沖裁模壽命影響因素分析

于國(guó)紅

(蘭州城市學(xué)院 機(jī)械工程系,甘肅 蘭州 730070)

?

沖裁模壽命影響因素分析

于國(guó)紅

(蘭州城市學(xué)院 機(jī)械工程系,甘肅 蘭州 730070)

摘要：沖裁模是加工零件的重要工藝裝備。它的使用壽命直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和成本。從沖裁模失效形式著手，系統(tǒng)分析了沖裁模在設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用和維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中影響其壽命的因素，并提出了對(duì)應(yīng)的提高沖裁模壽命的措施。

關(guān)鍵詞：失效形式；模具壽命；影響因素；改善措施

沖裁模是現(xiàn)代制造業(yè)中重要的工藝裝備之一。采用沖裁模加工零件，具有生產(chǎn)效率高、周期短、產(chǎn)品質(zhì)量好及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械制造、車輛制造、航空航天、電子、電器、輕工、儀表及日用品等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。因沖裁模制造一般是單件小批量生產(chǎn)，精度要求高，屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品，使模具制造費(fèi)用在整個(gè)生產(chǎn)成本中占了較大比重。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果模具易失效，就不能保證可靠的壽命周期，將直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，造成生產(chǎn)成本浪費(fèi)；因此，從沖裁模的設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)模具進(jìn)行失效分析，并采取有效的防范措施，可提高沖裁模使用壽命，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1沖裁模失效形式

1.1磨損

沖裁模的主要工作對(duì)象是冷軋鋼板和有色金屬板材。沖壓時(shí)，被沖材料與沖模的工作部分產(chǎn)生摩擦，依靠沖模的刃口剪切使板料分離。一般在室溫下，沖擊力不大，而分離板料時(shí)受力主要集中在模具刃口附近；因此，它的正常失效形式為磨損。從磨損機(jī)理上分析，主要是粘著磨損，同時(shí)也伴隨著磨粒磨損，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生疲勞磨損。由于沖裁模工作時(shí)凸、凹模刃口處于端面最大壓應(yīng)力和側(cè)面最大壓應(yīng)力的交匯處，同時(shí)也處于端面最大摩擦力和側(cè)面間最大摩擦力的交匯處，因此，沖裁模中凸、凹模的刃口工況最為惡劣，磨損最嚴(yán)重。

1.2斷裂

模具工作中承受沖擊載荷，斷裂失效是其常見(jiàn)的形式。斷裂形式分為過(guò)載斷裂和疲勞斷裂。當(dāng)模具所受的應(yīng)力突然增加并超過(guò)模具材料的許用值時(shí)，模具就會(huì)在有應(yīng)力集中處突然斷裂；當(dāng)模具承受高于一定臨界值的交變應(yīng)力作用時(shí)，在交變應(yīng)力的多次反復(fù)作用下，模具材料首先產(chǎn)生微小裂紋，隨著作用次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。

1.3其他形式失效

沖裁模還會(huì)出現(xiàn)刃口變形、疲勞崩刃等失效形式。當(dāng)沖裁凸模較細(xì)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)引起彎曲變形失效。

2影響沖裁模壽命的因素

為滿足現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品，沖裁模應(yīng)有足夠的壽命。能否在使用期間內(nèi)保證模具壽命，取決于諸多方面的因素。應(yīng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，就沖裁模的設(shè)計(jì)、制造、安裝使用以及維護(hù)保養(yǎng)等全方位分析影響沖裁模壽命的因素，從而找到相應(yīng)的改善措施。

