冷冲压模具选材制造与寿命

冷冲压模具.选材.制造.与寿命一、前言：过去由于被加工材料的单一化和冲床加工速度的放慢，大多数的模具失效现象不经常出现。近来生产技术已有了显著地提高，为了改进产品精度及生产效率，人们对机器设备和工厂设置已越来越注重。并对降低生产成本和提高利润非常强调。用高速冲床迅速将不易加工材料即时制成零件的现象已很普遍。模具设计、模具制作方法、模具材料及被加工材料是增进生产效率和减少生产成本的重大因素。为获得最佳生产效率，同时掌握模具材料选择和模具制造方面知识也是必不可少的。二、冲压模具要求：模具寿命受许多因素影响，这些因素如下；１、模具设计：●尺寸●镶块●厚度●复杂性２、模具材料●硬度●碳化物数量／大小／硬度●淬透性３、热处理：●预热●温度／时间●淬火介质●零下处理●表面处理４、模具制作：●机械加工●线割加工●研磨加工●抛光、补焊二、冲压模具要求：模具寿命受许多因素影响，这些因素如下；５、被加工材料：●种类●硬度●硬质颗粒●延展性●厚度●表面镀膜６、生产状态：●模具间隙●润滑作用●设备稳定性●冲压速度７、模具维修：●再研磨●清理●抛光●补焊●应力回火三、材料失效原理从许多不同模具用途中，检验大批模具材料的失效结果显示，在冷作模具使用过程中会遇到５个主要的失效结果：2.爆模3.朔性变形三、材料失效原理从许多不同模具用途中，检验大批模具材料的失效结果显示，在冷作模具使用过程中会遇到５个主要的失效结果：4.破裂/整体破裂5.粘着被加工材料模具运动方向切削颗粒磨损四、失效机理与工具钢性能的关系：１、磨粒磨损：当被加工材料很硬以及／或者其中含有很硬的氧化物或碳化物颗粒时，这类磨损现象非常明显。这些硬质颗粒擦伤模具表面模具钢抵抗磨粒磨损所需具备的主要性能是：●高硬度●大量的碳化物●碳化物的硬度很高●大的碳化物颗粒２、粘著磨损：引起粘著磨损的原因是模具表面与被加工材料间的局部点焊现象（如图）模具与被加工材料间的相对运动将引起微点焊的再次撕开以及模具表面出现小碎片的脱落。像这样的持续，模具材料的损失最终导致了模具的明显磨损。被撕落的模具表面碎片也会粘著在被加工材料，同样会造成模具表面的磨粒磨损。(不锈钢材料生产加挥发油）３、崩角崩角大部分是在模具早期使用时发生的现象。是低周期疲劳机理中的一种。在模具工作表面首先出现一些小裂纹，随着裂纹的逐渐长大最终导致材料成片崩出。４、塑性变形：●当工具钢所受应力超过其屈服强度时会发生塑性变形。塑性变形会对模具工作面引起损害或使其形状发生变化。高硬度是工具钢抗塑性变形的一种主要性能。５、破裂：破裂是一种自发的失效机理，其通常会导致模具的更换，裂纹不稳定的扩展起这类失效的原因。裂纹的产生都是由于应力集中所造成。便如：研磨刮痕，机械加工痕迹或者是设计上的尖角或倒角。（制造实际要求）另外，在模具表面的电火花白层也是引起破裂的一个常见原因：工具钢抵抗破裂所需具备的性能是：●低的硬度●高的显微组织韧性注意：降低硬度对工具钢在抵抗其它失效机理方面会产生不利影响，因此采用低硬度不是一个好的方法，更好的方法是钢材具备优良显微组织韧性。五、工具钢的主要性能：因为各种钢种的材料都具有不同性能，所以每种工具钢对于各类失效机理的抗力也随不同的钢种，而发生变化，工具钢的性能在相当大程度上取决于化学成份及其生产方法。1.美国/日本/一胜百/冷作常用工具钢化学元素成份表：钢种化学成份AISIJISASSABCSiMnCrMoWV01SKS3DF-2DF30.950.31.10.6—0.60.1A2SKD12XW-101.00.30.65.31.1—0.2D2SKD11XW-41XW-421.550.30.411.80.8—0.8D6XW-52.050.30.812.7—1.3—M3:2ASP231.270.50.34.25.06.43.1特殊VANADIS-102.951.00.58.01.5—9.8M2SKH51KN-20.88－—4.25.06.41.92、工具钢抵抗失效机理的特性比较：钢种磨粒贴著磨损崩角/断裂塑性变形01SKS3DF-2DF3A2SKD12XW-10D2SKD11XW-41XW-42D6XW-5M3:2ASP23特殊VANADIS-10（条柱长，抵抗性越好）六、工具钢的选择：在实际用途中工具钢是一根据模具主要失效机理进行选择的。