文/吳傲宗，陸長(zhǎng)青，張國(guó)宏，王悅凱·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠(chǎng)

提高熱鍛模具壽命途徑的探討

文/吳傲宗，陸長(zhǎng)青，張國(guó)宏，王悅凱·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠(chǎng)

模具是鍛壓生產(chǎn)的主要工藝裝備，是零件毛坯制造無(wú)可替代的專(zhuān)用工具。鍛造毛坯不但能獲得金屬零件的形狀，而且具有良好的內(nèi)部組織、力學(xué)性能和物理性能。因此，鍛造毛坯可以縮短零件制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，國(guó)內(nèi)大多數(shù)鍛造企業(yè)，熱鍛模具平均使用壽命僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家的1/5～1/3，存在很大的差距，如何提高鍛模使用壽命已成為國(guó)內(nèi)鍛造企業(yè)關(guān)注的重要問(wèn)題。

失效原因

熱模鍛是將加熱后的坯料放入模具型槽內(nèi)，在強(qiáng)大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬產(chǎn)生劇烈的塑性變形，從而獲得所需形狀的工件。熱鍛模具在脈沖的高溫高壓下連續(xù)工作，模具內(nèi)部將造成很大的高壓應(yīng)力，最終引起模具失效。

熱鍛模具的失效可分為非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未能達(dá)到一定的生產(chǎn)需求就無(wú)法繼續(xù)服役的失效，其形式有塑性變形、斷裂、局部嚴(yán)重磨損等。正常失效是指模具經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間服役，因緩慢塑性變形、蠕變、均勻磨損以及疲勞斷裂，致使其不能繼續(xù)服役造成的報(bào)廢。從生產(chǎn)實(shí)際情況看，模具失效主要有磨損失效、變形失效、斷裂失效和疲勞失效。

磨損失效

在鍛打過(guò)程中，高溫金屬在模具型槽中高速流動(dòng)，就會(huì)與模具型槽表面產(chǎn)生劇烈的摩擦而造成磨損，特別是模具型槽表面加工質(zhì)量不高，潤(rùn)滑不良時(shí)更容易產(chǎn)生磨損。磨損對(duì)鍛件尺寸和表面質(zhì)量影響較大，當(dāng)超出鍛件公差而無(wú)法修復(fù)時(shí)，則模具報(bào)廢。這種失效形式在熱鍛模具中占75%左右。

變形失效

熱鍛模具在服役時(shí)，承受巨大的應(yīng)力和載荷，當(dāng)模具的某一部位所受的應(yīng)力超過(guò)了當(dāng)時(shí)溫度下模具材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，造成模具無(wú)法修復(fù)而報(bào)廢。

變形失效的原因有：⑴選擇的模具材料強(qiáng)度不夠；⑵熱處理工藝不當(dāng)，未能達(dá)到模具鋼的最佳強(qiáng)韌性；⑶使用不當(dāng)，有局部超載發(fā)生；⑷熱作模具鋼與高溫坯料接觸，當(dāng)模具型槽表面溫度超過(guò)模具鋼的回火溫度時(shí)，其強(qiáng)度下降，從而發(fā)生熱塑性變形失效。

斷裂失效

在鍛打過(guò)程中，模具型槽承受巨大的沖擊載荷及內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)模具本身承載能力不足時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)模具斷裂。這種情況多數(shù)發(fā)生在模具型槽最深部，尤其是容易形成應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角處。

疲勞失效

熱鍛模具經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的鍛打，在模具表面也會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋，并逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋，當(dāng)其達(dá)到臨界尺寸后，也會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷，這就是模具的疲勞失效。

有效途徑

正確選擇模具材料和熱處理硬度

熱鍛模具在高溫高壓作用下連續(xù)工作，同時(shí)還連續(xù)反復(fù)受熱和冷卻，工作狀況非常惡劣，因此，要保證其能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠工作，就要求所選的模具材料必須具有高的硬度、強(qiáng)度、沖擊韌性，良好的淬透性，足夠的熱疲勞強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。

