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影響鋁擠壓模具壽命的因素探討

發布時間:2012/3/9 9:47:45  打印本頁 || 關閉窗口

影響鋁擠壓模具壽命的因素探討

1、前言
  延長擠壓模具的使用壽命一直是鋁加工企業十分關注的問題,
模具壽命的長短直接影響到企業的生產效率及產品成本,采取哪些得力措施來延長模具的使用壽命,不少企業都有自己的獨到之處。為了更好地改善鋁擠壓模具的質量和提高其使用壽命,本文從模具的材質選擇、模具的優化設計、熱處理工藝的選擇與模具的科學使用四個方面作了剖析,并有針對性地提出切實可行的對策。

  2、影響因素分析

  2.1 模具材料性能的影響

  擠壓模具是在高溫高壓下作業,并承受周期載荷的作用,因此對模具鋼的性能要求相當高,一般制造模具的材料應具有熱穩定性、熱疲勞性、熱耐磨性和足夠的韌性。前些年國內常采用3Cr2W8V鋼制造模具,但它的韌性低,抗疲勞強度不好,即使采用高溫淬火等工藝處理措施亦不能滿足要求,模具的早期失效十分嚴重,近年來已被優質模具鋼4Cr5MoSiV1(H13鋼,其化學成分見表1)所取代,與3Cr2W8V鋼相比,4Cr5MoSiV1鋼具有兩個突出特點:一是有良好的高溫綜合性能和較高的熱疲勞抗力;.二是組織中含有較多的Cr、Mo元素,氮化處理時能生成豐富穩定的氮化物并彌散分布。所以,就延長模具的使用壽命而言,選用H13鋼加工模具還是比較合適的。統計數字表明:用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同種模具,前者的使用壽命是后者的3~5倍。

  


                                                                    表1 4Cr5MoSiV1的化學成分
  2.2
模具設計方案的影響

  模具設計的合理得當,是延長其使用壽命的重要環節。擠壓鋁型材一般存在斷面不對稱和壁厚不相等現象,在設計模具時應給予重視,既要考慮模孔位置的排列,又要結合具體情況,通過改變模孔工作帶的高度來改善金屬的流動性。下面就模具設計存在的一般問題略作分析:

  (1)對于壁厚不相等的型材,采用不等長工作帶的方法設計。見圖1的丁字型材,通常依據經驗公式h1/h2=b1/b2來確定工作帶的高度。

  式中 h1、h2----表示截面處的相應工作帶高度;

  b1、b2----表示截面處的相應型材厚度。

  因為這樣設計更能保證金屬流動的均勻性。

  


  圖1 壁厚不相等的丁字型材
  (2)適當調整過渡圓角的半徑和工作帶長度,以避免應力集中現象。見圖1,A處過渡圓角流動阻力較大,金屬不易充滿,此處工作帶的設計應稍小于正常值,而B處過渡圓角的流動阻力就較小,金屬易充滿,對應的工作帶長度應略大于正常值。

  (3)模孔尺寸的確定應綜合考慮型材性質和模具材料的收縮率,對于6063鋁合金與常用模具鋼4Cr5MoSiV1,設計時模孔的收縮率應取1.01%-1.09%(可根據模孔尺寸的大小適當選取)。

  (4)根據延伸系數確定模孔數目。模孔數目直接影響到延伸系數的大小,擠壓比過大會使擠壓力超過正常值而損壞模具,過小則會使擠壓制品的機械性能下降,一般擠壓系數(延伸系數)宜在10-50之間。

  (5)合理布置模孔位置。在設計時不宜將模孔布置得過于靠近邊緣,否則將會降低模具強度,導致死區金屬參與流動而影響制品表面質量。擠壓三角型材時,圖2的模孔布置就比較適宜。

  


  圖2 角型材模孔布置

2.3 熱處理工藝的影響

  要延長模具的使用壽命,熱處理工藝的恰當與否甚為重要,影響熱處理質量的主要因素有加熱速度、淬火溫度、淬火速度和回火溫度等。經過分析與實踐,下列熱處理工藝適合一般企業,能滿足4Cr5MoSiV1鋼在高溫下的機械性能要求(見圖3)。

  


                                                      圖3   4Cr5MoSiV1鋼的熱處理工藝示意圖
  (1)預熱:溫度為600-630℃,保溫時間為1.5-2.Oh(視模具大小而定),然后升溫到830~850℃,保溫1.5-2.Oh。此工藝過程為淬火前的預處理,它能合理調整工件內部的微觀缺陷,為淬火準備必要的條件。

  (2)淬火:在預處理的基礎上,把加熱溫度升高到1040-1080℃,保溫2-2.5h出爐油淬,待工件溫度降到130℃左右時從油中取出空冷。

  (3)回火:淬火后的模具內部有較大的內應力,必須在1~2h內對工件進行回火,以消除淬火時產生的應力。為了避免工件開裂,回火前也應加熱均勻,具體方法為:把工件加熱到380-400℃保溫1小時左右再緩慢升溫到580-600℃進行一次回火,保溫時間為2.Oh,然后出爐空冷至常溫后進行二次回火,回火溫度為560-580℃,保溫時間為2h,隨后出爐空冷。

  針對上述熱處理工藝,需要補充說明的是:由于4Cr5MoSiVI(H13)鋼對淬火溫度很敏感(見圖4),且在高溫下的淬火性能優良,所以應對其實行高溫淬火。

  


                                                                         圖4 淬火溫度與疲勞強度的關系
  2.4 模具使用機制的影響

  要延長模具的壽命,科學地使用模具也是不容忽視的一個方面。由于模具的工作環境極為惡劣(高溫高壓),生產中要采取一定的措施來確保它的組織性能。以下列出要注意的三個重要方面:

  (1)采用適宜的擠壓速度。在擠壓過程中,當擠壓速度過快時,會造成金屬流動不均勻、模具溫度較高等現象,如果此時金屬變形產生的余熱不能及時帶走,模具就可能因局部過熱而失效,當擠壓速度較適宜時,就避免了上述不良后果的發生,擠壓速度一般控制在25mm/s以下。

  (2)采用低一高一低的使用強度。模具剛進入服役期時,組織性能還處在浮動階段,此時應采用低強度的作業方案,使模具向平穩期過渡;模具使用中期,可適當提高使用強度,因為此時模具的綜合性能處在****狀態;到模具的使用后期,其內部組織已部分惡化,熱疲勞強度也較低,應適當降低模具的使用強度,以免使用中出現模具變形、裂紋等缺陷。

  (3)使用前期對模具進行反復氮化處理。滲氮處理能使模具在保持足夠韌性的情況下大大提高其表面硬度,以減少模具使用時的熱磨損,但表面氮化并不是一次性就能完成的,在模具服役期間,應對之進行3-4次反復滲氮處理,一般要使氮化層厚度達到0.15-0.20mm。

  3、結束語

  擠壓模具的使用壽命是一個綜合性的技術問題,以上介紹的四個方面只是其中的部分,要全面理解模具使用壽命的含義,在模具的加工制造中選擇****工藝和模具使用后的及時修正,對延長模具的壽命也至關重要。

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