2.1沖裁模設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

2.1.1適當(dāng)選擇沖裁間隙

沖裁過(guò)程中，凸、凹模的刃口部分?jǐn)D壓、剪切被加工材料，材料對(duì)模具的反作用力主要集中在凸、凹模的刃口部分。間隙的大小影響凸、凹模刃口在剪切中所受應(yīng)力的大小。當(dāng)間隙過(guò)小時(shí)，模具刃口所受垂直應(yīng)力和側(cè)壓應(yīng)力增大，摩擦力增大，模具刃口的磨損加劇，甚至發(fā)生啃模的現(xiàn)象，易造成模具的過(guò)早失效；當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，被加工材料所受轉(zhuǎn)矩增大，摩擦力增大，刃口處所受拉應(yīng)力增大，也會(huì)加劇模具刃口磨損。因此，模具設(shè)計(jì)中凸、凹模間隙應(yīng)在合理范圍內(nèi)取值。一般情況下，加工材料厚、塑性低的硬脆材料時(shí)，所需間隙值就越大；反之，所需間隙值就越小。

2.1.2正確設(shè)計(jì)模具(凸、凹模)刃口幾何參數(shù)

沖裁模結(jié)構(gòu)尺寸及形狀設(shè)計(jì)影響模具的強(qiáng)度，不合理的設(shè)計(jì)導(dǎo)致模具無(wú)法保證其使用壽命。尤其是凸、凹模局部結(jié)構(gòu)中的尖角，圓角半徑偏小，凹槽和缺口布置不合理，截面過(guò)于突出，位置設(shè)計(jì)不當(dāng)造成薄壁，斷面太薄和間隙不當(dāng)?shù)?。尖角與截面突變處存在過(guò)大內(nèi)應(yīng)力，往往導(dǎo)致沖裁模使用時(shí)過(guò)早失效；薄壁同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生塑性變形和開(kāi)裂失效。

2.1.3保證沖裁模導(dǎo)向裝置的精度

沖裁模設(shè)計(jì)中若采用導(dǎo)向裝置，能有效地保證模具零件的對(duì)中，增加剛度，提高模具抗彎折、抗偏載的能力，消除不均勻磨損，從而延長(zhǎng)模具壽命。針對(duì)具體工序性質(zhì)和被加工零件精度，選擇正確導(dǎo)向形式和保證一定的導(dǎo)向裝置精度，是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視的環(huán)節(jié)。一般情況下，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的精度應(yīng)高于凸、凹模配合精度。

2.1.4增加壓料卸料裝置

沖裁過(guò)程中，模具刃口與被沖板料間產(chǎn)生相互作用力。由于凸、凹模配合間隙的存在會(huì)形成轉(zhuǎn)矩，造成被加工板料相對(duì)于凹模端面滑動(dòng)。如果設(shè)計(jì)有彈性卸料板，可提供一定的壓邊力，從而降低沖裁力以及板材對(duì)凸模和凹模的摩擦磨損。

2.1.5模具材料的選擇

設(shè)計(jì)沖裁模時(shí)，合理選擇模具材料是關(guān)系到模具使用壽命的一項(xiàng)重要工作。在沖壓過(guò)程中，由于沖裁模是在沖擊負(fù)荷下工作，而且被沖材料的變形抗力一般都比較大，尤其是刃口受到強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，因此，制造沖裁模工作零件的材料應(yīng)滿足2項(xiàng)基本要求:1)材料綜合力學(xué)性能要好，包括材料應(yīng)具備高硬度(58～64 HRC)和高強(qiáng)度，并具有高的耐磨性和足夠的韌度，熱處理變形小，有一定的熱硬性;2)材料應(yīng)具備良好的工藝性能，包括良好的鍛造性能，淬硬性和淬透性以及機(jī)械切削加工性，磨削加工性等。在實(shí)際生產(chǎn)中因沖壓件的材料特性、生產(chǎn)批量和精度要求等的不同，選擇模具材料時(shí)，除了應(yīng)保證所選材料性能優(yōu)良，還要兼顧經(jīng)濟(jì)性。

2.2冷沖模制造環(huán)節(jié)

2.2.1確定合理的鍛造工藝

沖裁模在鍛造階段，為防止材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，鐓擊力不能過(guò)大。應(yīng)控制加熱溫度，均勻加熱，防止過(guò)熱過(guò)燒現(xiàn)象。模具材料鍛打后，應(yīng)控制好冷卻速度，防止開(kāi)裂。

