冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径

徐胜利，苗高蕾

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

冷挤压模具失效分析与提高模具寿命途径

徐胜利，苗高蕾

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

本文系统分析了影响挤压模具寿命的各种因素，从设计选材、减少挤压件壁厚、模具表面强化处理等方面，阐述了提高挤压模具寿命的途径。

机械制造；模具寿命；冷挤压；失效分析

1 引言

冷挤压是一种先进的压力加工方法，无论在技术上和经济上都有显著特点，该工艺可以大量节约原材料，生产效率高，容易实现自动化，可加工形状复杂的零件。冷挤压件具有强度高、刚性好、重量轻、表面光洁和尺寸精度高等优点。因而，是航空、交通运输、通讯、家电、自行车等行业广泛采用的一种先进工艺技术。

冷挤压模具是保证挤压件形状尺寸和精度的重要工装，是保证挤压件表面质量的重要因素之一。模具寿命长短直接影响产品质量和生产效率的提高。因此，提高挤压模具寿命对降低生产成本，提高经济效益有着十分重要意义。

2 冷挤压模具失效原因

冷挤压模具失效概括地说包含两方面：模具本身的损坏和生产出挤压件尺寸的超差。模具本身损坏又分为正常和非正常两种损坏形式，非正常损坏既无规律可寻，又可通过人为方法加以克服。本文主要讨论正常工作条件下的损坏，即冷挤压模具的失效。模具失效的主要形式有磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂。

冷挤压模具失效原因：挤压工艺循环过程中，变形金属和模具工作表面之间的相对运动产生剧烈摩擦导致模具表面磨损；模具内部反复引起的高压应力，使模具工作时受到非对称的交变应力作用而发生塑性变形；挤压时金属的剧烈流动产生的热效应和摩擦热使模具工作表面温度升高（可高达400℃以上），当取出工件加润滑剂时这一工作间隙时间，这极易使模具表面散热降温。所以模具在完成一个工艺循环时，需经受一次热循环引起的交变应力作用，导致疲劳裂纹破坏。

特殊的是挤压凸模比较细长，工作循环过程中，由于受侧向力和附加弯曲应力的作用，根部产生很大的交变弯曲应力，也易发生疲劳破坏。因此，弯曲应力对凸模的疲劳破坏不可忽视。

3 影响冷挤压模具寿命因素分析

3.1 模具材料对寿命的影响

挤压工艺循环中，模具工作环境较差，要保证挤压模具能够长时间可靠工作，所选择的模具材料必须具备高硬度、高强度、高耐磨性和良好的韧性、足够的热稳定性、热硬性、耐热疲劳性。

如果模具材料选用不合理，即使价格昂贵的模具钢其效果也难以奏效。例如，挤压铅、铝等软材料零件，选用高速钢（如W18Cr4V）来制作模具，其寿命并不理想。若选用优质碳素工具钢，可以达到理想效果。反之，挤压硬材料的钢件时，选择Cr12MoV这类高铬工具钢或W18Cr4V这类高速工具钢，热处理后，不仅强度高、硬度高、而且韧性、热硬性和耐磨性也好，完全可满足钢件挤压模具的要求。因此，根据挤压件材料种类和复杂程度、挤压方式、模具结构形式、模具实际工作条件、生产批量大小及设备类型综合考虑选择模具材料，是保证挤压模具具有高寿命的前提。

3.2 凸模的弯曲应力对模具寿命影响

凸模的弯曲应力是由于凸模头部受到侧向力作用的结果，其来源主要有如下几方面：模具制造、安装误差或压力机静态精度不好，模具安装后，凸模中心线相对于凹模中心线发生偏斜，工作时，凸模就会受到侧向力作用；毛坯两端面不平行或与外圆不垂直，毛坯在凹模内因间隙大而放偏，挤压时凸模会受到侧向力的影响；模架中心与压力机中心不重合，或模具结构不对称，使压力机台面和模板弹性压缩变形不对称，压力机本身刚性和精度差等都是产生侧向力的来源；凸凹模紧固不牢靠，在上述侧向力作用下，模具发生“移动”使凸模中心错开。

