1 前 言
模具的工作條件是非常惡劣的,在高溫、高壓下承受劇烈的摩擦、磨損作用,根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示模具的主要失效形式有三種：
(1)摩擦、磨損失效占65%,
(2)疲勞裂紋失效占18%,
(3)塑性變形塌陷失效占15%。
失效模具的判定依據(jù)為擠出制品不能達到產(chǎn)品標準要求且無法再修復,模具使用壽命一般用有效通料量來描述。
2 模具使用壽命的影響因素
2.1 合同品種與模具設計
(1)擠壓系數(shù)與型材結構復雜程度。型材 截面積和結構復雜程度不同時模具使用壽命也不同。擠壓系數(shù)Κ一般>7,當Κ=8～40使用壽命較長,Κ>70則難以擠壓,使用壽命較短,品種的結構對模具壽命有重要影響,結構愈復雜,局部剛性不夠,產(chǎn)生流速不均,并造成局部應力集中。流速不均,容易堵模和悶車或形成扭擰波浪,故結構復雜的模具有效壽命要短些,而結構對稱、壁厚均勻、寬厚比相對較小者則壽命較長。
(2)壁厚和公差范圍。從生產(chǎn)實際情況看,型材壁厚?=1.3～1.4mm時使用壽命都較長,?≤1mm時使用壽命大幅度降低。壁厚公差范圍愈大,則使用次數(shù)愈多,使用壽命愈長;公差范圍愈小,短期內(nèi)易超過公差范圍,造成過早磨損而報廢。
(3)模具結構設計,型材的理論重心通常放在模子中心。當平面模中懸臂較大時,實際上把前支模和模子設計成整體結構,大大提高懸臂強度,降低了懸臂塑性變形和疲勞斷裂傾向,在多數(shù)廠家都有成功應用。模孔距擠壓筒邊緣太小時,擠壓筒內(nèi)壁氧化物、夾渣易進入模孔而擦傷工作帶,一般講要大于15mm。模具設計時要充分處理好應力集中 的情況,結構原因造成的應力集中部位很可能是模具冷、熱疲勞裂紋過早發(fā)生的部位。平面模尖角和分流模下模的工藝圓角R=0.3～0.5mm,分流橋斷面形狀盡量做成滴水 狀,滴水狀既可避免應力集中,又有利于金屬流動,必要時要對空刀部位尺寸進行強度校核計算,其處理也盡可能呈梯形。
2.2 模具制造
(1)模具加工工藝的選擇。
加工工藝主要 指毛坯鍛造、電加工、標準裝配、工作帶加工和熱處理。現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,鍛造的毛坯比未鍛造的壽命要提高30%。整體切割能改善工作帶的表面質(zhì)量,石墨電極比紫銅電極更能提高工作帶和空刀的精度(二者綜合,可使一次上機合格率提高20%)。用真空爐進行熱處理,硬度均勻和變形小。大多數(shù)平面模都是前支模、模子、墊子三件進行裝配,分流模本身是上下裝配的結構。模子裝配精度達不到要求,會使制品形位尺寸穩(wěn)定性差,且經(jīng)修理后又易發(fā)生變化。大多數(shù)模具都采用標準定位銷定位,以減少位置誤差,再配以緊固螺釘進行緊固定位,來解決裝配精度問題。
(2)工序質(zhì)量。
工序質(zhì)量是對設計質(zhì)量的保證,模具使用分析表明,產(chǎn)生波浪、彎曲、扭擰、擴并口等制品缺陷的60%是與工序質(zhì)量有關,應對每道工序建立工序卡片,以便進行工序質(zhì)量檢驗,盡量減少累積誤差。
2.3 擠壓工藝
(1)擠壓錠坯尺寸。在擠壓系數(shù)已定的條件下,擠壓錠坯尺寸的選擇是否合理與模具有效通料量有關。一般來講,型材生產(chǎn)是按定尺組織生產(chǎn)和銷售,應以定尺數(shù)量最多、幾何廢料最少確定錠坯尺寸。
(2)擠壓溫度。擠壓溫度由模具加熱溫度、擠壓筒定溫和錠坯加熱溫度來決定,錠坯加熱溫度過低則易悶車,而引起壓力升高,使模具局部出現(xiàn)微量塑性變形,或在應力集中部位產(chǎn)生微裂紋,錠坯加熱溫度過高會使金屬軟化,而粘附于工作帶表面甚至堵模(嚴重時模具在高壓下崩塌)。