模具材料的選用要根據(jù)設(shè)備的種類(lèi)、鍛件的復(fù)雜程度、鍛造工藝方式等因素決定。一般而言，在壓力機(jī)上模鍛時(shí)，沖擊力較小，但熱坯料接觸模具型槽時(shí)間較長(zhǎng)，必須選擇抗熱性能強(qiáng)的模具鋼，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、5Cr2NiMoVSi等。而錘上模鍛時(shí)，由于模鍛錘打擊時(shí)具有高的沖擊負(fù)荷，應(yīng)選擇沖擊韌性高的鋼種，如5CrNiMo、B2等。

由于磨損是熱鍛模具失效的主要形式，因此，適當(dāng)提高模具型槽表面硬度，其耐磨性增強(qiáng)有助于提高模具壽命，然而硬度與韌性是相反的性能，硬度高，韌性就差，當(dāng)模具型槽表面硬度超過(guò)一定值后，模具壽命反而隨著硬度的繼續(xù)增加而急劇下降。與此同時(shí)，模具的失效形式也從磨損變?yōu)殚_(kāi)裂。因此，合理選用模具熱處理硬度以保證其綜合性能，圖1為某廠(chǎng)生產(chǎn)曲軸鍛件模具硬度與壽命關(guān)系圖。

模具表面強(qiáng)化處理工藝

模具表面處理工藝可以讓常見(jiàn)的模具材料滿(mǎn)足熱鍛模具較高的綜合性能要求，因此受到了模具行業(yè)的重視，它在很大程度上彌補(bǔ)了模具材料的不足，有效地提高了熱鍛模具的使用壽命。

圖1 曲軸鍛件模具硬度與壽命關(guān)系圖

模具表面強(qiáng)化處理工藝很多，主要有離子氮化、離子滲碳、離子碳氮共滲、滲硼、氣體碳氮共滲、雙金屬堆焊等。一般可提高熱模鍛模具壽命0.7～2倍。如某廠(chǎng)4Cr5MoSiV模具鋼汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿模具，進(jìn)行離子氮化表面強(qiáng)化處理，表面硬度1000HV左右，層深0.2～0.3mm，模具壽命提高0.7～1倍。但是，不同的模具鋼應(yīng)采用相應(yīng)合適的表面強(qiáng)化工藝，否則將適得其反。如5Cr2NiMoVSi模具鋼就不能采用離子氮化，因?yàn)樵撃＞咪撛陔x子氮化過(guò)程中產(chǎn)生脈狀組織，降低熱模鍛模具沖擊韌性，反而降低模具壽命。

合理的熱鍛模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)是影響模具壽命的重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱鍛模具因裂紋失效有10%是因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)。因此，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)是提高熱鍛模具壽命的關(guān)鍵。需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

⑴正確選擇分模面。

分模面的位置決定了金屬填充模具型槽的方式及模具型槽深度，對(duì)模具壽命影響很大。分模面的正確選擇是應(yīng)該保證鍛件順利成形和出模，避免或減少采用曲線(xiàn)分模，使模具加工制造簡(jiǎn)單方便。同時(shí)，由于下模工作條件比上模更惡劣，一般應(yīng)將較深的模具型槽和凸臺(tái)設(shè)置在上模，使上下模壽命趨于相等，有利于提高模具壽命。如圖2所示，鍛件使用B-B面分模比使用A-A面分模更有利于鍛件成形和出模，鍛模壽命可提高1.5～2倍。

⑵飛邊槽的設(shè)計(jì)。

飛邊槽（圖3）是影響熱鍛模具壽命的最敏感結(jié)構(gòu)之一，其主要作用是增加金屬流出模具型槽的阻力，迫使金屬充滿(mǎn)模具型槽以及容納多余的金屬。當(dāng)變形金屬進(jìn)入飛邊槽后，金屬的流動(dòng)阻力會(huì)隨著溫度的下降而劇增，從而促使金屬填充模具型槽，以保證鍛件的成形。與此同時(shí)，熱鍛模具的負(fù)荷增加，飛邊槽橋部的磨損也相應(yīng)的加劇，因此，在設(shè)計(jì)飛邊槽時(shí)既要保證鍛件成形又不能使模具負(fù)荷過(guò)重導(dǎo)致模具損壞。

