浅谈热锻模具失效的预防

肖德恒　曹磊

【摘 要】本文针对锻模的几种主要失效形式，从模具材料、模具设计、模具制造和模具使用等几个方面提出了相应的预防措施，以改善模具制造质量和提高模具的使用寿命。

【关键词】模具；失效；预防措施

0.引言

模锻是实现模锻工艺的重要手段，在锻造生产中占有十分重要的地位。其中模具的费用占模锻生产成本的比例达到15%～20%，因此模具的使用寿命一直受到锻造行业的高度重视。针对模具失效报废的各种原因，提前采取相应的预防措施，可以有效的延长模具的使用寿命，从而降低生产成本，提高经济效益。

1.热锻模具失效的几种形式

热锻模具的失效是指模具出现了不能通过修复手段来恢复其使用功能的损伤，也就是通常我们所说的模具损坏或报废。锻模失效的主要形式包括：磨损、塑性变形、热疲劳裂纹、断裂。

1.1磨损

磨损是模具在使用过程中，模膛表面与金属坯料接触产生相对运动，模膛表面金属逐渐被磨蚀的现象。一般表现为刃口钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕等。

1.2塑性变形

塑性变形是指模膛与金属坯料接触时，某些部位因温度急剧升高而软化或模膛本身强度不足，在较高的应力作用下模具的几何形状或尺寸发生了改变，如模膛塌陷、扩展、凸台和棱角倒塌以及凸模出现镦粗、纵向弯曲等。

1.3热疲劳裂纹

热疲劳裂纹是指模膛表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定的循环次数，导致表面产生的许多细小裂纹。

1.4断裂

断裂指模具受到冲击载荷时，当产生的内应力超过材料的强度极限时，从应力集中处发生开裂。断裂一般分为脆性断裂和疲劳断裂。

2.热锻模具失效的预防措施

2.1模具材料方面

模具材料，是构成模具的基础，对模具的寿命有着最直接的影响。因此，模具设计的首要任务是正确选用并合理使用模具材料，以保证模具的正常使用寿命。模具选材一般需要满足三个条件：满足耐磨性，强韧性等工作需求，满足工艺要求，满足经济适用性。热作模具钢除应具有高的强度，硬度，耐磨性和冲击韧性外，还应具有良好的高温强度，热疲劳性能和淬透性。

2.2模具设计方面

模具设计因素主要包括模块尺寸、分模面、拔模斜度、圆角半径、飞边槽等。

模块尺寸根据模膛尺寸而定，模块要有足够的壁厚以保证强度和吸收冲击能量；模块厚度根据模膛深度而定，厚度可取高一些以便于模具受损后进行修复。

分模面一般应与锻件的最大轮库相重合，较深的模槽在上模内，这有利于坯料定位和氧化皮的清除，上下模的寿命趋于相同，有利于提高锻模寿命。

拔模斜度选择要适当，拔模斜度小，底部圆角处应力增大，出模困难，锻件在模膛内停留时间较长会使模具过热，容易引起锻模塌陷及开裂；拔模斜度过大，不利于金属流动，锻件加工余量增大，造成浪费。

模膛棱角处一般磨损比较严重，设计时适当增大过渡圆角半径R，可有效降低棱角处的磨损，在不影响切边的情况下，分模面处圆角半径可适当取大些，有利于提高模具寿命。

飞边槽的形式和尺寸对模具寿命有着直接影响，飞边太厚，浪费原材料，飞边太薄，则会加重锻模的负载，增加打击次数，使模具寿命降低，如何正确选择还需我们不断在生产实践中去验证。

2.3模具制造方面

一般锻模制造工艺流程为：下料、锻造—球化退火处理—机械加工—淬火、回火处理—精加工—表面处理。

没有进行进一步锻造的模具原材料，其内部组织中碳化物沿晶界呈网状分布，如果直接制成模具，使用过程中裂纹容易沿晶界萌生并扩张，使模具的承载能力降低，最终导致模具的早期断裂失效。通过锻造和球化退火处理后的模具毛坯，其内部碳化物得到细化，且呈均匀弥散分布，内部组织得到改善，可避免后续淬火热处理产生局部应力集中导致的开裂。

模具的模膛要有较高的光洁度，尤其是圆角等应力集中处更要光洁、平滑，不可以有加工刀痕、磨痕，更不能有棱或沟。模膛表面进行抛光，提高模膛的表面光洁度，可以有效将低模膛表面的磨损。但是模膛表面进行磨削加工时，如果磨削速度过大，砂轮粒度过细或冷却条件差，会导致磨削表面过热引起表面软化，硬度降低，反而容易磨损。所以加工时应采用切削力强的粗砂轮或粘结性差的砂轮，减少进给量，选用合适的冷却剂，这样可有效避免模膛表面软化。

模具经电火花加工后容易在表面形成凝固层和热影响层，降低模具表面的硬度，抗疲劳能力下降。因此热处理后一般最好不再进行电火花加工，以避免电火花加工对模具表面损伤而影响模具寿命。

锻模的热处理是非常重要的一道工序。热处理加热温度的高低、保温时间的长短、冷却速度的快慢和炉内气氛等工艺参数的选择不当，都会造成模具淬火开裂或早期失效。模具在热处理过程中应保证加热均匀，冷却均匀，并应防止模具表面产生氧化和脱碳，淬火后应及时、充分回火，以提高模具硬度的均匀性，从而获得良好的耐磨性和较高的疲劳抗性能。

模具淬火、回火后进行抛光处理，可消除模具加工产生的表面缺陷；采用离子氮化可提高模具抗疲劳性能和耐磨性。

2.4模具使用方面

锻模的使用要配有吨位合适的设备。设备吨位过小，影响锻件成型质量；吨位过大，则容易打击过重造成锻模开裂甚至破碎。锻模的安装也很是非常重要的，模具安装必须牢固、可靠和位置精确。模具的温度在200摄氏度以下时，冲击韧性差，易发生断裂。因此模具使用前要进行预热，特别是冬季，使用前更要进行充分预热。

毛坯温度过低或由于加热不均匀而使局部温度过低时，金属的变形抗力高，单位压力大，摩擦力大，磨损严重。氧化皮对磨损影响也很大，最好进行无氧化加热或少氧化加热，锻造过程中产生的氧化皮可用高压气体吹出模膛。连续生产时应该对模具进行冷却，以防锻模温度过高，但为了防止热裂纹的产生，应避免急热或急冷。使用润滑剂，可有效防止模具的磨损，减轻变形力及冷却模具。锤上锻造时，打击次数不能过多，尽可能以高的速度，少的打击次数成形。

模具使用后对出现的损伤及应时进行修复，模膛的轻微损伤如：刮痕、微裂纹、轻微变形等可通过机加工或喷砂研磨去除，对于较严重的裂纹或磨损可以选择堆焊修复的方法。

3.结束语

引起锻模失效的原因很复杂，而且各种原因相互影响，需要我们对各种失效原因进行更加科学和深入的研究，认真学习国内外同行业的先进技术，研发新材料、优化模具设计、采用更先进的制造方法和生产工艺，才能更有效的预防模具的失效，提高模具的使用寿命。

【参考文献】

[1]曾珊琪，丁毅.模具寿命与失效.北京：化学工业出版社，2005.