凸模在这些侧向力作用下，会发生弹性弯曲，在凸模弯矩最大处，弯曲应力最高，有：

式中：Mmax——凸模最大弯矩，产生在凸模根部；

W——凸模抗弯截面模量。

式中：αC——应力集中系数；

Q——侧向力；

l——凸模杆部长度。

如果σ弯远大于凸模的疲劳强度时，在较少的挤压次数后就会引起一条或数条疲劳裂纹，此时，称为高应力疲劳破坏；若σ弯很小，多次挤压后也会引起疲劳裂纹，此时称为低应力疲劳破坏。因此，σ弯的大小直接影响挤压次数N，即凸模寿命。

设凸模的裂纹长度a，根据断裂力学Paris—Erdongan公式，有

式中：da/dN——亚临界扩张速率（即a＜裂纹临界长

度ac时）；

ΔK——应力强度因子振幅值；

C、m——材料常数，查表或试验确定。

式中：Y——裂纹荷因子；

σa——交变应力幅值。

式中：ai——裂纹初始尺寸。

由式（7）可知：

由上式可以看出，N与σ弯的某次方成反比。可见，σ弯的大小对凸模疲劳寿命的影响是很大的。

3.3 热处理工艺对模具寿命的影响

模具的使用寿命在很大程度上取决于热处理的质量。热处理的目的不仅是为了提高模具的硬度，也是为了改善钢的组织和性能，以获得理想的热强度和韧性。为确保热处理质量，近年来普遍采用可控气氛和真空热处理工艺，对温度、温升和冷却速度、淬火介质、回火次数等参数进行大量研究，并取得良好的效果。例如：滚动触头零件冷挤压模具，模具材料为Cr12钢，采用普通的一次硬化热处理工艺，寿命仅为6000～8000件，主要失效形式为开裂；改为锻热固溶淬火（1050℃油淬）＋等温淬火（780℃）双重热处理工艺方法，可使模具寿命提高1.5倍以上。采用双重淬火工艺，可使碳化物呈弥散析出，均匀分布于钢的基体中，最终组织为10%下贝氏体＋回火马氏体和弥散分布的碳化物及少量残余奥氏体。硬度58～62HRC，这种组织细密，有高的强韧性、耐磨性和良好的断裂韧性。

3.4 模具加工方法对模具寿命影响

电火花切割已广泛用于模具加工。由于线切割加工一般都是在热处理后进行，从而避免了热处理变形、表面脱碳等弊端。但由于线切割工艺大多采用快走丝方法，线切割后工件表面粗糙度Ra>2.5μm，硬度分布和内应力状态都较差。所以不经研磨或稍加研磨就装配使用，结果经常出现崩刃、折断、碎裂等现象。正常使用情况下，模具寿命也很低。

模具寿命低的原因主要是：线切割加工时，放电区电流密度很大（10000A/mm2），温度很高（10000℃～12000℃），加注的介质液急剧冷却，使切割表面层硬度仅有20HRC左右。其后为热影响区，再后才是原硬度区，而内部淬火层硬度高达70HRC以上。更为严重的是原材料内部因淬火呈拉应力状态，线切割所产生的热应力状态也是拉应力，两种拉应力叠加的结果很容易达到材料抗拉强度而产生微裂纹，从而大大缩短模具寿命。因此，线切割工艺不能作为挤压凸、凹模的最终加工工序。必须采取其他工艺方法消除应力。目前，最有效的消除应力措施有以下两种。

（1）研磨＋回火处理

线切割加工后，用研磨的方法去掉表面20HRC的白层，再经160℃～180℃回火处理2h，则白层下面的高硬层可降低6～8HRC，线切割产生的热应力得以消除。从而提高了钢的韧性，延长了模具使用寿命。

（2）研磨＋低温时效处理

线切割加工表面经研磨后，白层和高硬层基本去掉。再进行120℃～150℃下5h～10h低温时效处理（低温回火处理），或采取160℃～180℃下4h～6h低温回火处理，可消除淬火层内部的拉应力。而硬度降低甚微，却大大提高了钢的韧性，降低了脆性，挤压模具寿命可提高4倍以上。若挤压模具在生产若干零件后，内部应力已经积聚很高。也可用此方法消除内应力，提高韧性从而提高模具寿命。

