徐勝利，王仙萌，周娟利，李春玲

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710089）

1 引言

在機(jī)械、電子、交通運(yùn)輸、家電等產(chǎn)品制造中，沖模占模具總量的65%～70%，沖模費(fèi)用占沖壓件成本的10%～25%。而降低模具費(fèi)用的有效手段是提高模具壽命。實(shí)踐表明，模具壽命提高10%，沖壓件成本下降3%～5%。因此，提高沖模壽命對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。

2 沖模失效形式分析

正常生產(chǎn)中，沖模的失效形式為磨損，而斷裂、變形和疲勞現(xiàn)象出現(xiàn)在沖模工作零件上也必然造成沖模失效。

（1）磨損失效：指模具工作零件與被沖材料之間相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生損耗過(guò)大而失效，占沖模失效90%以上。主要表現(xiàn)為凸、凹模刃口處磨損、變鈍、刃口尖角變圓、局部塌陷及產(chǎn)生凹坑等。

模具工作過(guò)程都會(huì)出現(xiàn)磨損，如圖1 所示。①初期磨損是在沖裁過(guò)程中，被沖材料與模具刃口的沖擊使刃口部位壓力過(guò)大，造成卷刃變鈍；②正常磨損是刃口磨損到一定程度后，過(guò)大的集中壓應(yīng)力逐漸減弱，刃口和材料之間以摩擦形式出現(xiàn)的磨損，此區(qū)域內(nèi)磨損較為緩慢（模具壽命區(qū)）；③過(guò)激磨損是在摩擦磨損達(dá)到疲勞極限，逐漸產(chǎn)生劇烈磨損的現(xiàn)象。在過(guò)激磨損區(qū)域，模具工作部位失穩(wěn)不能正常工作，磨損的極限即沖模壽命。生產(chǎn)實(shí)踐表明，模具磨損失效與刃口磨損、沖壓件精度、毛刺高度的關(guān)系曲線如圖2、3、4 所示。

圖1 刃口沖裁次數(shù)磨損情況

圖2 模具刃口磨損曲線

圖3 沖壓件尺寸精度曲線

（2）斷裂失效：指模具在使用中突然出現(xiàn)開(kāi)裂或破損而失效，占沖模失效5%以下。屬模具極端失效形式，易于造成安全事故。斷裂失效表現(xiàn)為刃口碎裂、蹦刃、啃剝，凸模折斷、凹模開(kāi)裂等。模具設(shè)計(jì)和制造過(guò)程強(qiáng)度和韌性不足，是造成斷裂失效的主要因素。

（3）變形失效：指模具發(fā)生永久變形，造成模具失效破壞，占沖模失效3%以下。表現(xiàn)形式為刃口壓塌、壓凹和局部壓堆，凹模微彎下凹變形，模壁壓塌、壓扁等。造成變形失效原因是模具熱處理硬度低，淬火硬度不均勻、有軟點(diǎn)，沖壓力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度等。

圖4 沖壓件毛刺高度曲線

（4）疲勞失效：指模具工作部位在交變應(yīng)力作用下，內(nèi)部微裂紋不斷生成、擴(kuò)張，造成模具工作表面不能正常工作。如在反復(fù)交變應(yīng)力作用下，模具表面的應(yīng)力集中部位，工作零件的材料缺陷、加工裂紋、表面損傷都能出現(xiàn)疲勞裂紋。實(shí)際工況中，疲勞產(chǎn)生源很多，斷口形狀與脆斷類(lèi)似，如果這些缺陷不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以解決，就會(huì)使模具出現(xiàn)疲勞失效。

3 增壽措施

3.1 合理選擇模具材料及表面強(qiáng)化技術(shù)

合理選擇沖模材料、熱處理工藝規(guī)范，是模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中極其重要的內(nèi)容，也是提高模具壽命的關(guān)鍵。優(yōu)質(zhì)模具材料必須具有高強(qiáng)度、高硬度、足夠的韌性、良好的耐磨性和抗粘著能力。在選用沖模材料時(shí)，只有根據(jù)不同的批量和生產(chǎn)方式及加工對(duì)象，才能獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)小件、小批量生產(chǎn)選用T10A、T12A；小件、大批量選用W18Cr4V、硬質(zhì)合金；截面尺寸大、形狀復(fù)雜、中大批量可選用Cr12MoV、CrWMn、Cr12 或硬質(zhì)合金鑲塊制造模具。

