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冷沖模具使用壽命的影響及對策
沖壓模具概述
沖壓模具--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。
沖壓模具的形式很多，一般可按以下幾個主要特征分類：
１．根據(jù)工藝性質(zhì)分類
?。?）沖裁模 沿封閉或敞開的輪廓線使材料產(chǎn)生分離的模具。如落料模、沖孔模、切斷模、切口模、切邊模、剖切模等。
（2）彎曲模 使板料毛坯或其他坯料沿著直線（彎曲線）產(chǎn)生彎曲變形，從而獲得一定角度和形狀的工件的模具。
（3）拉深模 是把板料毛坯制成開口空心件，或使空心件進(jìn)一步改變形狀和尺寸的模具。
?。?）成形模 是將毛坯或半成品工件按圖凸、凹模的形狀直接復(fù)制成形，而材料本身僅產(chǎn)生局部塑性變形的模具。如脹形模、縮口模、擴(kuò)口模、起伏成形模、翻邊模、整形模等。
２．根據(jù)工序組合程度分類
（1）單工序模 在壓力機(jī)的一次行程中，只完成一道沖壓工序的模具。
（2）復(fù)合模 只有一個工位，在壓力機(jī)的一次行程中，在同一工位上同時完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。
（3）級進(jìn)模（也稱連續(xù)模） 在毛坯的送進(jìn)方向上，具有兩個或更多的工位，在壓力機(jī)的一次行程中，在不同的工位上逐次完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。
沖冷沖模全稱為冷沖壓模具。
冷沖壓模具是一種應(yīng)用于模具行業(yè)冷沖壓模具及其配件所需高性能結(jié)構(gòu)陶瓷材料的制備方法，高性能陶瓷模具及其配件材料由氧化鋯、氧化釔粉中加鋁、鐠元素構(gòu)成，制備工藝是將氧化鋯溶液、氧化釔溶液、氧化鐠溶液、氧化鋁溶液按一定比例混合配成母液，滴入碳酸氫銨，采用共沉淀方法合成模具及其配件陶瓷材料所需的原材料，反應(yīng)生成的沉淀經(jīng)濾水、干燥，煅燒得到高性能陶瓷模具及其配件材料超微粉，再經(jīng)過成型、燒結(jié)、精加工，便得到高性能陶瓷模具及其配件材料。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明制成的冷沖壓模具及其配件使用壽命長，在沖壓過程中未出現(xiàn)模具及其配件與沖壓件產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，沖壓件表面光滑、無毛刺，完全可以替代傳統(tǒng)高速鋼、鎢鋼材料。
冷沖模具主要零件
冷沖模具是沖壓加工的主要工藝裝備，沖壓制件就是靠上、下模具的相對運動來完成的。加工時由于上、下模具之間不斷地分合，如果操作工人的手指不斷進(jìn)入或停留在模具閉合區(qū)，便會對其人身安全帶來嚴(yán)重威脅。
（一）模具的主要零件、作用及安全要求
1．工作零件凸凹模是直接使坯料成形的工作零件，因此，它是模具上的關(guān)鍵零件。凸凹模不但精密而且復(fù)雜，它應(yīng)滿足如下要求：
（1）應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，不能在沖壓過程中斷裂或破壞．
?。?）對其材料及熱處理應(yīng)有適當(dāng)要求，防止硬度太高而脆裂。
2．定位零件定位零件是確定坯件安裝位置的零件，有定位銷（板）、擋料銷（板）、導(dǎo)正銷、導(dǎo)料板、定距側(cè)刀、側(cè)壓器等。設(shè)計定位零件時應(yīng)考慮操作方便，不應(yīng)有過定位，位置要便于觀察，最好采用前推定位、外廓定位和導(dǎo)正銷定位等。
3．壓料、卸料及出料零件壓料零件有壓邊圈、壓料板等。
壓邊圈可對拉延坯料加壓邊力，從而防止坯料在切向壓力的作用下拱起而形成皺褶。壓料板的作用是防止坯料移動和彈跳。頂出器、卸料板的作用是便于出件和清理廢料。它們由彈簧、橡膠和設(shè)備上的氣墊推桿支撐，可上下運動，頂出件設(shè)計時應(yīng)具有足夠的頂出力，運動要有限位。卸料板應(yīng)盡量縮小閉合區(qū)域或在操作位置上銑出空手槽。暴露的卸料板的四周應(yīng)設(shè)有防護(hù)板，防止手指伸入或異物進(jìn)入，外露表面棱角應(yīng)倒鈍。
4．導(dǎo)向零件導(dǎo)柱和導(dǎo)套是應(yīng)用最廣泛的一種導(dǎo)向零件。其作用是保證凸凹模在沖壓工作時有精確的配合間隙。因此，導(dǎo)柱、導(dǎo)套的間隙應(yīng)小于沖裁間隙。導(dǎo)柱設(shè)在下模座，要保證在沖程下死點時，導(dǎo)柱的上端面在上模板頂面以上最少5至10毫米。導(dǎo)柱應(yīng)安排在遠(yuǎn)離模塊和壓料板的部位，使操作者的手臂不用越過導(dǎo)柱送取料。