(3)擠壓速度。
擠壓時是放熱反應,速度太快,摩擦加劇使磨損加速,也易堵模或制品表面粗糙,速度過慢使生產(chǎn)率下降,在保證質(zhì)量的前提下應盡可能提高擠壓速度。
2.4 擠壓錠坯
合金成分的控制尤為重要,以6063為例,Mg2Si是控制型材力學性能的關鍵因素,一般情況下Mg2Si含量在0.65%～0.75%就可保證,應控制好Mg∶Si,我廠根據(jù)現(xiàn)場優(yōu)化控制,取Mg∶Si=1.55～1.70。一般廠家要求鑄錠晶粒度達一級標準,以增強塑性和減少各向異性,鑄錠中若氣孔多、組織疏松,有中心裂紋時,氣體突然釋放有時會形成“放炮”現(xiàn)象,使模具局部工作帶突然減載又加載,形成巨大沖擊載荷,對模具十分有害。
氧化物夾渣處于錠坯表面時會使工作帶加劇磨損而早期失效。錠坯均勻化對提高模具壽命很有好處,在550～570℃保溫8h后強制冷卻,擠壓時突破壓力可降低10%左右,擠壓速度可提高10%～20%,但是,多數(shù)廠家目前并未進均勻化處理。
2.5 模具的管理與正確使用
(1)模具的正確使用。包括嚴格的加熱制度,正確的裝配方式和合理的擠壓根數(shù),一般模具在420～450℃下保溫2h都無問題,但若加熱時間超過8h,會使氮化層硬度降低。模具使用時必須有合適的配套措施(如模支承、模墊、支承環(huán)等)。模具一次擠壓次數(shù)的確定是為了保護模具,一般在80～150根為宜。
(2)堿洗。堿洗模具,首先為析氫反應,其次才為模具鋼的腐蝕反應,一般地講,不會發(fā)生后者的情況。不過,若NaOH濃度和溫度過高時,兩種情況都能發(fā)生,氫氣可能導致氫脆腐蝕開裂,堿洗后應將Al(OH)3清理干凈,以免熱燒結形成硬塊而影響工作帶或制品。
(3)氮化。模具氮化可使壽命提高2.5倍以上(不氮化時,壽命為2～3t
模具的工作條件是非常惡劣的,在高溫、高壓下承受劇烈的摩擦、磨損作用,根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示模具的主要失效形式有三種：
(1)摩擦、磨損失效占65%,
(2)疲勞裂紋失效占18%,
(3)塑性變形塌陷失效占15%。
失效模具的判定依據(jù)為擠出制品不能達到產(chǎn)品標準要求且無法再修復,模具使用壽命一般用有效通料量來描述。
2 模具使用壽命的影響因素
2.1 合同品種與模具設計
(1)擠壓系數(shù)與型材結構復雜程度。型材 截面積和結構復雜程度不同時模具使用壽命也不同。擠壓系數(shù)Κ一般>7,當Κ=8～40使用壽命較長,Κ>70則難以擠壓,使用壽命較短,品種的結構對模具壽命有重要影響,結構愈復雜,局部剛性不夠,產(chǎn)生流速不均,并造成局部應力集中。流速不均,容易堵模和悶車或形成扭擰波浪,故結構復雜的模具有效壽命要短些,而結構對稱、壁厚均勻、寬厚比相對較小者則壽命較長。
(2)壁厚和公差范圍。從生產(chǎn)實際情況看,型材壁厚?=1.3～1.4mm時使用壽命都較長,?≤1mm時使用壽命大幅度降低。壁厚公差范圍愈大,則使用次數(shù)愈多,使用壽命愈長;公差范圍愈小,短期內(nèi)易超過公差范圍,造成過早磨損而報廢。
(3)模具結構設計,型材的理論重心通常放在模子中心。當平面模中懸臂較大時,實際上把前支模和模子設計成整體結構,大大提高懸臂強度,降低了懸臂塑性變形和疲勞斷裂傾向,在多數(shù)廠家都有成功應用。模孔距擠壓筒邊緣太小時,擠壓筒內(nèi)壁氧化物、夾渣易進入模孔而擦傷工作帶,一般講要大于15mm。模具設計時要充分處理好應力集中 的情況,結構原因造成的應力集中部位很可能是模具冷、熱疲勞裂紋過早發(fā)生的部位。平面模尖角和分流模下模的工藝圓角R=0.3～0.5mm,分流橋斷面形狀盡量做成滴水 狀,滴水狀既可避免應力集中,又有利于金屬流動,必要時要對空刀部位尺寸進行強度校核計算,其處理也盡可能呈梯形。
