工模具使用壽命的影響因素

工模具使用壽命的影響因素

1工模具設計與制作的重要性在現代的大生產中，工具和工具對實現整體壓力過程非常重要。模具使用壽命是評價某一擠壓方法或擠壓工藝經濟可行的決定因素之一,工模具的設計與制造質量是實現擠壓生產高產、優(yōu)質、低耗、高效低成本的關鍵技術與重要保證之一。具體來說,其重要地位和作用表現在以下幾方面。(1)合理的工模具結構是實現任何一種擠壓工藝過程的基礎,因為它是使金屬產生擠壓變形和傳遞擠壓力的關鍵部件。(2)模具是保證產品成形,具有正確形狀、尺寸和精度的基本工具。(3)模具是保證產品內外表面質量最重要的因素之一。(4)合理的工模具結構、形狀和尺寸,在一定程度上可控制產品的力學性能和內部組織,特別是在控制空心制品的焊縫組織和力學性能方面,分流孔的大小、數量和形狀以及分布位置,焊合腔的形狀和尺寸,模芯的結構等起著決定性的作用。擠壓墊片、擠壓筒和模子的結構形狀與尺寸及表面質量,對控制產品的粗晶環(huán)和縮尾、成層等缺陷也有一定的作用。(5)工模具的結構形狀與尺寸對金屬的流變、擠壓溫度-速度場、應力-應變場等有很大影響,從而對提高生產效率、產品質量和減少能耗有重大作用。(6)合理的工模具設計對提高其裝卸與更換速度,減少輔助時間,改善勞動條件和保證生產安全等方面意義重大。(7)新型的模具結構,對于開發(fā)新產品、新工藝,研制新材料和新設備,不斷提高擠壓技術起著很大的作用。如扁擠壓筒、舌型模、組合模、多層預緊應力模、變斷面模等。(8)高比壓優(yōu)質圓擠壓筒和扁擠壓筒及特種型材模和異形管材模的設計與制造技術是鋁合金擠壓生產的核心和關鍵技術,其技術含量在整個擠壓技術中占有很大的比例。(9)對于中等批量的擠壓產品,工模具的成本占總制造成本的30%左右。如將其使用壽命提高5~10倍,則產品的成本可大幅度下降。2鋁合金擠壓工模具技術的工作崗位及作用模具技術歷來不是一門獨立的學科,而是一門多學科的綜合性邊緣科學,特別是鋁及鋁合金熱擠壓工模具技術更是如此,它涉及的面很廣,需要解決的矛盾很多,產品的質量要求非常嚴格,采用的技術手段十分復雜,是一個復雜的系統(tǒng)工程。一個真正有作為的鋁合金擠壓工模具工作者,不僅要有深厚的數學—力學功底和物理化學知識,豐富的機械制圖,機械設計與機械加工制造經驗,而且要精通金屬學及熱處理,有色壓力加工工藝特別是擠壓成型的金屬流變,應力-應變場,溫度-速度場的規(guī)律,同時還要熟悉電子計算機技術,熟練掌握CAD/CAM/CAE系統(tǒng),具有豐富的現代化管理理論與實踐等。因此,每一個鋁擠壓工模具工作者都要在各自的工作崗位上為發(fā)展與改善擠壓工模具技術作出貢獻。概況起來,鋁合金擠壓工模具技術主要包括以下8個方面。(1)擠壓工模具的材料的成分、組織、性能與使用條件及選擇應用原則與研制開發(fā)趨向;(2)工模具的結構方案確定,技術要素設計與尺寸計算及強度校核;(3)工模具的加工工藝路線確定及各工序的參數設計與設備選擇;(4)工模具熱處理與表面處理工藝制定與操作技巧;(5)工模具的質量檢測、組裝與使用;(6)工模具的試模、清洗、修正與氮化技術;(7)工模具的失效與壽命分析;(8)工模具的科學管理。3鋁合金擠壓材的特性隨著國民經濟的高速發(fā)展,科技的進步,鋁合金擠壓工業(yè)獲得了空前發(fā)展。2008年鋁加工材產量達到1427萬噸,超過美國居世界第一。鋁合金擠壓材產量達766萬t/a,成為世界最大的擠壓材生產國,其中,鋁合金擠壓型材逾680萬t/a,每年需耗模100萬套/a以上,不僅數量增加,品種也大大增多。特別是隨著鋁合金擠壓材向大型化、復雜化、精密化、多規(guī)格、多用途方面發(fā)展,對擠壓工模具提出了越來越高的要求。