选择工具钢仅仅拥有钢材性能方面的知识是远远不够的。还必需考虑生产零件的数量。被加工材料的类型，厚度及其硬度等因素。选择工具钢的一种基本方法是先把除磨损外的其他，失效机理全部排除，然后选择具备最适合耐磨损性的工具钢，以满足产品生产量的要求。下面一引起简装的例子显示如何有步骤的选择工具钢。1、磨损类型的判定：必须认真考虑下列被加工材料的特性，并以此确定何种主要磨损磨粒，粘著或混合）将会发生：●被加工材料类型●被加工材料硬度●被加工材料中是否有硬颗粒存在这是非常基本的步骤，因为通过这样才能确定工具钢应该具备何种抗磨损能力。2、崩角或塑性变形的发生下列条项将说明工具钢发生崩角和/或塑性变形的危险程度，也就是说材料是否需要高的韧性和/或高的硬度：●工具用途类型●被加工材料的厚度和硬度●生产零件的几何复杂程度/模具设计制造需有这方面经验。3、破裂的风险下列条项将说明工具钢出现破裂的风险程度，也就是说用户是否应该选用高韧性工具钢和/或中等硬度水平的工具钢。●模具应用类型●生产零件的几何形状●模具设计和模具尺寸●被加工材料的厚度和硬度4、生产零件的数量高生产数量有时需要不只一副模具才能满足产量需求，因此需要高寿命的工具钢，以达到模具的整体经济效益，另外，低产量要求的模具可使用低合金工具钢。5、工具钢的选择利用表2中的内容，选择工具钢，具备克服主要失效机理合适性能。工具钢选择的步骤请参考下列应用实例：●已热处理过（45HRC）薄（0.5mm）钢带的冲压(1)磨粒磨损将成为主要的磨损机理(2)对于形状简单的零件而言，工具产生崩角或破裂的危险很小，随着零件形状的越来越复杂，其危险性也相应增大。(3)如果模具硬度足够高，产生塑性变形的危险是很小的。当零件形状简单且生产数量不大时，对于中等尺寸的模具而言DF-2，DF-3钢足以胜任。但对于大尺寸模具而言，由于淬透性的原因就需要选用高合金钢材，在这里CALMAX钢将是一个良好的选择。当零件形状相对简单，而模具要求寿命长及抗磨粒磨损时，选XW-41，XW-42是一个好的选择。而当零件形状复杂时，则由于破裂危险的增高，ASP23是很好的选择。若模具寿命要求很长则必须具备极高的抗磨粒磨损能力，在此就该选择VANADIS-10（无论零件形状简单或复杂均可胜任）。●软的（150HV）奥氏体不锈钢厚板（5mm）的冲压(1)粘著磨损是主要磨损机理(2)存在明显的破裂或崩角风险(3)模具存在一定的塑性变形危险，对此可通过提高工具钢硬度和韧性来克服对于无论零件形状如何，但模具寿命要求短的问题，CALMAX是一个完美的选择。对于无论零件形状如何，但寿命要求较长或很长的情况，VANADIS是一个明智的选择。6、根据产品批量选择工具钢有关模具工作寿命，中，长的定义是靠经验的。通常情况下，低寿命定义为100，000件以下产量，中寿命为100，000至1，000，000件产量，长寿命为1，000，000件以上产量。然而，这种定义法并未考虑到被加工材料的厚度和硬度因素，而这两种因素又会对模具的磨损，崩角或破裂产生影响。为弥补这些不足，新的工作寿命定义如下所述：短工作寿命：一副低合金制造的模具，就能生产所需的产品数量。中工作寿命：一副由中等寿命制造的模具，就能生产所需的数量。长工作寿命：必须使用不止一副模具，才能满足产量的要求，这时就必须使用高寿命工具钢。