一種錘環(huán)金屬模具的改進(jìn)與設(shè)計

孫全喜 于宏閣 劉國忠

摘 要：金屬模具被廣泛應(yīng)用于鑄造行業(yè)中，在生產(chǎn)中通過對金屬模具的合理改進(jìn)設(shè)計，可以降低金屬模具的制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，從而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：鑄造；金屬模具；改進(jìn)設(shè)計

1 改進(jìn)前錘環(huán)金屬模具的情況

1.1 改進(jìn)前金屬模具的結(jié)構(gòu)及特性

以前，某鑄造企業(yè)生產(chǎn)錘環(huán)采用的是整體式金屬模具（如圖1），模具材料為鑄鐵（HT200），其化學(xué)成分百分比為C：3.2～3.5；Si：1.5～1.8；Mn：0.8～1.0；S：≤0.12；P：≤0.15。在生產(chǎn)過程中，鋼水的澆注溫度是1450～1500℃，金屬模具長期在高溫條件下工作，容易產(chǎn)生疲勞而使得材料變脆，特別是模具型腔的圓弧處容易損傷掉角。而鑄鐵模具不能補焊修復(fù)，因此導(dǎo)致整個模具報廢。整體式金屬模具加工制造鍥形內(nèi)腔部分時比較困難，加工周期較長。一般鑄鐵金屬模具的使用壽命為一年，金屬模具報廢后需重新制造新的模具，這就增加了金屬模具的制造成本，從而使生產(chǎn)成本增加，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 整體式鑄鐵金屬模具的缺點

（1）鑄鐵材料的電加工性能極差，加工異形型腔比較困難。圖1所示的鑄鐵模具的異形型腔在加工時一般采用插削加工和線切割加工的方法。采用插削加工方法加工異形型腔時一般先按照樣板劃線，然后進(jìn)行插削加工，這種加工方法的加工精度很低，生產(chǎn)效率非常低，模具生產(chǎn)周期較長。采用線切割方法加工異形型腔時，雖然能夠按照圖形程序一次性切割成型，但是在切割過程中經(jīng)常會出現(xiàn)材料不導(dǎo)電的現(xiàn)象，使得線切割無法加工生產(chǎn)。因為鑄鐵材料中經(jīng)常會有冷隔、夾雜等現(xiàn)象，使得鑄鐵材料的導(dǎo)電性能降低，因此會影響其線切割加工時的導(dǎo)電性能。

（2）鑄鐵材料的焊接性能極差，模具有損壞時不能補焊修復(fù)。鑄鐵是一種含碳量很高的合金，在焊接過程中被熔化的鐵水需要重新冷卻凝固。由于含碳量高，如冷卻速度快，鑄鐵中的C元素會形成非常脆的滲碳體，而不是原來的石墨，從而使得材料變硬發(fā)脆，因此其焊接效果和強度非常差。所以異形型腔有損壞補焊的焊接強度很低，使用壽命就相應(yīng)很短。

（3）鑄鐵材料在長期高溫條件下工作容易變脆，模具使用壽命較短。由于鑄鐵材料的含碳量很高，其內(nèi)部組織粗大，致密度不高，因此鑄鐵材料在長期高溫（1500℃）條件下工作，材料會碳化變脆，模具在使用過程中其異形型腔就易掉角脫落，使得鑄鐵模具報廢，模具使用壽命降低。

2 改進(jìn)后錘環(huán)金屬模具的情況

2.1 改進(jìn)后金屬模具的結(jié)構(gòu)及特性

目前，某鑄造企業(yè)對該金屬模具進(jìn)行了一定的改進(jìn)設(shè)計（如圖2）。將原來的整體式金屬模具改變成模具體和鑲塊兩部分，即分體式金屬模具。模具體和鑲塊全部采用耐熱鋼ZG40Cr9Si2，其化學(xué)成分百分比是C：0.35～0.50；Mn：≦0.70；Si：2.00～3.00；Cr：8.00～9.00；P：≦0.035；S：≦0.30。模具體內(nèi)腔是8個U型槽，鑲塊與U型槽采用間隙配合，并且采用螺栓連接使模具體和鑲塊緊固。將整體式金屬模具設(shè)計成分體式金屬模具，可解決模具體內(nèi)腔鍥形部分加工困難的問題。即把鍥形型腔的機械加工變成U型槽加工，而U型槽的機械加工工藝簡單，很容易加工。且鍥形型腔部分是可拆換的，如有損壞可將其取下進(jìn)行補焊修復(fù)或更換即可使用。這樣就大大降低了生產(chǎn)成本，有效地提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 改進(jìn)后分體式金屬模具的優(yōu)點

（1）耐熱鋼材料的電加工性能較好，能采用線切割方法加工異形型腔。由于耐熱鋼材料的合金元素含量比較高，合金元素和鐵、碳元素的融合效果好，其材料組織細(xì)化，致密度高，因此采用線切割方法加工異形型腔時能順利一次性切割成型，不會出現(xiàn)不導(dǎo)電現(xiàn)象。另外，異形鍥形部分還可采用數(shù)控加工中心方法進(jìn)行加工生產(chǎn)，模具生產(chǎn)效率較高。

（2）耐熱鋼材料的焊接性能良好，模具如有損壞可進(jìn)行補焊修復(fù)，重復(fù)使用。耐熱鋼屬于高鉻合金鋼，材料組織細(xì)化，致密度高，因此焊接性能優(yōu)良。使用過程中出現(xiàn)損壞能進(jìn)行補焊修復(fù)，達(dá)到重復(fù)使用效果，大幅提高此模具使用壽命。

（3）耐熱鋼材料在長期高溫條件下不易變脆，不易損壞，金屬模具的使用壽命較長。由于耐熱鋼的含鉻量比較高，其耐熱性能非常好，長期在高溫（1500℃）條件下工作使用仍能保持原有的機械性能，其組織及強度不會有任何變化，所以耐熱鋼模具的使用壽命就會大幅提高。

3 經(jīng)濟(jì)效益情況分析

改進(jìn)前鑄鐵金屬模具制造成本2600元/套，使用壽命僅1年。改進(jìn)后的分體式金屬模具制造成本5000元/套，使用壽命10年。以10年為計算周期，改進(jìn)前的金屬模具費用26000元/10年，改進(jìn)后的金屬模具費用5000元/10年，10年內(nèi)可節(jié)約模具費用21000元/10年·套，那么每年就可節(jié)約模具費用2100元/年/套。該鑄造企業(yè)在大批量生產(chǎn)時所需的金屬模具有100套之多，由此可見改進(jìn)后每年節(jié)約的模具費用20多萬元，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。

4 結(jié)語

金屬模具在鑄造行業(yè)中被廣泛使用，在生產(chǎn)實踐中對金屬模具進(jìn)行一些合理的改進(jìn)設(shè)計，能夠有效地提高金屬模具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低金屬模具的制造成本，對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文琳，陳忠家.轉(zhuǎn)向錘臂鍛件工藝與模具設(shè)計的改進(jìn)[J].精密成形工程，2001，19（5）：14-16.

[2]孫全喜，戰(zhàn)中學(xué)，高平，等.一種碎煤機錘環(huán)金屬模具：CN102672114A[P].2012.

（作者單位：中國兵器工業(yè)第五二研究所）