不僅出現了像平面分流組合模、寬展模、保護模、變斷面模等多種新型結構的模具,成功地研制出多種σ4分析和創(chuàng)新亮點：125鋁合金薄板工藝的設計與制造水平的分析4.1國內外工模具技術創(chuàng)新的現狀為了提高工模具壽命,發(fā)展擠壓技術,各個國家對工模具的設計、制造、使用和維修等方面都開展了廣泛的研究,并取得了可喜的進展。CAD/CAM技術已進入實用階段,而且開發(fā)出了各種實用軟件。下表列出了國內外鋁擠壓工模具設計制造的發(fā)展水平和主要差距。由上表可知,鋁擠壓工模具已成為一門先進的內涵豐富的學科,在理論上和技術上獲得了重大的進展,國內外的工模具技術發(fā)展很快,并顯示出了很大的創(chuàng)新亮點。國內近年來進展也很快,但與國際先進水平仍有較大的差距,主要表現有3點:(1)工模具材料的品種、質量和使用壽命大大落后于國際先進水平,與此相關的熱處理和表面處理技術也有較大的差距,致使國內模具的使用壽命僅為國際先進水平的1/3左右。(2)設計理論、方法和結構選擇等方面,大大落后于國際先進水平。國外在熱模擬技術、虛擬設計及軟件開發(fā)等方面有了許多創(chuàng)新的亮點,基本上實現零試?；蚩纱蟠鬁p少試模次數,而國內尚未建立完整的、大型的數據庫和專家?guī)?軟件開發(fā)剛剛起步,差距較大。(3)在模具結構創(chuàng)新和精密現代化加工方面有較大差距。國外已開創(chuàng)出多種新的先進的結構模具,加工精度達到了很高水平,復雜的多孔、多腔空心型材模和微型多孔超精密復雜模等已能大批量生產,產品質量十分穩(wěn)定,我國在這方面還處于起步階段。4.2cad/最佳技術方面的應用工模具的設計一般包括設計理論和設計方法的選擇,結構的設計計算,尺寸的確定,強度的校核和模具材料的選擇以及經濟技術指標的評價等。模子、穿孔針、擠壓墊片、擠壓筒內襯等直接參入金屬變形的工具,其設計不同于一般的機械零件設計,而是介于機械加工與壓力加工之間的的一種工藝性設計。除了要考慮機械設計要遵循的原則以外,尚需擠壓條件下各種工藝因素,因此,模具設計遠比其它工具的設計要復雜,要設計出合理而經濟的擠壓工具和模具是一件十分困難的工作。在擠壓技術發(fā)展的初期,一般根據機械設計的原理,用普通的古典強度理論結合設計者的實踐經驗來設計棒材、管材和普通實心型材模子。隨著彈性理論和擠壓基礎理論的發(fā)展,許多新的理論與實踐方法已用于擠壓工模具的設計和計算。如工程計算法、金屬流動的坐標網絡法、光彈光塑法、密柵紋云法、滑移線法、上限理論等廣泛用來確定工模具的結構、工藝要素和強度校核。近年來,有限元法以及計算機虛擬設計和熱擠壓模擬法等發(fā)展很快,并取得了良好效果。隨著電子計算機技術的發(fā)展,擠壓工模具的電子計算機輔助設計(CAD)技術已進入實用階段,使擠壓工模具的設計進入了一個嶄新的時代。目前,在工業(yè)發(fā)達國家,擠壓工模具設計不再是單個的憑經驗的手工操作了,而變成一個連續(xù)的電子計算機自動控制的優(yōu)化設計過程了。我國對鋁合金擠壓工模具的CAD/CAM技術方面應用軟件采用模塊化結構,具有圖形輸入,二維變換對模具進行優(yōu)化設計,型材截面幾何性質計算,分流孔個數、形狀、尺寸及布置的設計,分流橋、模芯及焊合腔的尺寸確定,模具強度校核,剖面圖和上下模視圖的繪制,圖形剪裁,模墊設計等功能模塊。能完成平面模和組合模設計的全過程,顯著提高了復雜模具的設計效率和質量,操作簡單,運行可靠,達到了國外同類系統(tǒng)的先進水平。開發(fā)了鋁型材導流模設計方法,搞清了型材擠壓過程的金屬流動規(guī)律和導流?？刂平饘倭魉俚臋C制,建立了導流模?？捉Y構尺寸設計的數字模型和完成了三維剛粘塑性有限元模擬鋁型材擠壓過程的試驗研究。