詳談：提高模具使用壽命的實用方法

作者：南嶽

隨著工業自動化程度的不斷提高,模具的應用越越廣泛。但目前在我國的許多企業中，模具的使用壽命還比較低，進相當於國外的1/3~1/5。模具壽命低、工作部分精度保持性差，不僅會影響產品質量，而且會造成模具材料、加工工時等成本的巨大浪費，大大增加產品的成本並降低生產效率，嚴重影響產品的競爭力。研究表明：模具的使用壽命與熱處理不當、選材不合適、模具結構不合理、機械加工工藝不合理、模具滑潤不好、設計水平差等諸多因素有關。

　　根據對大量失效模具的分析統計，在引起模具失效的各種因素中，熱處理不當約佔45%，選材不當、模具結構不合理約佔25%，工藝問題約佔10%;滑潤問題、設備問題等因素約佔20%。因此，在模具設計和製造過程中，選用恰當的材料，合理設計模具結構，選擇合理的熱處理工藝，妥善安排模具各零件的加工工藝路線，改善模具的工作條件都有利於提高模具的質量和使用壽命。

　　1　合理選用模具材料

　　1.1模具材料的選用

　　選用模具材料時，應根據不同的生產批量、工藝方法和加工對象進行選擇。在大批量生產中，應選用長壽命的模具材料，如硬質合金，高強韌、高耐磨模具鋼(如YG15、YG20);對小批量或新產品試製可採用鋅合金、鉍錫合金等模具材料;對於易變形、易斷裂失效的通用模具，需要選用高強度、高韌性的材料(T10A);熱鍛模則要選用具有良好的韌性、強度、耐模性和抗冷熱疲勞性能的材料(如5CrM-nMo);壓鑄模要採用熱疲勞抗力高、高溫強度高的合金鋼(如3Cr2W8V);塑料模具則應選擇易切削、組織緻密、拋光性能好的材料。此外，在設計凸模和凹模時，宜選用不同硬度或不同材料的模具相匹配，如：凸模用工具鋼(如T10A)，凹模用高碳高鉻鋼(如Cr12、Cr12MoV)，模具使用壽命可提高5~6倍。

　　1.2合理的模具結構

　　模具設計的原則是保證足夠的強度、剛度、同心度、對中性和合理的沖裁間隙，並減少應力集中，以保證由模具生產出來零件符合設計要求。因此對模具的主要工作零作(如沖模的凸、凹模，注塑模的動、定模，模鍛模的上、下模等)要求其導向精度高、同心度和中性好及沖裁的間隙合理。

　　在進行模具設計時，應著重考慮的是：

　　 ① 設計凸模時必須注意導向支撐和對中保護。特別是設計小孔凸模時採用自身導向結構，可延長模具壽命。

　　② 對夾角、窄槽等薄弱部位，為了減少應力集中，要以圓弧過渡，圓弧半徑R可取3～5mm。

　　③ 對於結構複雜的凹模採用鑲拼結構，也可減少應力集中。

　　④ 合理增大間隙，改善凸模工作部分的受力狀態，使沖裁力、卸件力和推件力下降，凸、凹模刃口磨損減少。

　　2　模具的熱處理工藝

　　從模具失效分析得知，45％的模具失效是由於熱處理不當造成的。眾所周知，磨損、粘結均發生在表面，疲勞、斷裂也往往從表面開始，因此對模具表面的加工質量要求非常高。但實際上由於加工痕迹的存在，熱處理時表面氧化脫碳也在所難免。因此，模具的表面性能反而比基體差。採用熱處理新技術是提高模具性能的經濟而有效的重要措施。模具熱處理工藝包括基體強韌化和表面強化處理。基體的強韌化在於提高基體的強度和韌度，減少斷裂和變形。表面強化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。

　　2. 1模具的整體強韌化工藝

　　模具既要具有優良的整體強韌化性能，又要具有優異的型腔表面性能，這樣才能提高模具使用壽命，為了達到這個要求，出現了在對模具整體強韌化的基礎上再進行表面強化的各種處理工藝：對普通冷作模具鋼，採用低溫淬火與低溫回火處理，可收到增加韌性、減少脆性和折斷的良好效果;對熱作模具鋼，採用高溫淬火與高溫回火處理，可顯著提高熱作模具鋼的強韌性和熱穩定性。例如，對於3Cr2W8V材料製成的壓鑄模，採用400℃～500℃及800℃～850℃的倆次預先正火而後進行高溫淬火、回火處理，可提高韌性40％，模具壽命可提高1倍。

　　除此之外，還可採用形變熱處理。變形熱處理是把鋼的強化與相變強化結合起來的一種強韌化工藝。形變熱處理的強韌化本質在於獲得細小的奧氏體晶粒、細化馬氏體增加了馬氏體中的位錯密度並形成胞狀亞結構，同時促進碳化物的彌散硬化作用。

　　2.2模具的表面強化熱處理

　　模具表面強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、點火花表面強化法、滲硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面強化法、離子注入法、等離子噴塗法等等。