5．支承及夾持零件它包括上下模板、模柄、凸凹模固定板、墊板、限位器等。
上下模板是冷沖模具的基礎(chǔ)零件，其他各種零件都分別安裝固定在上面。模板的平面尺寸，尤其是前后方向應(yīng)與制件相適應(yīng)，過大或過小均不利于操作。
有些模具（落料、沖孔類模具）為了出件方便，需在模架下設(shè)墊板。這時墊板最好與模板之間用螺釘連接在一起，兩墊板的厚度應(yīng)絕對相等。墊板的間距以能出件為準(zhǔn)，不要太大，以免模板斷裂。
6．緊固零件它包括螺釘、螺母、彈簧、柱銷、墊圈等，一般都采用標(biāo)準(zhǔn)件。冷沖模具的標(biāo)準(zhǔn)件用量較多，設(shè)計選用時應(yīng)保證緊固和彈性頂出的需要，避免緊固件暴露在表面操作位置上，防止碰傷人手和妨礙操作。
冷沖模具的發(fā)展
改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市場對冷沖模具的需求量不斷增長。近年來，冷沖模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展，冷沖模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化，除了國有專業(yè)模具廠外，集體、合資、獨資和私營也得到了快速發(fā)展。
隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經(jīng)越來越認(rèn)識到產(chǎn)品質(zhì)量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。而冷沖模具制造是整個鏈條中最基礎(chǔ)的要素之一，冷沖模具制造技術(shù)現(xiàn)已成為衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志，并在很大程度上決定企業(yè)的生存空間。
近年許多冷沖模具企業(yè)加大了用于技術(shù)進(jìn)步的投資力度，將技術(shù)進(jìn)步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力。一些國內(nèi)模具企業(yè)已普及了二維CAD，并陸續(xù)開始使用UG、Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等國際通用軟件，個別廠家還引進(jìn)了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應(yīng)用于沖壓模的設(shè)計中。
以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術(shù)已取得很大進(jìn)步，東風(fēng)汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機(jī)構(gòu)和大專院校開展模具技術(shù)的研究和開發(fā)。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計制造周期等方面做出了貢獻(xiàn)。
雖然中國冷沖模具工業(yè)在過去十多年中取得了令人矚目的發(fā)展，但許多方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有較大的差距。例如，精密加工設(shè)備在冷沖模具加工設(shè)備中的比重比較低；CAD/CAE/CAM技術(shù)的普及率不高；許多先進(jìn)的模具技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛等等，致使相當(dāng)一部分大型、精密、復(fù)雜和長壽命冷沖模具依賴進(jìn)口。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)日益復(fù)雜與多樣化,產(chǎn)品性能和質(zhì)量也在不斷提高,因而對冷沖壓技術(shù)提出了更高的要求.為了使冷沖壓技術(shù)能適應(yīng)各工業(yè)部門的需要,冷沖壓技術(shù)自身也在不斷革新和發(fā)展.冷沖壓技術(shù)的發(fā)展思路就是盡可能地完善和擴(kuò)充冷沖壓工藝的優(yōu)點,克服其缺點.在冷沖壓技術(shù)的發(fā)展過程中,應(yīng)注意以下幾方面：