圖2 鍛件分模面

圖3 飛邊槽

影響飛邊阻力的主要因素是飛邊橋部高度h和寬度b或b/h。隨著h值的增大，b或b/h值的減小，飛邊阻力減小到一定程度，鍛件充不滿(mǎn)。而隨著h值的減小，b值的增大，飛邊阻力增大，熱鍛模具機(jī)械負(fù)荷迅速上升，模具壽命顯著減少。因此，在設(shè)計(jì)飛邊槽時(shí)，應(yīng)根據(jù)鍛件大小、復(fù)雜程度以及設(shè)備能力來(lái)選定飛邊槽尺寸，即在保證金屬能充滿(mǎn)模具型槽的前提下，增加h值，減少b值，以減少飛邊阻力，提高模具壽命。

⑶模鍛拔模斜度和圓角半徑。

拔模斜度大小直接影響到鍛件出模，從而影響到熱鍛模具工作部分表面溫度的高低，因此，在可能的情況下盡量選擇較大的拔模斜度，對(duì)提高模具壽命能起到顯著效果。

模具上的凹凸圓角半徑不能太小。模具型槽深處的凹圓角半徑過(guò)小，金屬充填小圓角時(shí)需要很大的壓力，并且該部位有應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生裂紋；凸圓角半徑太小會(huì)在鍛件中產(chǎn)生折紋或切斷金屬流線(xiàn)。因此，取較大的圓角半徑對(duì)鍛件成形、出模和模具壽命都有利。除了模具型槽圓角半徑的影響外，熱鍛模具燕尾根部圓角大小也是很重要的因素，通常燕尾部分出現(xiàn)裂紋的原因之一是由于圓角太小，因此，燕尾根部圓角半徑應(yīng)大于5mm。

⑷預(yù)鍛型槽的設(shè)計(jì)。

預(yù)鍛型槽是用來(lái)分配坯料各部位的金屬體積，使其更接近鍛件外形，改善金屬在終鍛型槽內(nèi)的流動(dòng)條件，保證終鍛時(shí)成形飽滿(mǎn)；避免折疊、裂紋等缺陷，減少終鍛型槽的磨損，提高模具壽命。

在設(shè)計(jì)預(yù)鍛型槽時(shí)，必須考慮坯料斷面面積和體積分配，而且必須確定預(yù)鍛型槽和終鍛型槽高度和寬度的關(guān)系，盡可能設(shè)計(jì)成在終鍛型槽內(nèi)是鐓粗成形。但是，對(duì)于不易充滿(mǎn)部位的終鍛采用擠壓成形。實(shí)踐證明，預(yù)鍛型槽設(shè)計(jì)合理，鍛模壽命可提高約30%～50%。圖4為連桿鍛件工字形截面設(shè)計(jì)圖。

圖4 工字形截面預(yù)鍛、終鍛設(shè)計(jì)圖

⑸熱鍛模具承擊面積和模壁厚度。

熱鍛模具承擊面積是指除去模具型槽和飛邊槽之外的打擊面積，承擊面小，熱鍛模具容易打裂或過(guò)早壓陷，對(duì)于安全生產(chǎn)也不利；但承擊面過(guò)大，又浪費(fèi)模具材料增加模具成本。一般熱鍛模具允許最小承擊面積F≥300Gcm2，G為鍛錘噸位，但隨著鍛錘噸位增大，承擊面可相應(yīng)的減小，因此，通常根據(jù)表1數(shù)據(jù)來(lái)確定最小承擊面的允許值。

模壁厚度對(duì)熱鍛模具的影響主要是模壁太薄處容易打裂，因而要保證模壁有一定的強(qiáng)度，最小壁厚一般按S=Kh計(jì)算。式中K為系數(shù)（按模具型槽深度和位置取值），h為模具型槽深度。

表1 允許最小承擊面積

⑹模塊纖維方向。

熱鍛模具模塊材料的纖維方向與模具壽命密切相關(guān)，模塊的纖維方向應(yīng)垂直于打擊方向，絕對(duì)不允許纖維方向與打擊方向平行。如某鍛壓機(jī)汽車(chē)半軸熱鍛模具的終鍛模誤將流線(xiàn)方向和打擊方向平行，模具壽命僅是相同流線(xiàn)合格模具的15%。