經工廠生產考核,證明所開發(fā)的導流模設計方法正確可靠,對提高模具設計一次成功率,提高型材質量和模具使用壽命具有積極作用,有明顯的經濟效益。此外,所開發(fā)的CAD軟件還包括模具溫度場計算,熱疲勞和應力分布的分析功能。CAD系統(tǒng)根據CAD得到的圖形,自動生成模孔腔線切割紙帶輸出,在屏幕上進行模擬加工,效驗所生成的程序,實現計算機設計—編程—加工一體化,可完成從型材圖紙輸入到模具設計圖紙及?？讛悼鼐€切割紙帶輸入的全過程,實現了鋁合金具有模子CAD/CAM一體化。用本系統(tǒng)設計制造的擠壓模具質量達到國外同類系統(tǒng)的水平,幾年來,CAD/CAM/CAE一體化系統(tǒng)也取得了進展。目前興順模具廠和華南理工大學以及國內其它單位正在進行分流組合模的虛擬設計與熱模擬擠壓試驗,以求減少試模次數,逐漸實現零試模。(2)與32m8鋼相結合的新型模具材料為了提高模具的使用壽命,世界各國對模具材料進行了廣泛的研究。目前鋁合金擠壓模大都采用熱加工模具鋼。熱加工模具鋼應滿足多種性能要求,其中最重要的是熱強性、熱穩(wěn)定性、熱疲勞強度和耐磨性,此外還要求有足夠的韌性和良好的表面處理性能。最常用的是含碳量為0.3%~0.4%的亞共析奧氏體合金鋼。原蘇聯在1932年研制成功的3×2B8ф鋼是出現最早、用得最廣泛的鋼種,美、英、德、日本及我國均有相應的牌號。但3×2B8ф鋼有疲勞強度底、塑性韌性差、鎢含量高、價格昂貴等缺點。因此,隨著冶金技術和擠壓技術的發(fā)展,相繼有20多種新鋼種出現,其中綜合性能好,有取代3×2B8ф鋼趨勢的鋼種有:美國的H13、日本的SDK61-62、俄國的4×2B5фМ、4X4HМBф以及我國的4Cr5MoSiV1、4Cr5MoVSi、5CrNiMoVSi、5Cr4WMo2V等。近年來,原蘇聯采用27×2H2МфC鋼制造內經為ф800~1100mm、單位壓力為450~600MPa的大型擠壓筒獲得了成功。此外,Fe-Ni-Cu高溫合金、Mo合金,氧化鋯陶瓷、硬質合金,粉末燒結耐熱鋼等模具材料的研制成功,可使工模具使用壽命大為提高。近年來我國開發(fā)的SRm-1高溫高強熱擠壓工模具鋼,其高溫強度比H13鋼可提高一倍,有望替代H13成為新一代擠壓工模具材料。在研制新型模具材料的同時,在改進原材料質量,改善鋼材的熔煉、鑄造、鍛造、加工、熱處理工藝等方面也達到了很高的水平。如高純材料的采用,電弧二次重熔或電渣熔煉,澆包精煉法的應用,等溫鍛造,預處理,可控氣氛熱處理和真空熱處理,流態(tài)粒子熱處理等新技術的廣泛應用都大大改善了模具質量,提高了模具使用壽命。(3)數控連續(xù)軸車機加工過程目前,世界各國普遍采用機械加工-電火花線切割聯合加工法制模。近年來,由于大力發(fā)展數控、數顯、計算機控制技術,使模具加工設備的CNC水平不斷提高并逐漸普及。同時研制出了各種高速、高效、精密的制模設備和裝置,如高速鋸、陽極切割、激光切割、激光打孔、高速磨床、高強力磨床、數控連續(xù)坐標磨床,CNC低速走絲精密線切割、數控電火花、高精度坐標電火花、精密小型電解磨削和電解成型、精密雙孔鏜、三坐標測量機和各種數控銑床、加工中心自動線、柔性制造系統(tǒng)等復合加工裝置以及擠壓珩磨、超聲拋光、電解拋光、機電拋光、液態(tài)噴射拋光、光學拋光、復合拋光等先進拋光裝置。并把擠壓模具的電子計算機輔助設計和輔助制造與輔助工程(CAD/CAM/CAE)緊密結合,大大提高了制模的技術水平。新的制模方法(Hobson制模法等)和新型的制模加工工藝,提高了制模生產效率和模具質量,提高模具使用壽命和產品質量,降低材料消耗和能耗,大大降低制模成本。同時各國也出現了各種新的修模方法、修模工具和裝置、并把修模和表面氮化處理有機的結合起來,形成一個良性循環(huán),從而提高了模具使用壽命。