(1)冷沖壓技術(shù)的發(fā)展過程中應(yīng)正確地確定工藝參數(shù)及冷沖模具工作部分的形狀與尺寸,提高沖壓件的質(zhì)量、縮短新產(chǎn)品試制周期,應(yīng)在加強(qiáng)沖壓成形理論研究的基礎(chǔ)上,使沖壓成形理論達(dá)到能對生產(chǎn)實際起指導(dǎo)作用,逐步建立起一套密切結(jié)合生產(chǎn)實際的先進(jìn)的工藝分析計算方法.國外已開始采用彈塑性有限元法對汽車覆蓋零件的成形過程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析和計算機(jī)模擬,以預(yù)測某一工藝方案對零件成形的可能性和可能出現(xiàn)的問題。
(2)加快產(chǎn)品更新?lián)Q代,克服模具設(shè)計周期長的缺點.應(yīng)大力開展模具計算機(jī)輔助設(shè)計和制造(CAD/CAM)技術(shù)的研究.在我國,目前要特別注意加強(qiáng)多工位級進(jìn)模CAD/CAM技術(shù)的研究。
(3)滿足大量生產(chǎn)需要以及減輕勞動強(qiáng)度.應(yīng)加強(qiáng)冷沖壓生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化研究,使一般中、小件能在高速壓力機(jī)上采用多工位級進(jìn)模生產(chǎn),達(dá)到生產(chǎn)高度自動化,進(jìn)一步提高沖壓的生產(chǎn)率。
(4)擴(kuò)大冷沖壓生產(chǎn)的運用范圍.使冷沖壓既適合大量生產(chǎn),也適合小批量生產(chǎn);既能生產(chǎn)一般精度的產(chǎn)品,也能生產(chǎn)精密零件.應(yīng)注意開發(fā)如精密沖裁(特別是厚料精沖)、高能成形、軟模成形、施壓和超塑性加工等新成形工藝,還要推廣簡易模(軟模和低熔點合金模)、通用組合模、數(shù)控沖床等設(shè)備的運用。
此外,對沖壓板料性能的改進(jìn),模具新材料、模具新加工方法的開發(fā)也應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。
冷沖模具使用壽命的影響及對策
冷沖模具的使用壽命是以沖制出的工件數(shù)量來計算的。影響冷沖模壽命的因素很多。主要有模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造模具所用凸模和凹模的材料、模具的熱處理質(zhì)量與表面強(qiáng)化、沖模零件的制造精度和冷沖壓材料的選取。除此之外，還有沖模的安裝、調(diào)整、使用以及維修等。
1．模具設(shè)計對壽命的影響
(1)排樣設(shè)計的影響排樣方法與搭邊值對模具壽命的影響很大，過小的搭邊值，往往是造成模具急劇磨損和凸、凹?？袀闹匾颉墓?jié)約材料出發(fā)，搭邊值愈小愈好，但搭邊值小于一定數(shù)值后，對模具壽命和剪切表面質(zhì)量不利。在沖裁中有可能被拉人模具問隙中，使零件產(chǎn)生毛刺，甚至損壞模具刃口，降低模具壽命。因此，在考慮提高材料利用率的同時，必須根據(jù)零件產(chǎn)量、質(zhì)量和壽命，確定排樣方法和搭邊值。
(2)凹模結(jié)構(gòu)的影響對容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而開裂的凹模結(jié)構(gòu)，可以采用組合結(jié)構(gòu)或鑲拼結(jié)構(gòu)，以及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，從而提高模具使用壽命。
(3)間隙的影響當(dāng)間隙過小時，壓縮擠壓利害，摩擦力增大，磨損增大，側(cè)面的磨損加劇，沖裁后卸料和推件時，材料與凸、凹模之間的摩擦還將造成刃口側(cè)面的磨損比端面的磨大大，同時也容易造成凸、凹模溫度很高，把金屬碎屑吸附在刃口側(cè)面，形成金屬瘤，使凸、凹模出現(xiàn)崩刃或脹裂現(xiàn)象。因此，過小的間隙對模具壽命極為不利。間隙太大，會增加凸模與凹模端面邊緣的集中應(yīng)力，致使壓應(yīng)力急劇增加，于是刃口邊很快屈服變形而失去棱角。因此又增加了沖裁力，進(jìn)而使刃口邊更快磨損，降低模具壽命。但為了減小凸、凹模的磨損，延長模具使用壽命，在保證沖裁件質(zhì)量的前提下，設(shè)計時適當(dāng)采用較大間隙是十分必要的。
(4)模具導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對壽命的影響可靠的導(dǎo)向?qū)τ跍p小工作零件的磨損，避免凸、凹模啃傷是非常有效的。特別對無問隙或小問隙沖裁模、復(fù)合模和多工位級進(jìn)模更為重要。為提高模具壽命，必須根據(jù)工序和零件精度要求，正確選擇導(dǎo)向形式和導(dǎo)向精度，所選擇導(dǎo)向精度應(yīng)高于凸、凹模的配合精度。