2.2 模具制造
(1)模具加工工藝的選擇。
加工工藝主要 指毛坯鍛造、電加工、標準裝配、工作帶加工和熱處理。現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,鍛造的毛坯比未鍛造的壽命要提高30%。整體切割能改善工作帶的表面質(zhì)量,石墨電極比紫銅電極更能提高工作帶和空刀的精度(二者綜合,可使一次上機合格率提高20%)。用真空爐進行熱處理,硬度均勻和變形小。大多數(shù)平面模都是前支模、模子、墊子三件進行裝配,分流模本身是上下裝配的結構。模子裝配精度達不到要求,會使制品形位尺寸穩(wěn)定性差,且經(jīng)修理后又易發(fā)生變化。大多數(shù)模具都采用標準定位銷定位,以減少位置誤差,再配以緊固螺釘進行緊固定位,來解決裝配精度問題。
(2)工序質(zhì)量。
工序質(zhì)量是對設計質(zhì)量的保證,模具使用分析表明,產(chǎn)生波浪、彎曲、扭擰、擴并口等制品缺陷的60%是與工序質(zhì)量有關,應對每道工序建立工序卡片,以便進行工序質(zhì)量檢驗,盡量減少累積誤差。
2.3 擠壓工藝
(1)擠壓錠坯尺寸。在擠壓系數(shù)已定的條件下,擠壓錠坯尺寸的選擇是否合理與模具有效通料量有關。一般來講,型材生產(chǎn)是按定尺組織生產(chǎn)和銷售,應以定尺數(shù)量最多、幾何廢料最少確定錠坯尺寸。
(2)擠壓溫度。擠壓溫度由模具加熱溫度、擠壓筒定溫和錠坯加熱溫度來決定,錠坯加熱溫度過低則易悶車,而引起壓力升高,使模具局部出現(xiàn)微量塑性變形,或在應力集中部位產(chǎn)生微裂紋,錠坯加熱溫度過高會使金屬軟化,而粘附于工作帶表面甚至堵模(嚴重時模具在高壓下崩塌)。
(3)擠壓速度。
擠壓時是放熱反應,速度太快,摩擦加劇使磨損加速,也易堵模或制品表面粗糙,速度過慢使生產(chǎn)率下降,在保證質(zhì)量的前提下應盡可能提高擠壓速度。
2.4 擠壓錠坯
合金成分的控制尤為重要,以6063為例,Mg2Si是控制型材力學性能的關鍵因素,一般情況下Mg2Si含量在0.65%～0.75%就可保證,應控制好Mg∶Si,我廠根據(jù)現(xiàn)場優(yōu)化控制,取Mg∶Si=1.55～1.70。一般廠家要求鑄錠晶粒度達一級標準,以增強塑性和減少各向異性,鑄錠中若氣孔多、組織疏松,有中心裂紋時,氣體突然釋放有時會形成“放炮”現(xiàn)象,使模具局部工作帶突然減載又加載,形成巨大沖擊載荷,對模具十分有害。
氧化物夾渣處于錠坯表面時會使工作帶加劇磨損而早期失效。錠坯均勻化對提高模具壽命很有好處,在550～570℃保溫8h后強制冷卻,擠壓時突破壓力可降低10%左右,擠壓速度可提高10%～20%,但是,多數(shù)廠家目前并未進均勻化處理。
2.5 模具的管理與正確使用
(1)模具的正確使用。包括嚴格的加熱制度,正確的裝配方式和合理的擠壓根數(shù),一般模具在420～450℃下保溫2h都無問題,但若加熱時間超過8h,會使氮化層硬度降低。模具使用時必須有合適的配套措施(如模支承、模墊、支承環(huán)等)。模具一次擠壓次數(shù)的確定是為了保護模具,一般在80～150根為宜。
(2)堿洗。堿洗模具,首先為析氫反應,其次才為模具鋼的腐蝕反應,一般地講,不會發(fā)生后者的情況。不過,若NaOH濃度和溫度過高時,兩種情況都能發(fā)生,氫氣可能導致氫脆腐蝕開裂,堿洗后應將Al(OH)3清理干凈,以免熱燒結形成硬塊而影響工作帶或制品。
(3)氮化。模具氮化可使壽命提高2.5倍以上(不氮化時,壽命為2～3t