(4)不滲模模的處理近年來,世界各國把模具的表面處理技術作為提高模具使用壽命的關鍵技術進行研究、開發(fā)與推廣應用,根據模具材料的種類、?？仔螤钆c寬窄開發(fā)了多種表面處理新方法新工藝,主要是:(1)離子硫、碳、氮三元共滲工藝。適合于處理?？状笥?mm的模子,通過控制共滲氣氛和工藝參數可獲得組織良好、層深適度、熱疲勞和熱磨損性能好、自潤滑性能良好的共滲層。(2)離子復合處理工藝。適合于處理0.7mm以上窄縫窄槽的薄壁型材模子,效果良好。(3)氣體氮化處理工藝。對壁厚1.0mm以上的模具進行處理,可提高模子的耐磨性和型材表面質量,該工藝容易操作,效果良好,鋁合金擠壓廠家大多采用這種方法。(4)氣體軟氮化處理工藝。是一種低溫碳—氮共滲方法,可提高模子的抗咬合性、抗磨損性能,而不受?？讓捳蛷碗s性的影響。(5)低溫電滲硼化處理工藝。可適用于0.68mm以上的窄縫,而且不受復雜性的影響,由于滲硼層硬度高達HV15GPa以上,具有極高的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗粘鋁的能力,使得模具使用壽命大幅度提高,擠壓型材表面質量優(yōu)于其它方法處理的質量。(6)PVD-TIN涂層工藝。PVD涂層不僅可使表面硬度提高5?6倍,且使力學性能保持原型基底材料的高水平,較氮化處理的強度高20%,塑性高70%?80%,涂層均勻、可靠、無公害,涂層表面硬度達HV35GPa,耐磨性提高了150倍。5模具技術的開發(fā)和研究隨著科學技術的進步和國民經濟的高速發(fā)展以及人民生活水準的提高,對各類產品的需求量越來越大。各式各樣的新產品也層出不窮,因此要求以最快的速度生產出更好的各類模具。為了適應這種形式的發(fā)展,世界各國從人力、物力和財力方面進行了不懈的努力,成立模具學院和研究結構。許多學者、專家和工程技術人員進行了大量的開發(fā)和研究工作,并取得了可喜的進展。鋁擠壓工模具生產技術向以下幾個方面發(fā)展。5.1高精度模具需求模具量將繼續(xù)增長,尤其是機械、動力能源、電子電器、日用五金、民用建筑、交通運輸等工業(yè)部門的鋁合金擠壓材用模量將大大增加,電子計算機、宇航、通訊等尖端產品所需高精度模具也越來越多。隨著產品的大型化、復雜化,大型復雜模具的用量也會不斷增多,據初步估計,近幾年鋁合金擠壓材各種模具用量每年平均將以8%左右的速度增長。到2010年我國鋁擠壓材生產耗模量將超過100萬套/a。5.2陶瓷模具材料的研究除了繼續(xù)以合金成分配制,熔煉鑄造、開坯改鍛、預先處理、熱處理和表面處理等方面改進現有的H系列和其它系列合金鋼的質量以外,采用粉末冶金工藝制作的粉末高速鋼、陶瓷材料以及復合材料可用作高級模具材料。粉末高合金鋼既解決了原來鋼種在熔煉過程產生一次碳化物粗大和偏析而影響材質的問題,而且由于碳化物細化,組織均勻,材料無異向性,因此具有韌性高,耐磨性好,長時間使用尺寸穩(wěn)定等特點,是一種很有發(fā)展前途的模具材料。用這種方法制得的陶瓷模具材料,雖然韌性較低,但其耐熱性與耐磨性極好,價格也比較便宜,是一種制作模芯、拉伸模、芯頭等的好材料。在提高模具材料質量方面,先進的熱處理和表面處理技術起著重大的作用,各國已經應用或正在廣泛研究的模具熱處理方法有:雙重熱處理工藝,強韌化處理,等溫淬火,多級淬火,多極回火,真空熱處理,可控氣氛熱處理,特種鹽浴熱處理,懸浮體淬火以及優(yōu)質預處理和穩(wěn)定化處理等;表面處理技術有:離子氮化,氣體軟氮化,氣體氮化,多元復合共滲處理,低溫硼處理,PVD、CVD技術以及各種表面沉積處理和表面化學處理等。這些技術的發(fā)展正方興未艾,預計將獲得進一步的發(fā)展,對提高模具的質量,特別是模具使用壽命作出重大貢獻。