4 提高挤压模具寿命途径

4.1 正确选用模具材料

模具材料是影响冷挤压模具寿命的关键因素之一，模具制造周期长，成本高，材料费用仅为模具费用的10%～15%左右，因此，要尽可能选用品质优良钢材制造挤压模具。例如：①挤压形状较为复杂材质为20钢的支撑块零件时，选用3Cr2W8V材料，热处理硬度为48～52HRC，模具寿命仅为6000件左右，主要破坏形式为型腔角部破裂，模具工作表面磨损。改变工艺方法，进行气体碳氮共渗，模具表面硬度提高到60～62HRC后，模具使用寿命超过2万件；②挤压材质为Q235钢的轴挡和轴管类零件时，选用强度高，塑性和韧性好的7CrSiMnMoV（CH）材料。采用560℃预热＋880℃油淬＋200℃回火热处理工艺，其模具使用寿命可达到9000件左右。

4.2 减少挤压件壁厚差

前述分析可知，侧向力的来源很多，它们之间又有复杂的交互作用。因此，σ弯很难用精确计算求得，而且σ弯还与应力集中有关，所以，模具材料、加工方法和工作状况及凸模形状都会影响σ弯的大小。试验分析表明，凸模的σ弯与挤压件的偏心量e成正比。因此，可以用挤压件偏心量e来反映σ弯的大小。为便于分析，忽略工件内孔和外圆形状误差，偏心量就等于壁厚差之半。显然，测量工件壁厚差比测量弯曲应力σ弯简单多了。

设挤压件壁厚差为δ。

则由式（8）可得：

即说明挤压次数（模具寿命）与挤压件壁厚差的某一次方成反比，若其他情况不变，则减小挤压件壁厚差，凸模的疲劳寿命可得到很大提高。因此，壁厚差较小的挤压件不仅可提高挤压件精度，而且可大大地提高模具使用寿命。

4.3 表面强化处理

为进一步提高挤压模具寿命，可对挤压模具工作表面进行碳氮共渗、离子氮化、渗碳、渗硼及局部刷镀、喷涂等表面处理方法，使模具工作表面生成一层高强度、有极好耐磨性的化合物，从而增加模具耐磨性，以提高挤压模具寿命。

表面强化工艺中的PVD、CVD、PCVD技术均可用于模具工作表面处理，运用PCVD沉积工艺，可在模具工作表面形成TiC、TiN镀膜，模具寿命可提高几倍到几十倍。

5 结束语

综上分析可知，选用品质优良的冷挤压模具材料，正确合理的设计挤压凸模结构，采用先进的热处理工艺和表面强化处理技术，规范冷挤压模具使用过程控制，可有效的提高冷挤压模具使用寿命，从而达到提高冷挤压件生产率、节约材料、降低生产成本的目的。

[1]卢吉连.花键套筒冷挤凸模的正确选材.机械工程材料,1998，（5）:41-43.

[2]彭成允，等.3Cr2W8V钢用于冷挤压模.金属热处理,2001,（7）:33-35.

[3]王德文.钢的冷挤压模具材料及其热处理.中国热处理年鉴，2003.

[4]王德文，主编.提高模具技术应用实例.北京:机械工业出版社，2004.

[5]钱苗根，主编.材料表面技术及应用手册.北京：机械工业出版社，1998.

Failure analysis of cold extrusion die life and improvement solution

XU Shengli，MIAO Gaolei
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shanxi China）

Various factors which impact the life of extrusion die have been systematically analyzed.The way to improve the life of extrusion die has been introduced from the material selection,reduction of the extrusion part wall thickness,and die surface hardening aspects.

Die life；Cold extrusion；Failure analysis

TG375+.41

B

1672－0121(2011)03－0071－03

2011-02-28

徐胜利(1963-)，男，高工，从事材料成形及模具技术的教学与研究