　　① 氣體軟氮化：使氮在氮化溫度分解後產生活性氮原子，被金屬表面吸收滲入鋼中並且不斷自表面向內擴散，形成氮化層。模具經氮化處理後，表面硬度可達HV950～1200，使模具具有很高的紅硬度和高的疲勞強度，並提高模具表面光潔的度和抗咬合能力。

　　② 離子氮化：將待處理的模具放在真空容器中，充以一定壓力的含氮氣體(如氮或氮、氫混合氣)，然後以被處理模具作陰極，以真空容器的罩壁作陽極，在陰陽極之間加400～600伏的直流電壓，陰陽極間便產生輝光放電，容器里的氣體被電離，在空間產生大量的電子與離子。在電場的作用下，正離子沖向陰極，以很高速度轟擊模具表面，將模具加熱。離能正離子沖入模具表面，獲得電子，變成氮原子被模具表面吸收，並向內擴散形成氮化層。應用離子氮化法可提高模具的耐磨性和疲勞強度。

　　③ 點火化表面強化：這是一種直接利用電能的高能量密度對模具表面進行強化處理的工藝。它是通過火花放電的作用，把作為電極的導電材料溶滲進金屬工件表層，從而形成合金化的表面強化層，使工作表面的物理、化學性能和機械性能得到改善。例如採用WC、TiC等硬質合金電極材料強化高速鋼或合金工具鋼表面，可形成顯微硬度HV1100以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強化層，使模具的使用壽命明顯得到提高。點火花表面強化的優點是設備簡單、操作方便，處理後的模具耐磨性提高顯著;缺點是強化表面較粗糙，強化層厚度較薄，強化處理的效率低。

　　④ 滲硼：由於滲硼層具有良好的紅硬性、耐磨性，通過滲硼能顯著提高模具表面硬度(達到HV1300～2000)和耐磨性，可廣泛用於模具表面強化，尤其適用於處理在磨粒磨損條件下的模具。但滲硼層往往存著較大的脆性，這也限制了它的應用。

　　⑤ TD熱處理：在空氣爐或鹽槽中放入一個耐熱鋼製的坩堝，將硼砂放入坩堝加熱熔化至800℃～1200℃，然後加入相應的碳化物形成粉末(如鈦、鋇、鈮、鉻)，再將鋼或硬質合金工件放入坩堝中浸漬保溫1～2小時，加入元素將擴散至工件表面並與鋼中的碳發生反應形成碳化物層，所得到的碳化物層具有很高的硬度和耐磨性。

　　⑥ CVD法(化學氣相沉積)：將模具放在氫氣(或其它保護氣體)中加熱至900℃～1200℃後，以其為載氣，把低溫氣化揮發金屬的化合物氣體如四氯化鈦(TiCI4)和甲苯CH4(或其它碳氫化合物)蒸氣帶入爐中，使TiCI4中的鈦和碳氫化合物中的碳(以及鋼表面的碳分)在模具表面進行化學反應，從而生成一層所需金屬化合物塗層(如碳化鈦)。

　　⑦ PVD法(物理體相沉積)：在真空室中使強化用的金屬原子蒸發，或通過荷能粒子的轟擊，在一個電流偏壓的作用下，將其吸引並沉積到工件表面形成化層。利用PVD罰可在工件表面沉積碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等多種化合物。

　　⑧ 激光表面強化：當具有一定功率的激光束以一定的掃描速度照射到經過黑化處理的模具工作表面時，將使模具工作表面在很短時間內由於吸收激光的能量而急劇升溫。當激光束移開時，模具工作表面由基材自身傳導而迅速冷卻，從而形成具有一定性能的表面強化層，其硬度可提高15～20％，此外還具有淬火組子細小、耐磨性高、節能效果顯著以及可改善工作條件等優點。

　　⑨ 離子注入：利用小型低能離子加速器，將需要注入元素的原子，在加熱器的離子源中電離成離子，然後通過離子加熱器的高電壓電場將其加熱，成為高速離子流，再經過磁分析器提煉後，將離子束強行打入置於靶室中的模具工作表面，從而改變模具表面的顯微硬度和粗糙度，降低表面摩擦係數，最終提高工作的使用壽命。

　　3　模具的機械加工工藝

　　模具的機械加工工藝是直接影響模具使用壽命和產品質量的重要環節。由於模具零件的形狀多種多樣而且精度要求高，因此在加工過程中除了使用車床、銑床、刨床、鍤床和磨床等普通機械加工設備外，還需要應用各種先進設備，諸如點火花加工機床、點火花線切割加工機床和精密磨削機床等等。目前針對結構複雜且工藝要求特殊的模具，一種有別於傳統機械加工的新型加工方法－模具特種加工(電加工)也得到了快速發展。

　　採用這種方法，不要求工具材料比工件材料更硬，也不需要在加工過程中施加明顯的機械力，而是直接利用電能、化學能、光能和聲能對工件進行加工，以達到一定的形狀尺寸和表面粗糙度要求。加工實踐證明：採用正確的加工工藝，使高精度模具的型腔表面粗糙度改善一倍，就可使模具使用壽命提高50％。這一點對塑料模具尤為重要。

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