大型拉延模應(yīng)用鑲塊鍍鉻技術(shù)

寇兆陽(yáng) 萬(wàn)紅武 張文波 馮吉賀 李新安

（一汽解放汽車有限公司，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

沖壓成形技術(shù)是以大位移、大變形為特征的塑性變形過(guò)程，是依靠金屬的塑性流動(dòng)及硬化完成特定的產(chǎn)品形狀及功能，具有效率高、成本低、易于批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)。但由于車身覆蓋件形狀復(fù)雜，成形過(guò)程影響因素多，同樣容易產(chǎn)生各種各樣的沖壓缺陷，如拉毛、起皺、開(kāi)裂、回彈等[1]。拉毛是車身覆蓋件常見(jiàn)缺陷之一，載貨汽車車身覆蓋件尤其是外表面件拉毛現(xiàn)象嚴(yán)重，影響沖壓件質(zhì)量以及車身外觀。為減輕制件拉毛問(wèn)題，鉗工維修人員不得不對(duì)模具表面進(jìn)行處理，采用拋光手段打磨模具拉痕。然而頻繁地拋光打磨會(huì)破壞模具表面的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致沖壓件精度降低，有時(shí)候無(wú)法維持生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致模具過(guò)早失效，產(chǎn)生相當(dāng)高的過(guò)程費(fèi)用。降低拉毛缺陷對(duì)于提升沖壓件質(zhì)量、延長(zhǎng)模具壽命、提高生產(chǎn)效率具有顯著作用[2]。

2 問(wèn)題分析

2.1 拉毛機(jī)理

a.模具作用于鋼板表面構(gòu)成1 對(duì)摩擦副，摩擦副之間的硬質(zhì)顆粒會(huì)造成拉延工序件產(chǎn)生拉毛缺陷，同時(shí)損傷模具表面。這些顆粒來(lái)自鋼板表面、臟污的模具表面及工作環(huán)境等。這種缺陷只能依靠清潔環(huán)境、清洗板料和模具表面才能改善或消除[3]。

b.拉延時(shí)板料滑過(guò)模具表面，在力和摩擦作用下，模具表面和金屬板料表面的吸附層和油膜被破壞，剛開(kāi)始是表面的高點(diǎn)油膜先失去，吸附層破壞，產(chǎn)生原子級(jí)接觸而出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象[4]。多次拉延造成粘結(jié)點(diǎn)增生形成積瘤。積瘤產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，易對(duì)板料以及模具表面產(chǎn)生劃傷甚至犁溝。

例如某車型拉延模具由于產(chǎn)品特性要求，拉延成形深度達(dá)150 mm，成形深、板料流動(dòng)大導(dǎo)致模具凹?？谑芰Υ?，模具受力最大的凹?？诓课慌c制件材料產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象，使得模具凹?？诶瓊斐赡p嚴(yán)重（圖1）。由此帶來(lái)制件拉毛、拉裂、剛性不足和極高的廢次品率，制件返修品率高達(dá)90%以上。雖然前期采取過(guò)拋光[5]（圖2）、激光淬火、補(bǔ)焊、模具整體鍍鉻等措施進(jìn)行修復(fù)優(yōu)化，但效果不明顯，且激光淬火、模具整體鍍鉻費(fèi)用巨大，其對(duì)于深拉延的舊模具效果并不明顯。如何解決或者緩解以上問(wèn)題，成為模具調(diào)整維修領(lǐng)域的一個(gè)課題。

圖1 模具拉毛情況

圖2 模具研磨拋光

2.2 模具材料

汽車大型拉延模具常用的模具材料是MoCr鑄鐵[6]，其在淬火后具有較高的強(qiáng)度、可焊性和抗磨損性，其缺點(diǎn)是不滿足這種載貨汽車大型深拉延（拉延深度≥300 mm）模具的受力要求。傳統(tǒng)燒焊修理方法很難修復(fù)模具磨損的凹模口，強(qiáng)行修復(fù)后的強(qiáng)度、硬度低于本體材料，使模具磨損加劇。在線維護(hù)拋光嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，使模具很難維持正常生產(chǎn)，因此模具面臨報(bào)廢。但大型拉延模具復(fù)制投資很高、周期長(zhǎng)，動(dòng)輒上百萬(wàn)的投資，還可能存在與后序模具不匹配問(wèn)題。