為了滿足沖模工作條件，延長(zhǎng)使用壽命，提出采用表面強(qiáng)化新技術(shù)，提高沖模工作面及刃口耐磨性，并使模具工作面內(nèi)部保持足夠強(qiáng)韌性。采用滲金屬或非金屬，氮化處理，使凸凹模表面化學(xué)成份發(fā)生變化，硬度提高、耐磨性增強(qiáng)，可大幅度提高沖模壽命。據(jù)學(xué)者G.Edenhofer 對(duì)W6Mo5Cr4V2 高速鋼沖孔凸凹模氮化處理經(jīng)驗(yàn)，在500℃溫度下進(jìn)行10min 輝光離子氮化處理，在3mm 厚鍍鋅鋼板上沖?3mm孔，沖模刃磨壽命超過(guò)10 萬(wàn)次。采用熱噴涂、鍍硬鉻、碳化鈦履層工藝，使凸凹模表面涂履耐磨層可有效提高沖模耐磨性。據(jù)學(xué)者J.Oldewurtel 用TiC 履層沖模經(jīng)驗(yàn)，中厚鋼板沖孔模壽命提高5～10 倍。

采用電火花強(qiáng)化技術(shù)，是通過(guò)火花放電作用，把YT15（或YT30）導(dǎo)電材料涂敷及滲透到模具零件表面，從而改變沖模工作表面物理和化學(xué)性能，模具壽命可提高3～5 倍。強(qiáng)化層在使用磨損后，還可重新進(jìn)行強(qiáng)化。

3.2 合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，沖模失效原因中，設(shè)計(jì)和加工因素占到11%～13%，模具設(shè)計(jì)應(yīng)保證足夠強(qiáng)度、剛度，保證間隙均勻，并保證精確對(duì)中。

3.2.1 沖裁間隙設(shè)計(jì)

沖裁間隙指凸、凹模刃口橫向尺寸差值。沖裁間隙不僅直接影響沖壓件質(zhì)量，也是影響沖模壽命的主要因素之一。沖裁過(guò)程中，間隙過(guò)小，加劇模具磨損，沖裁后工件因彈復(fù)而緊箍在模具上，使卸料和推件困難，造成刃口側(cè)面磨損比端面磨損大，同時(shí)摩擦使凸、凹模溫度升高，金屬碎屑易于被吸附在刃口側(cè)面形成屑瘤，使凸、凹模出現(xiàn)蹦刃或脹裂現(xiàn)象。因此，間隙過(guò)小對(duì)模具壽命不利。而間隙太大，會(huì)增加凸、凹模端面邊緣應(yīng)力集中，使壓應(yīng)力急劇增加，刃口邊很快磨損。實(shí)驗(yàn)表明，間隙在板厚2%以下時(shí)，凸模容易發(fā)生損壞，間隙在板厚6%以上時(shí)，沖壓件尺寸易超差。間隙在板厚4%～5%時(shí)，沖裁效果最佳。因此，沖模間隙必須控制在一個(gè)合適范圍內(nèi)。

根據(jù)凸、凹模磨損分析，沖壓過(guò)程中凸模越磨越小，凹模越磨越大，沖裁間隙會(huì)不斷增大，設(shè)計(jì)模具時(shí)推薦取最小合理間隙。但是，實(shí)際生產(chǎn)中，由于模具制造誤差和裝配精度限制，凸、凹模之間的間隙不可能完全均勻分布，導(dǎo)致凸、凹模局部磨損嚴(yán)重。因此，在保證沖裁件質(zhì)量前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用盡量大的間隙值，一般選用最大和最小間隙之間的某個(gè)值作為模具初始間隙值。

3.2.2 凸、凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸模強(qiáng)度和剛度會(huì)對(duì)模具壽命產(chǎn)生直接影響，細(xì)小凸模往往要通過(guò)增加保護(hù)套，縮短長(zhǎng)度來(lái)提高凸模強(qiáng)度。形狀復(fù)雜的大型凸模及局部磨損嚴(yán)重的凸模可采用鑲拼結(jié)構(gòu)提高模具壽命。沖制高強(qiáng)度、厚度大的材料時(shí)可以采用熱沖裁，以減小凸模所受沖擊力，實(shí)現(xiàn)保護(hù)凸模。對(duì)多凸模沖裁，凸模直徑相差較大，相距又很近，尺寸較小的凸模就容易受到材料的擠壓而產(chǎn)生橫向力的作用，造成失穩(wěn)或折斷，把凸模布置成階梯式，各凸模端面不在同一平面上，小直徑凸模做得短些，以增加其剛度，提高模具壽命。

凹模設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)壁厚較薄的凹模，在滿足使用要求的前提下，可通過(guò)改變沖壓件結(jié)構(gòu)來(lái)提高凹模強(qiáng)度，或用正裝式復(fù)合模代替倒裝式復(fù)合模來(lái)減小對(duì)凹模壁厚的限制。對(duì)形狀復(fù)雜、局部磨損嚴(yán)重、極容易產(chǎn)生應(yīng)力集中開(kāi)裂的凹模，可以采用鑲拼、組合式、加箍套結(jié)構(gòu)，提高模具使用壽命。