ASSAB冷作工具钢按短，中，长工作寿命分成三组：短工作寿命钢：CARMO/CALMAX，DF-2，DF-3中工作寿命钢：CALMAX，XW-10，XW-41，XW-42;SKD11长工作寿命钢：VANDIS4，ASP-23，XW-5，VANADIS10七、模具制作工具钢能在维修最少，故障率最少的情况下获得优质的产品，这并不仅仅是选择正确模具钢，正确的模具制作也是极其重要的。如果在这方面不能做好，那么在模具生产过程中将会发生许多问题。正如前面章节中提到：失效机理会由于不合适的模具制作而增多，不正确的模具制作会导致工具使用寿命严重降低。1、基本的工具设计：无用多言，模具必须适当设计才能胜任将来的工作。当然，如果模具由于被加工材料很厚且很硬而处于严重负载状态，那么即使考虑模具设计和被加工材料厚度也可能无济于事。下列有关模具设计方面的基本建议其作用在于避免工具在热处理或使用中的早期失效。●足够的总体尺寸以确保基本的模具强度和支撑●避免尖角，尽可能用圆角替代。●应避免在模具设计中邻近区域厚薄相差悬殊。●避免由于压制，粗加工或切削刀痕等潜在因素造成的应力增加。●在孔洞与模具表面之间保留充足的厚度。●对于形状复杂的模具通常最好采用拼块组合，由此可以减少热处理风险并且易于矫正和替换。2、脱碳层：在模具钢棒的生产过程中，要阻止表层不被脱碳和氧化是不可能的。钢棒的脱碳程度取决于钢材的成份，同时也取决于加热方法。有时钢棒上并没有完全被脱碳的表层，但却有可能在表面的某一区域出现含碳量低于平均水平的情况。在钢棒制成模具之前，去除表面脱碳层是很重要的。如果不进行这道工序，将发生下列情况：●模具可能在热处理（淬火）或生产过程中破裂●模具工作面会发生塑性变形●模具耐磨性下降由于电火花的关系，钢材表面脱碳层的去除也很重要。那些在淬火过程中由于存在脱碳层而导致破裂的现象已众所周知。具体的脱碳层去除量视钢材尺寸和形状而定，各种组织如AISI等，均对此提供也各自的标准。3、研磨使用正确的研磨技术对于模具制作和模具性能均有积极的作用。在研磨过程中由于高温，摩擦力和压力互相结合而在模具表面产生和应力可用下列方法控制至最小值：●使用经适当削锐的砂轮●限定砂轮压力/金属磨削率或砂轮进刀深度。●足够的冷却剂高合金工具钢经低温回火后对研磨操作特别每感。在此要求特别小心对待。通常使用的经验法则是：硬的钢材配软的砂轮。反之亦然。不好的研磨情况，将对工具钢产生如下影响：●表面硬度下降（回火烧焦）这会引起工具钢耐磨性的下降●研磨表面再硬化，这会导致研磨裂纹和模具出现砂裂及崩角现象●在模具中产生严重的内应力，这会增加模具失效风险在粗研磨后再进行一次精研磨去除应力影响层是很重要的。另外，研磨应力也可以采用低于回火温度约25℃（50℉）应力回火来去除。必须注意：当工具钢在热处理过程中过热，过长时间保温或回火不充分，将使研磨表面出现破裂的危险性大大增加。这是因为工具钢显微组织中存在残留奥氏体,在研磨过程中产生的热和压力通常将这些残留奥氏体转变成未回火马氏体,导致工具钢表面硬且脆,容易发生破裂现象。模具工作面上的研磨利痕会在其使用中导致下列情况：●研磨利痕会使模具内应力上升并导致崩角，剥落，甚至破裂。●研磨利痕，尤其当它垂直于金属轧制方向时会引起粘著现象。如果模具工作面的研磨或研光（磨石）能沿著其工作或轧制方向，那么模具寿命将会显著改善。在模具表面进行精研磨或重新研磨时，产生的薄边应轻柔地用手工磨光操作来小心地清除它，只有这样才能降低模具使用起始阶段切削刃部产生崩角或剥落的可能性。这对于高硬度模具用于切削薄片材料时尤其重要。ASP和VANADIS粉末治金钢，因其具有极细小碳化物颗粒所以比同等高合金钢具有更好的研磨性。4、热处理：模具热处理的目的是为了获得合适的机械性能，如硬度、韧性和强度等。与热处理有关的主要问题有：●变形●尺寸变化●脱碳●渗碳●碳化物晶界析出（先共析碳化物）5、变形：在热处理过程中产生模具变形的原因是：●机械加工应力●热应力●组织转变应力为降低机械加工应力，模具在粗加工后应做