5.3新型模具設計為了提高產品的尺寸精度,形位精度,開發(fā)形狀異常復雜的產品,進一步提高模具的使用壽命,世界各國正在尋求新結構的模具設計。各種標新立異的模具新結構,如新型的組合模、鑲嵌模、復合模、預應力模,多型多孔模等將出現新的突破。5.4加大軟件開發(fā)技術的應用隨著電子計算機技術的發(fā)展,計算機已應用到模具生產的各國領域,其中包括模具的設計、制造、檢測、使用、維修和管理等方面,據初步測算,工業(yè)發(fā)達國家已100%的模具由計算機自動繪圖和由CNC機床自動加工制造,作為設計與與制造之間聯系紐帶的圖紙已失去主要作用。CAD/CAM/CAE技術的發(fā)展,使軟件技術在模具設計和制造中的地位越來越高。二維模具的CAD系統(tǒng)已有一定的模具設計軟件和單元圖形軟件,但有待進一步完善。三維模具的CAD系統(tǒng),由于設計軟件難度大,三維單元圖形軟件也比較復雜,尚不能滿足實際設計技術要求。因此,進一步發(fā)展軟件,提高設計自動化程度仍是今后的主攻方向。CAM用于二維模具模具的加工,已有較完善的編程系統(tǒng)可供利用,而對于三維自由曲面的編程尚不完善,在許多場合下,CAM的編程還要制作工件的模型。因此應繼續(xù)研究、開發(fā)不需制作模型、包含自由曲面的模具CAD/CAM/CAE系統(tǒng)。應進一步研究基礎軟件和應用軟件,通過模擬擠壓、虛擬設計各種復雜組合模在擠壓過程中的應力-應變場,溫度場和金屬流變場的真實情況,以提高模具的設計質量和使用壽命,逐漸實現零試模。在此之前,應建立大型數據庫和專家?guī)旒坝行У能浖到y(tǒng)。5.5工技術的特點模具復合加工就是將機械加工-電加工(電化學)-超聲波等技術綜合在一起進行加工。這種復合加工技術兼有兩種或兩種以上工藝的特點,可取得比單一工藝更好的效果。例如,電加工后凃復TIC和WC,可強化模具的工作表面;電加工加超聲波振動,可提高工作效率;電加工后進行研磨拋光,可消除硬化層,提高表面光潔度,模具復合加工技術有廣闊的發(fā)展前景,是今后的主攻課題之一。5.6設計制造模具由于各種數控和計算機控制機床的迅速發(fā)展,模具在制造上出現了自動加工系統(tǒng),如日本三菱公司建立了計算機設計NC帶-加工中心-真空熱處理-成型磨床-電加工-坐標磨床-裝配試模的自動加工系統(tǒng),大大縮短了制造周期,減少了制造誤差,提高了模具質量,為模具的設計制造過程全線自動化打下了基礎,特別在大擠壓上生產多腔、多孔復雜型材創(chuàng)造了條件。5.7維板片加工和激光熱處理近年來,激光加工技術發(fā)展很快。在模具加工技術上主要用來切割樣板和打孔,可望用二維的板片加工代替三維的空間曲面加工,簡化模具加工工藝。此外,用激光熱處理可強化模具表面,提高模具表面硬度及耐磨性。激光技術在模具上應用剛剛開始,可望獲得重大突破。5.8研磨拋光技術的發(fā)展方向目前模具的研磨拋光工序大部分仍靠手工作業(yè),這不僅花費工時,勞動條件也很惡劣,特別是對一些復雜的空間曲面,手工拋光不能達到良好的效果。因此,模具表面的粗糙度不能大幅度降低。近年來,國外相繼出現了自動拋光機、帶電子計算機的數控研磨機、擠壓珩磨機及自動噴丸機、機械-超聲波二合一拋光機、機械-電化學-超聲波三合一拋光機等自動研磨拋光設備,使模具的研磨拋光技術向自動化方向邁出了一大步。借助于電子計算機的帶有磨損補償送進裝置的數控研磨機可實現三維曲面模具表面的自動研磨拋光工作,這不僅節(jié)省了工時,減少了勞動量,改善了勞動條件,而且大大降低了模具表面粗糙度和改善了表面狀態(tài),為了消除研磨表面產生的磨痕,可采用彈性模具或帶狀、線狀的模具磨削曲面,以