2.2.2確定合理的機(jī)械加工工藝

為保證沖裁模的壽命，模具主要零件都具有高的精度和低的表面粗糙度要求。在粗加工階段，應(yīng)徹底去除材料表面的脫碳層，否則會(huì)降低模具表面硬度，加劇模具磨裂和淬裂傾向。模具工作部分轉(zhuǎn)角處應(yīng)光滑過(guò)渡，減少熱處理時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力；考慮到后續(xù)熱處理變形的影響，沖模粗加工時(shí)應(yīng)為精加工余留合理加工余量。精加工時(shí)走刀量要小，不允許出現(xiàn)加工刀痕，以防萌生疲勞裂紋，造成模具疲勞失效。磨削加工時(shí)，為避免磨削裂紋和磨削燒傷，保證模具的疲勞強(qiáng)度和斷裂抗力，磨削進(jìn)給量不能過(guò)大，同時(shí)應(yīng)控制磨削熱，提供充足的冷卻。對(duì)于精密模具的精密磨削應(yīng)注意環(huán)境溫度的影響，要求恒溫磨削。電火花成型加工和線切割加工時(shí)，應(yīng)防止模具表面產(chǎn)生拉應(yīng)力和顯微裂紋。模具裝配時(shí)，應(yīng)保證裝配精度。裝配精度高，各個(gè)配合表面的平面度和平行度好，凸模與凹模垂直度高，間隙均勻，也能使模具獲得相當(dāng)高的壽命。

2.2.3熱處理工藝

沖裁模制造中，采用熱處理工藝，可有效消除模具材料的內(nèi)應(yīng)力，改善切削加工性，提高硬度和強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能。模具失效中，因熱處理工藝不當(dāng)引起的失效占很大比重，如模具工作零件的淬火變形與開(kāi)裂，使用過(guò)程的早期斷裂，均與模具熱加工工藝有關(guān)。為保證良好的模具壽命，機(jī)械加工與熱處理應(yīng)很好地相互配合，如粗加工后高溫回火或低溫回火，精加工后淬火與回火，電火花、線切割后的去應(yīng)力低溫回火。

模具主要工作件在粗加工階段，應(yīng)根據(jù)材料和要求的不同，分別采用退火、正火或調(diào)質(zhì)等預(yù)備熱處理，以改善組織，消除鍛造毛坯的組織缺陷，改善加工工藝性。這樣有利于保證淬火、回火質(zhì)量，提高模具壽命。

模具主要工作件在精加工階段插入淬火和回火熱處理工序時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制淬火溫度，如果淬火溫度過(guò)高，材料晶粒長(zhǎng)大，使沖擊韌度下降，會(huì)造成疲勞裂紋萌生周期縮短，擴(kuò)展速度加快，嚴(yán)重影響模具壽命。

沖模淬火加熱時(shí)，應(yīng)特別防止氧化、脫碳和增碳，模具工作面殘留有脫碳層時(shí)，會(huì)導(dǎo)致模具早期磨損或斷裂；表面增碳會(huì)導(dǎo)致模具出現(xiàn)崩刃等失效形式。為消除淬火后的殘余應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進(jìn)行回火，回火應(yīng)充分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。對(duì)于高精度模具，磨削或電加工后，還應(yīng)經(jīng)消應(yīng)力回火處理，以穩(wěn)定模具精度，提高使用壽命。

2.2.4合理的模具表面強(qiáng)化工藝

模具工作零件表面經(jīng)強(qiáng)化處理后，可大幅度提高沖裁模性能和使用壽命。表而強(qiáng)化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、滲硼、滲釩和電火花表面強(qiáng)化，以及化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)和在鹽浴中向工件表而浸鍍碳化物法(TD)等。為了提高模具工作零件硬度和耐疲勞強(qiáng)度，也可采用滾壓、噴丸等冷作強(qiáng)化工藝。

