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影響模具彈簧使用壽命的基本因素有哪些:
一、影響模具使用壽命的基本因素
模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具材料、冷熱加工工藝、熱處理、研磨、機(jī)床的調(diào)整與操作、被加工材料的性質(zhì)與狀態(tài)、潤(rùn)滑條件及模具的服役環(huán)境是影響模具使用壽命的八大基本因素。
1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是造成模具早期失效和熱處理變形開(kāi)裂的重要因素。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免尖銳的圓角和過(guò)大的截面變化。尖銳圓角引起的應(yīng)力集中可高達(dá)平均計(jì)算應(yīng)力的10多倍。當(dāng)由于模具結(jié)構(gòu)的要求,尖銳圓角不允許消除時(shí),可將整體結(jié)構(gòu)改成組合式或?qū)A角的加工放在最終熱處理后進(jìn)行。如內(nèi)四方頭螺栓,原設(shè)計(jì)用冷鐓模鐓制,使用壽命500件,在沖頭圓角過(guò)渡應(yīng)力集中部位折斷;后來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì),加大圓角過(guò)渡部位的半徑,由R=0.127mm增大到0.381~0.5mm,壽命提高到12000~27000件,仍在圓角過(guò)渡處斷裂失效;第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)成組合式,壽命提高到100,000件,最終以磨損失效。為防止熱處理變形與開(kāi)裂,截面尺寸力求均勻,形狀力求對(duì)稱(chēng)而且簡(jiǎn)單,盲孔盡量開(kāi)成通孔,必要時(shí)可開(kāi)工藝孔,對(duì)于形狀復(fù)雜易變形開(kāi)裂的模具可改成組合式。
2.模具材料與熱處理
模具材料對(duì)模具壽命的影響反映在模具材料的選擇是否正確、材質(zhì)是否良好和使用是否合理3個(gè)方面。選材時(shí)必須兼顧模具使用性能要求。對(duì)于冷沖模應(yīng)主要考慮鋼的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。強(qiáng)度與韌性以及韌性與耐磨性之間往往此消彼長(zhǎng)。當(dāng)模具的主要失效方式是脆性開(kāi)裂時(shí)可考慮選擇強(qiáng)度較低但韌性更好的材料或制訂合理的熱處理工藝以改善鋼的韌性,亦可根據(jù)實(shí)際情況選擇同時(shí)具有高強(qiáng)度與高韌性的高級(jí)合金鋼。從兼顧韌性和耐磨性的角度除了整體合理選材外,亦可考慮在保證韌性的同時(shí),采用合理的表面處理以改善模具的耐磨性。塑料模具鋼選用時(shí)要兼顧其在塑料成形溫度下的強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性,同時(shí)還應(yīng)考慮其加工性能和鏡面度。
熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致模具早期失效的重要因素。熱處理對(duì)模具壽命的影響主要反映在熱處理技術(shù)要求不合理和熱處理質(zhì)量不良兩個(gè)方面。統(tǒng)計(jì)資料表明,由于選材和熱處理不當(dāng),致使模具早期失效的約占70%。這個(gè)問(wèn)題在第4節(jié)和第5節(jié)中另行討論。
3.冷熱加工工藝
鍛造和機(jī)加工對(duì)模具壽命的影響,常常被人們忽略,不正確的鍛造和機(jī)加工往往成為導(dǎo)致模具早期失效的關(guān)鍵。以Cr12MoV鋼為例,該鋼是國(guó)內(nèi)最常用的冷作模具鋼之一,屬于高碳高鉻萊氏體鋼,含有大量的一次和二次碳化物,偏析很大。因此,改善其碳化物分布狀況成為提高模具壽命的重要環(huán)節(jié)。表1為碳化物級(jí)別對(duì)Cr12MoV鋼力學(xué)性能的影響。