合金鋼（Cr12MoV 或與之對(duì)應(yīng)國(guó)外牌號(hào)）是1種高強(qiáng)度鋼，壓料部分采用合金鋼鑲塊結(jié)構(gòu)的大型深拉延模具極為少見(jiàn)，因?yàn)橛? 問(wèn)題：一是摩擦系數(shù)大，產(chǎn)生摩擦熱后與制件板料冷焊，從而撕裂板料；二是板料在凹?？阼倝K上滑動(dòng)，鑲塊之間的接縫及竄動(dòng)劃傷制件。

2.3 問(wèn)題解決思路

經(jīng)過(guò)對(duì)上述實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生問(wèn)題分析，提高拉延模具凹模口材料的強(qiáng)度、硬度及表面光潔度才能解決上述問(wèn)題，合金鋼（Cr12MoV）整體淬火鑲塊具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)，強(qiáng)度硬度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鑄鐵材料（MoCr），所以合金鋼抗疲勞性和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于鑄鐵，但散熱性差、摩擦造成的冷焊現(xiàn)象比鑄鐵材料嚴(yán)重，易產(chǎn)生積屑瘤，鍍鉻后的合金鋼鑲塊表面硬度、光潔度、耐磨性都達(dá)到很高的水平，因?yàn)楹辖痄摽估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于鑄鐵材料[7]，所以合金鋼鍍鉻不會(huì)產(chǎn)生鑄鐵材料鍍鉻后基體掉碴導(dǎo)致鍍鉻層失效的問(wèn)題，鍍鉻處理后的合金鋼鑲塊抗磨損性能接近TD（金屬碳化物擴(kuò)散覆層）處理，但TD 處理鑲塊變形量大，不能用于精度要求很高的大型表面件拉延模具，而鍍鉻處理有處理后不變形的特點(diǎn)[8]。

基于上述問(wèn)題解決思路，用大型拉延模具實(shí)施鑲合金鋼鍍鉻鑲塊技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)模具壽命、提高硬度和光潔度、提高耐磨性、節(jié)約復(fù)制模具和整體鍍鉻費(fèi)用的試驗(yàn)，具有一定的研究?jī)r(jià)值。通過(guò)鑲塊合理設(shè)計(jì)分縫，替換原有基體。實(shí)施前提是本體模具具有一定的支撐強(qiáng)度[9]，比如加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置必須足以支撐拉延過(guò)程中產(chǎn)生的力以及沖壓件面品要求是否能夠接受。

3 試驗(yàn)鑲塊方案

3.1 實(shí)施技術(shù)方案

針對(duì)上述解決思路，大型拉延模具應(yīng)用合金鋼鑲塊技術(shù)方案如下。

a.模具修改方案：以該大型拉延模具凹模為例，在凹模磨損嚴(yán)重且為產(chǎn)品工藝補(bǔ)充部分進(jìn)行試驗(yàn)，局部銑掉采用鑲塊結(jié)構(gòu)。首先采用CATIA 或其他造型軟件設(shè)計(jì)的模具三維實(shí)體上確定方案的可行性。將原來(lái)拉毛磨損的凹?？诩皦毫喜糠帚?2 000 mm×160 mm×110 mm 的方槽，加2 000 mm×160 mm×60 mm 的安裝板一件，在安裝板上安裝8 件Cr12MoV 淬火鑲塊并做表面處理，取代原來(lái)的鑄件材料，如圖3 所示。

b.鑲塊方案：鑲塊為Cr12MoV 材質(zhì)，整體淬火，采取粗加工后淬火、淬火后精加工方式。模具本體采用數(shù)控銑加工磨損模具的凹?？?、方槽及鍵槽，加裝安裝板。安裝板與模具、鑲塊與安裝板采用矩形暗鍵與柱銷結(jié)合的定位方式，在鑲塊非壓料部位配置圓柱銷，既保證足夠的抗剪切能力，又保證定位精度。鑲塊緊固螺釘反向安裝[10]，保證鑲塊與制件板料接觸面沒(méi)有孔。鑲塊接縫間隙＜0.02 mm，且穩(wěn)固可靠。如圖4、圖5 所示。

圖4 加工后凹?？?/p>

圖5 安裝方案示意

c.模具調(diào)試：調(diào)試合格的模具經(jīng)過(guò)1 000 件左右磨合試生產(chǎn)，模具能夠穩(wěn)定壓制出合格件后，再對(duì)鑲塊做鍍鉻處理[11]，并且只鍍與制件板料摩擦的部位，保持鑲塊裝配精度，鍍鉻后的鑲塊光潔度Ra＞0.8 μm，鍍層厚度為0.01～0.03 mm，滿足拉延模具壓料面精度要求，摩擦系數(shù)降低，冷焊現(xiàn)象消除。