2.3冷沖模安裝使用環(huán)節(jié)

2.3.1沖壓設(shè)備的選用

沖裁模工作時(shí)需要的工作力由沖壓設(shè)備提供。在成形過(guò)程中，工作力反力導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生彈性變形，這種變形直接影響沖模，造成凸模與凹模刃口受力不均和沖裁間隙不均，加速刃口和導(dǎo)向件的磨損，降低模具壽命，嚴(yán)重時(shí)直接啃壞刃口和導(dǎo)向件。因此，選擇沖壓設(shè)備時(shí)應(yīng)選用導(dǎo)向精度高、剛度大且適合完成該沖壓工序的設(shè)備。這樣沖壓模具在使用過(guò)程中就具有良好的工作條件。

2.3.2沖裁模的正確安裝

沖裁模作為一種工藝裝備，只有實(shí)現(xiàn)了在沖壓設(shè)備上的正確安裝，才能發(fā)揮其最佳性能，并使模具的壽命得到保障；因此，安裝模具時(shí)，在保證裝模閉合高度的同時(shí)，沖床工作臺(tái)面和下模座間墊板的精度也要得到保證。沖壓中凸模刃口進(jìn)入凹模深度應(yīng)嚴(yán)格控制，取值合理。當(dāng)凸模刃口進(jìn)入凹模刃口過(guò)深時(shí)，不僅加劇了凸模刃口的磨損，而且增大了正常的刃磨刃口修磨量，從而降低了沖裁模的使用壽命。

2.3.3沖裁模的使用和維護(hù)

沖裁模在正常使用過(guò)程中，沖裁次數(shù)達(dá)到一定程度后，凸、凹模刃口鋒利度下降，凸模和凹模工作面的表面粗糙度增大，一方面導(dǎo)致模具疲勞強(qiáng)度下降，另一方面被沖材料流動(dòng)時(shí)和凸、凹模端面間摩擦力增大，加劇模具的磨損；因此，及時(shí)的刃磨修理是模具使中的重要環(huán)節(jié)。選擇合理的刃磨壽命和刃磨量，保證刃磨后模具工作部位的精度和表面粗糙度要求，可延長(zhǎng)模具的使用壽命。

在沖裁模的日常保養(yǎng)、維護(hù)工作中, 應(yīng)重視模具結(jié)構(gòu)中的彈性件和緊固件的可靠性，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)更換，以防其失效后造成模具精度下降，運(yùn)動(dòng)錯(cuò)位等，導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷。在使用中，模具應(yīng)保持清潔和合理的潤(rùn)滑。通過(guò)使用前、使用過(guò)程中和使用后檢查，確保沖裁模在精良的狀態(tài)下運(yùn)行。

3結(jié)語(yǔ)

工欲善其事，必先利其器。為了高效率、高質(zhì)量、低成本地生產(chǎn)沖裁零件，應(yīng)在沖裁模設(shè)計(jì)、制造、安裝使用和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，針對(duì)存在的主要失效形式，采取相應(yīng)的先進(jìn)制造技術(shù)，以保證和延長(zhǎng)模具的使用壽命。

責(zé)任編輯馬彤

Analysis on Affection Factors of Blanking Die Life

YU Guohong

(Lanzhou City College Department of Mechanical Engineering, Lanzhou 730070,China)

Abstract：Blanking die is an important craft equipment of blanking pieces.The using life of blanking die directly influences the product quality and cost. Beginning from the blanking die failure forms,the paper systemic analyzes the affection factors of the punch die life in the design, manufacture, installation, use and maintenance process. Finally, present the corresponding improvement measures to enhance the using life of the blanking die.

Key words:failure forms，die life，affection factor，improvement measures

收稿日期：2016-01-13

作者簡(jiǎn)介：于國(guó)紅(1967-)，男，講師，大學(xué)本科，主要從事機(jī)械制造和機(jī)械故障診斷等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 385

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A