3.2.3 細(xì)長(zhǎng)凸模設(shè)計(jì)校核

沖裁過(guò)程中，在板料上沖制d≤2.5mm 圓孔，沖孔面積F≤5mm2非圓孔稱為沖小孔；當(dāng)沖孔直徑小于或等于料厚即d≤t 時(shí)稱為沖深孔；當(dāng)沖制孔距精度高于IT8 級(jí)，允差≤±0.01mm 時(shí)稱高精度沖孔。無(wú)論沖制何孔，沖模結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)都十分重要。通常對(duì)細(xì)長(zhǎng)凸模設(shè)計(jì)加固結(jié)構(gòu)并采用高精度彈壓卸料板導(dǎo)向模架。為合理選用模具材料，確定適宜的凸模長(zhǎng)度，進(jìn)行抗壓和抗彎強(qiáng)度校核是十分必要的。

由幾何學(xué)定理知：沖裁周長(zhǎng)相等的孔型中，圓孔面積最大，故沖圓孔時(shí)凸、凹模受的平均壓應(yīng)力最?。慌c圓孔面積相等的非圓孔，其沖裁周長(zhǎng)都比圓孔大，沖模承受的沖裁力就大。最大沖裁力計(jì)算公式為：

式中，料厚t 已定，材料抗拉強(qiáng)度σb是常數(shù)，沖裁周長(zhǎng)L 隨沖孔形狀及大小而變化，沖圓孔時(shí)L=πd，則

可見(jiàn)Pmax是沖孔直徑d 的一次方函數(shù)。

由沖裁凸模承載壓應(yīng)力校核公式

有

式中：F——沖孔凸模斷面積，mm2。

從式（3）、（4）、（5）可知，選用許用應(yīng)力[σ]大的材料凸模直徑d 可取小。而最大沖裁力Pmax是凸模最小直徑d 的二次方函數(shù)。

沖孔凸模許用最大自由長(zhǎng)度Lmax是按照沖模結(jié)構(gòu)類(lèi)型及凸模承載受力狀況確定的，依據(jù)材料力學(xué)中壓桿穩(wěn)定公式

式中：E——材料彈性模量，常數(shù)；

J——凸模截面最小慣性矩，圓形凸模J=πd4/64。

由式（6）可知，圓凸模臨界壓力Pk是沖孔直徑d的四次方函數(shù)。當(dāng)軸向載荷P＞Pk臨界壓力時(shí)，σ＞σp（比例極限）會(huì)使壓桿產(chǎn)生縱向彎曲變形而折斷，而模具材料比例極限σp僅為抗拉強(qiáng)度σb的60%左右。分析可知，沖孔凸模產(chǎn)生縱向彎曲的臨界壓力Pk比沖孔實(shí)際沖裁力Pmax要小得多。而從式（6）可知Pk值又與凸模長(zhǎng)度L 的平方成反比。綜上所述，沖孔凸模長(zhǎng)徑比越大，越細(xì)長(zhǎng)，越易縱彎失穩(wěn)而折斷。為防止沖孔凸?？v彎折斷，可根據(jù)沖孔凸模形狀尺寸、孔的數(shù)量和分布等，對(duì)沖小孔、深孔和高精度孔設(shè)計(jì)不同的凸模加固裝置，以改變凸模受力狀態(tài)，增強(qiáng)其抗縱彎能力，提高模具壽命。

3.3 模具安裝、調(diào)試和保養(yǎng)

模具安裝、調(diào)試和使用保養(yǎng)，直接關(guān)系到模具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量，為保證沖壓生產(chǎn)正常進(jìn)行，提高模具壽命和沖件質(zhì)量，必須正確安裝、使用和維護(hù)模具。

沖模裝配要保證上、下模刃口間隙均勻，各零件配合符合設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)向精確。模具閉合和開(kāi)啟狀態(tài)位置正確。保證凸模刃口進(jìn)入凹模深度控制在合理范圍內(nèi)，減少模具磨損。

沖模在正常使用過(guò)程中，要定期或不定期維護(hù)保養(yǎng)，保持模具工作面清潔和潤(rùn)滑好，及時(shí)更換易損件和修磨刃口塌陷，保證模具使用精度和延長(zhǎng)使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

提高沖模使用壽命是一個(gè)復(fù)雜的綜合問(wèn)題，是模具設(shè)計(jì)制造、使用過(guò)程中考慮的主要因素，也是模具行業(yè)的一個(gè)難題。本文從分析沖模失效形式入手，探討模具材料、設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和保養(yǎng)過(guò)程中延長(zhǎng)沖模壽命的方法，供生產(chǎn)實(shí)踐參考借鑒。

[1]王德文，主編.提高模具壽命應(yīng)用技術(shù)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]馮軍偉，等.影響擠壓模具壽命的因素分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（3）：64-66.

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