度過快或油溫過低，模具容易產(chǎn)生淬火裂紋。如果回火溫度太低，而且不夠充分，將無法消除淬火過程中的殘余應(yīng)力使模具的韌性降低，容易發(fā)生早期斷裂。