3.2 實(shí)施效果

該拉延模具凹?？诓课徊捎肅r12MoV 整體淬火鑲塊、硬度達(dá)到60～62 HRC，相比原來(lái)的鑄鐵材料，強(qiáng)度、硬度都大幅度的提高，修改后的拉延模具凹模口鑲塊經(jīng)過(guò)鍍鉻處理已生產(chǎn)17×104件，拉毛造成制件裂的問(wèn)題得到了解決，鍍鉻后的鑲塊不產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象，產(chǎn)生輕微積屑瘤也不傷及合金鋼鑲塊本體，且積屑在鑲塊上附著力很弱，用砂布輕擦即可以去除，經(jīng)跟蹤驗(yàn)證，合金鋼鑲塊鍍鉻壽命在16×104次左右，合金鋼的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于鑄鐵材料，最重要的一點(diǎn)就是合金鋼不會(huì)產(chǎn)生因疲勞而導(dǎo)致的拉傷掉碴，所以鍍鉻后的合金鋼鑲塊本體基本上是不磨損的，并且可以再次鍍鉻。

與傳統(tǒng)的復(fù)制整體拉延模方案相比，大型拉延模應(yīng)用鑲塊維修技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，如表1所示。整體拉延模具尺寸約為4 000 mm×2 500 mm×1 250 mm。

表1 2種方案對(duì)比

4 鍍鉻層注意點(diǎn)

4.1 鍍鉻后的模具拋光

電鍍硬鉻后的模具如果第1 次生產(chǎn)過(guò)程中有拉毛或板料脫鋅現(xiàn)象，原因可能是拉毛或脫鋅部位電鍍后拋光不到位，發(fā)生這種情況時(shí)先使用400#油石打磨，然后用800#或1000#砂紙將該部位拋光即可解決拉毛或脫鋅的問(wèn)題。

4.2 鍍鉻后的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整

電鍍硬鉻后的模具由于摩擦力的減小，板料的進(jìn)料速度可能發(fā)生變化，此時(shí)可以通過(guò)調(diào)整壓機(jī)參數(shù)和平衡塊高度的方法解決。電鍍硬鉻后的模具可以減少拉延油的使用量。

4.3 鍍鉻層有效期

電鍍硬鉻后的模具根據(jù)實(shí)際狀態(tài)和拉延深度不同，一般生產(chǎn)8×104～10×104件后可能會(huì)再次出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象，出現(xiàn)拉毛時(shí)用油石或砂紙將拉毛部位拋光后即可繼續(xù)生產(chǎn)。當(dāng)拉毛現(xiàn)象非常嚴(yán)重時(shí)，可以將原鍍層退除，再次電鍍硬鉻。

5 結(jié)束語(yǔ)

在大型拉延模具凹模口修復(fù)中采用鑲塊鍍鉻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可置換鑲塊的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，保證了維修的靈活性。模具材料硬度、光潔度、耐磨性顯著提高。明顯改善了生產(chǎn)狀態(tài)，降低鉗工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少拋光產(chǎn)生的停歇，優(yōu)化了表面件狀態(tài)。

該技術(shù)為沖壓模具尤其大型拉延模具的維修提供了1 種行之有效的方案，這種方案還可以進(jìn)行其他變型，例如采用淬火后硬度比較低的鈹銅材料代替Cr12MoV 合金鑲塊，由于鈹銅導(dǎo)熱性好，生產(chǎn)應(yīng)用效果優(yōu)于合金鋼。但其硬度較低易磨損，需要在一定的生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)數(shù)量后進(jìn)行精度恢復(fù)。

該大型拉延模應(yīng)用鑲塊維修技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵是模具本體厚度、加強(qiáng)筋或者通過(guò)增加強(qiáng)度手段保證鑲塊及安裝板料的受力均衡。但對(duì)沖壓件面品要求很高的產(chǎn)品，例如側(cè)圍外板、車門外板等采用鑲塊工藝需慎重，提前評(píng)估其對(duì)面品的影響，如果能將缺陷留在工藝補(bǔ)充或其他非重要部分還是有應(yīng)用空間的。