共晶網(wǎng)狀碳化物難以通過(guò)熱處理消除,必須通過(guò)鍛造使其細(xì)化并均勻化。國(guó)標(biāo)中對(duì)網(wǎng)狀碳化物級(jí)別要求較寬,實(shí)際使用中,需要重新改鍛,使其達(dá)到≤2級(jí)的碳化物的要求。為此需要對(duì)鋼坯從不同方向上進(jìn)行多次鐓粗和拉拔,并應(yīng)按“二輕一重”法鍛造。即坯料加熱到1100~1150℃始鍛時(shí),要輕擊,防止鍛裂;在1000~1100℃溫度區(qū)內(nèi)要重?fù)粢员WC擊碎碳化物;在1000℃以下因鋼料塑性降低要再度輕擊,防止出現(xiàn)內(nèi)裂紋,并確保最后形成的碳化物排列方向垂直于模具的工作面,終鍛溫度850~900℃。鍛造比一般控制在2~2.5。利用鍛后余熱淬火,低溫回火,可獲得隱針馬氏體加細(xì)小彌散分布的碳化物和少量殘留奧氏體,可大幅度提高模具的使用壽命。
不正確的機(jī)加工可能在以下3個(gè)方面導(dǎo)致模具早期失效:①不當(dāng)?shù)那邢鳎纬杉怃J圓角或過(guò)小的圓角半徑時(shí)常常造成應(yīng)力集中,使模具早期失效;②表面光潔度不夠,存在不允許的刀痕,常常使模具因早期疲勞破壞而失效;③機(jī)加工沒(méi)有完全均勻地去除軋制和鍛造形成的脫碳層,致使模具熱處理后形成軟點(diǎn)和過(guò)大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致模具早期失效。-模具彈簧
4.磨削和電火花加工
磨加工可能導(dǎo)致金屬表面局部過(guò)熱,產(chǎn)生高的表面殘余應(yīng)力以及組織變化等,其結(jié)果可能導(dǎo)致磨削裂紋的產(chǎn)生。常見(jiàn)的磨削缺陷有,磨削速度過(guò)快引起金屬燒傷;用鈍的或重載砂輪磨削或使用過(guò)細(xì)的砂輪和冷卻劑使用不當(dāng)引發(fā)的磨削裂紋。細(xì)小的磨削裂紋難于用肉眼觀察,需用磁粉探傷或稀硝酸冷侵蝕方能顯示。輕的磨削裂紋常垂直于磨削方向平行分布,嚴(yán)重的磨削裂紋呈龜裂狀。這些磨削裂紋即使可以通過(guò)輕磨予以去除,但危害猶存,常導(dǎo)致模具在服役中早期失效。
電火花加工常常作為模具的最后加工工序。電火花加工可在淬火回火模具的表面形成淬火馬氏體的白亮層,由于高碳馬氏體的固有脆性和顯微裂紋的存在,往往導(dǎo)致模具早期開(kāi)裂失效。另外,電火花加工可在模具表面形成不良的殘余應(yīng)力,降低了模具的使用壽命。
5.機(jī)床的調(diào)整與操作
材質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確、冷熱加工良好、熱處理合理的模具,由于機(jī)床調(diào)整和使用操作不當(dāng),仍然可能在服役過(guò)程中早期失效。機(jī)床調(diào)整和操作因素包括機(jī)床的精度、剛性、間隙調(diào)整、定位不準(zhǔn)和偶然過(guò)載等。認(rèn)真對(duì)待這些因素,將有助于發(fā)現(xiàn)模具失效的真正原因,生產(chǎn)上模具壽命的較大波動(dòng),常常與機(jī)床調(diào)整和使用操作因素有關(guān),必須給予足夠重視。
除了上述因素外,模具的潤(rùn)滑條件和被加工材料的材質(zhì)、硬度、尺寸以及端面平直度等外在因素,也都會(huì)影響模具的使用壽命。
二、模具的服役條件、失效方式及對(duì)模具鋼性能的要求
1.冷鐓模
冷鐓是一種冷鍛工藝,憑借鐓鍛模在一次或多次沖擊下將坯料的部分金屬加工成特定的截面形狀。坯料主要是線(xiàn)材或棒料。冷鐓被廣泛地用于生產(chǎn)緊固件,如螺釘和鉚釘?shù)?。適合冷鐓的材料有低碳鋼絲或棒材(75~78HRB)、銅和銅合金、鋁和鋁合金、不銹鋼及含碳量低于0.44%的中碳鋼絲(球化退火)。冷鐓模分為凸模(或錘頭)與凹模,凹模又有整體凹模與開(kāi)式凹模之分,整體凹??梢杂梢环N材料制造,也可以采用兩種材料,中心型腔部分采用不同材料制成凹模鑲塊。開(kāi)式凹模由表面帶槽的兩件模塊組成,兩件模塊組合在一起形成模膛。在模塊的不同表面開(kāi)槽,然后通過(guò)翻轉(zhuǎn)模塊可組成多個(gè)新型槽。