提高模具加工質(zhì)量及加工精度

對(duì)于精度高的鍛件，如轎車(chē)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，鍛件重量要求比較嚴(yán)格，按照傳統(tǒng)方式加工出來(lái)的熱鍛模具無(wú)法使用或壽命極低，鍛件廢品率也高。實(shí)現(xiàn)CAD/CAM一體化生產(chǎn)，能夠有效保證數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，加工精度也有極大提高，從而保證了熱鍛模具的加工質(zhì)量。

“數(shù)控加工+電解加工”也是目前熱鍛模具加工的常用方式，熱鍛模具熱處理后在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行半精加工，然后在精密電火花機(jī)床上用石墨電極沖形，最后進(jìn)行拋光處理。石墨電極精沖深度為0.5mm，電流選擇15A。模具型槽公差深度、水平方向均可達(dá)±0.05mm。與銑削加工出的熱鍛模具相比，可提高模具壽命50%以上。

模具的合理使用和維護(hù)

合理使用熱鍛模具，包括鍛模的預(yù)熱、終鍛溫度的控制、及時(shí)進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻和清除氧化皮、隨時(shí)修磨模具上的缺陷等，都可以有效的提高熱鍛模具使用壽命。

⑴鍛模的預(yù)熱。

熱鍛模具在鍛前必須預(yù)熱，一般預(yù)熱溫度在200～300℃。大型模具和高合金鋼模具預(yù)熱溫度要偏高。預(yù)熱時(shí)間應(yīng)保證模具內(nèi)外溫度均勻，從而降低溫度應(yīng)力，提高沖擊韌性。鍛模預(yù)熱還可以減少坯料降溫，使其保持塑性，從而達(dá)到減輕鍛模負(fù)荷，延長(zhǎng)鍛模使用壽命的目的。預(yù)熱的常用方式有：煤氣噴嘴烘熱或?qū)Ｓ妙A(yù)熱裝置。

⑵鍛模的冷卻和潤(rùn)滑。

鍛件生產(chǎn)時(shí)，要嚴(yán)格控制坯料的鍛造溫度，若料溫過(guò)低，變形抗力增大，形成打冷鐵現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備和模具都不利。因此，在確保坯料不發(fā)生過(guò)燒、過(guò)熱的前提下，坯料溫度盡可能高，并保證溫度公差不超過(guò)50～100℃。

⑶鍛模的冷卻和潤(rùn)滑。

鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，必須對(duì)模具進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，以減少坯料與模具型槽間的摩擦及坯料的變形抗力，有利于金屬流動(dòng)，而且可以防止因模具溫度過(guò)高而產(chǎn)生塑性變形，使模具失效。

⑷清除氧化皮。

模鍛生產(chǎn)產(chǎn)生的氧化皮對(duì)模具型槽磨損很?chē)?yán)重，因此，應(yīng)盡量減少氧化皮，對(duì)進(jìn)入模具型槽的氧化皮必須使用壓縮空氣及時(shí)清除。為減少氧化皮可采用幾種方法，如盡量減少坯料加熱時(shí)間，采用少氧化加熱，終鍛前采用制坯方式或機(jī)械方法清除坯料的氧化皮等。

⑸鍛模的維護(hù)。

鍛模使用完，要檢查模具的使用情況，模具型槽有塑性變形、壓塌、劃痕和裂紋等缺陷應(yīng)及時(shí)修復(fù)。當(dāng)模具型槽損壞到嚴(yán)重影響鍛件質(zhì)量時(shí)，模具必須進(jìn)行翻新。翻新時(shí)應(yīng)考慮鍛模的厚度和閉合高度，應(yīng)避免鍛模厚度薄而容易被擊碎。若模具需要放置一段時(shí)間，應(yīng)清理掉鍛模上的殘?jiān)蛪m污，然后用黃油涂抹整個(gè)模面和型腔，并封存。

結(jié)束語(yǔ)

綜上，由于熱模鍛過(guò)程復(fù)雜，影響模具失效的因素很多，只有采取有效的技術(shù)和管理措施才能提高模具壽命，降低模具的使用成本，減少生產(chǎn)中模具修理和更換的時(shí)間，進(jìn)而降低鍛件的制造成本，提升市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力和獲利空間。