(5)冷沖壓材料選取的影響冷沖壓材料應(yīng)滿足制件的設(shè)計要求和沖壓工藝要求，否則容易損傷模具，降低模具使用壽命。冷沖壓材料表面質(zhì)量不好，沖壓時制件易破裂，也易擦傷模具。冷沖壓材料塑性不好，變形量小，沖壓時制件易破裂，也易擦傷模具。另外，材料的厚度公差應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。因為一副沖模適用于一定材料的厚度，成形、彎曲、翻邊、引伸模具的凸、凹模結(jié)構(gòu)間隙是直接根據(jù)材料厚度來確定的。所以材料厚度不均勻，會導(dǎo)致廢品產(chǎn)生和模具損壞。
2．模具材料對模具壽命的影響
模具材料對模具壽命的影響是模具材料性質(zhì)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、硬度和冶金質(zhì)量等的綜合反映。其中，材料性質(zhì)和熱處理質(zhì)量影響最為明顯。模具材料性質(zhì)對模具壽命的影響是很大的。如將同一種工件，使用不同的模具材料做彎曲試驗，試驗結(jié)果：用9Mn2V材料，其壽命為5萬次；用Crl2MoV滲氮，其壽命可達(dá)40萬次。因此，在選用材料時，應(yīng)根據(jù)制件的批量大小，合理選用模具材料。模具工作零件的硬度對模具壽命的影響也很大。但并不是硬度愈高、模具壽命愈長。這是因為硬度與強(qiáng)度、韌性及耐磨性等有密切的關(guān)系。有的沖模要求硬度高，壽命長。如采用T10鋼制造沖模，硬度為54～58HRC，只沖幾千次，制件毛刺就很大。如果將硬度提高到60～64HRC，則刃磨壽命可達(dá)2～3萬次。但如果繼續(xù)提高硬度，則會出現(xiàn)早期斷裂。有的沖模硬度不宜過高，如采用Crl2MoV制造凹模硬度為58～62HRC時，一般壽命為2—3萬件，失效形式是崩刃和開裂以及如果將硬度降到54～58HRC，壽命提高到5～6萬件，但硬度降低到50～53HRC會出現(xiàn)凹模刃口易磨鈍現(xiàn)象。由此可見，模具硬度必須根據(jù)材料性質(zhì)和失效形式而定。應(yīng)使硬度、強(qiáng)度、韌性及耐磨性、耐疲勞強(qiáng)度等達(dá)到特定沖壓工序所需要的最佳配合。
3．模具的熱處理質(zhì)量與表面強(qiáng)化對壽命的影響
模具的熱處理質(zhì)量對模具的性質(zhì)與使用壽命影響很大。實踐證明，模具工作零件的淬火變形與開裂，使用過程中早期斷裂，雖然與材料的冶金質(zhì)量、鍛造質(zhì)量、模具結(jié)構(gòu)及加工有關(guān)，但與模具的熱處理關(guān)系更大。根據(jù)模具失效原因的分析統(tǒng)計，熱處理不當(dāng)引起的失效占50％ 以上。實踐證明，高級的模具材料必須配以正確的熱處理工藝，才能真正發(fā)揮材料的潛力。模具工作零件表面強(qiáng)化處理的目的，是獲得外硬內(nèi)韌的效果，從而得到硬度、耐磨性、韌性、耐疲勞強(qiáng)度的良好配合。模具表面強(qiáng)化處理方法很多，表面處理的新技術(shù)工藝發(fā)展很快。除氮碳共滲和離子氮化、滲硼、滲鈮、滲釩、表面鍍硬鉻和電火花強(qiáng)化外，化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)已逐步采用。經(jīng)CVD和PVD處理后，模具表面覆蓋一層超硬物質(zhì)，如TiC、TiN等。硬度極高、耐磨性、耐蝕性、抗黏合性很好，可提高模具壽命幾倍到幾十倍。
4．沖模零件的制造精度對模具壽命的影響
沖模制造的精度與使用壽命關(guān)系很大，特別是模具表面粗糙度對模具影響很大。如用Crl2MoV鋼制造落料模，如果表面粗糙度值R =1．6 m時，其壽命為3萬件左右。如經(jīng)精拋光，表面粗糙度值R =0．4 m，壽命可提高到4—5萬件。因此，對模具工作零件表面，一般都要經(jīng)過磨削、研磨、拋光等精加工和精細(xì)加工。
5．其他方面對模具壽命的影響
(1)壓力機(jī)的精度不高，也易使沖模損壞。
(2)沖模在壓力機(jī)上安裝的正確與否及操作者的技術(shù)水平高低，對模具壽命也有很大影響。
(3)沖模的保管和維護(hù)好壞，以及使用潤滑劑的情況，也影響模具使用壽命。
6．結(jié)語
在實際生產(chǎn)中，對于薄板沖模使用，很少出現(xiàn)非正常磨損的情況。但對于厚板沖模時則發(fā)現(xiàn)易出現(xiàn)非正常磨損，我們總是針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究總結(jié)。因為一副冷沖模，從設(shè)計、加工制造、裝配、調(diào)試到安裝、使用，都耗費了眾多工時，同時沖模的凸、凹模使用的材料，大都是優(yōu)質(zhì)合金鋼。因此，沖模的成本都是比較高的。所以在生產(chǎn)中了解影響沖模壽命的因素及采取相應(yīng)的對策來指導(dǎo)生產(chǎn)，具有重大的現(xiàn)實意義。