冷鐓模具表面要求高硬度(≥60HRC),硬材料的冷鐓模具要整體淬硬,以防壓塌;在保證不堆塌的前提下,為了使模具有足夠的韌性,防止開(kāi)裂,冷鐓模具的心部硬度以40~50HRC為宜。
常用的冷鐓模具鋼有T10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV等,凹模鑲塊可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WC(含13%~25%Co)、W18Cr4V鋼制造,形狀復(fù)雜、沖擊大的凸??刹捎媚蜎_擊鋼5CrW2Si、60Si2Mn和基體鋼。
2.冷擠壓模
冷擠壓分為正擠壓、反擠壓和復(fù)合擠壓。冷擠壓沖頭承受較大的動(dòng)載荷,為防止模具早期疲勞失效,應(yīng)避免過(guò)大的應(yīng)力集中,并應(yīng)注意沖頭的穩(wěn)定性,沖頭的長(zhǎng)徑比(L∶D)不能過(guò)大,擠壓鋼件時(shí),L∶D≤3∶1,擠壓銅及其合金L∶D≤5∶1,擠壓鋁及其合金L∶D≤10∶1。當(dāng)模具承受的應(yīng)力超過(guò)材料的σ0.2/2時(shí),凹模需加預(yù)應(yīng)力環(huán),凹模與預(yù)應(yīng)力環(huán)之間可采用錐度(0.5°~1°)配合或熱壓配合(紅套)。
低中碳鋼的冷擠壓模具要求有高的硬度(59~66HRC),高的抗壓屈服強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性。常用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V1、W6Mo5Cr4V2鋼和基體鋼等,內(nèi)預(yù)應(yīng)力環(huán)常采用4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si鋼(46~48HRC),外預(yù)應(yīng)力環(huán)通常用4Cr5MoVSi、5CrNiMo等鋼制造。
鋁合金冷擠壓??刹捎肨7A、T10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15、9SiCr和CrWMn等鋼制造。
三、模具鋼力學(xué)性能指標(biāo)的評(píng)述
冷作模具要求材料具有高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性及耐磨性;熱作模具用鋼要求在工作溫度下保持高的強(qiáng)度和韌性、良好的抗燒蝕性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱疲勞抗力。問(wèn)題是用什么指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)上述性能指標(biāo)?冷作模具鋼一般含碳量較高,通常在回火馬氏體加碳化物組織狀態(tài)下使用,脆性大。常規(guī)拉伸試驗(yàn)時(shí),往往在彈性范圍內(nèi)即發(fā)生斷裂,測(cè)不出模具鋼的塑性。工程上常采用其他試驗(yàn)方法評(píng)定鋼的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[5]選擇常用的冷變形工模具鋼,測(cè)定了其拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮、一次沖擊、斷裂韌度和沖擊疲勞性能,對(duì)其強(qiáng)度、塑性、韌度指標(biāo)及與模具壽命關(guān)系進(jìn)行了綜合評(píng)述。
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