热锻模型腔注水冷却循环对模具寿命的影响

文/高阳军·宝鸡法士特齿轮有限责任公司

热锻模型腔注水冷却循环对模具寿命的影响

文/高阳军·宝鸡法士特齿轮有限责任公司

高阳军，锻造工艺技术员，主要从事锻造模具工装设计、工艺制定，在齿轮类、轴类、法兰类等闭式锻造方面及自动化高速锻造生产线产品开发方面有丰富的生产经验。

选用锻造设备为1000t的高性能螺旋压力机，生产某个锻件品种，对比采用常规方式和采用我公司自主设计的热锻模型腔注水冷却循环装置时模具寿命的情况。结果表明，同一种模具在型腔注水冷却循环模式下的使用寿命是常规模式下使用寿命的3～4.5倍。

模具在锻造生产中直接影响锻件的精度及质量，由于在服役过程中受到的作用力很复杂，需要在高温、高应力状态下连续工作，所以热锻模的寿命普遍比较低，保证模具的完好非常重要。

模具寿命是指一套新模具从安装、生产直到失效所生产的锻件数量。模具寿命是模具材料、设计和制造水平（含模具热处理和表面强化处理）及使用、维护水平的综合反映。我国热锻模具的使用寿命仅相当于国外工业先进国家模具寿命的1/3，因此，我国模具制造费用占锻件成本高达30%以上。国内大多数锻造企业模锻锤的模具寿命为0.3～0.5万件，摩擦螺旋压力机的模具寿命约为0.2～0.3万件，一般仅有0.2万件左右，机械压力机模具寿命约为0.5～0.8万件，螺旋压力机模具寿命比机械压力机稍低。

由于锻模型腔与高温坯料直接接触，使锻模温度不断升高，局部地方甚至超过了锻模材料的回火温度，导致锻模抗摩擦能力和强度降低，产生塑性变形，导致模具失效，因此需要冷却模具，保证模具有一定的强度和硬度。

试验过程及结果

本次试验选用锻造设备为1000t高能螺旋压力机；模座设计为两工位镦粗＋锻造；模具材料选择H13；坯料材料选择8620H；坯料加热温度为1200℃。常规生产模式为：镦粗→锻造（脱模剂润滑冷却+高压空气冷却），模具的使用寿命为0.3～0.4万件，生产过程如图1到图4所示的循环。

图1 (第一步)准备镦粗

图2 (第二步)镦粗

图3 (第三步)准备锻造

图4 (第四步)锻造

我公司技术人员通过改进和研发，选用锻造设备为1000t的高性能螺旋压力机，测试生产某个锻件品种，采用我公司自主设计的热锻模型腔注水冷却循环装置时，模具寿命的情况、试验装置及过程如图5到图8所示的循环，运用此方法，我们得到的试验结果为模具寿命提高到1.3～1.4万件，模具寿命显著提高，模具生产制造成本在锻件生产成本中的占比明显降低。

图5 （第一步）准备镦粗

图6 （第二步）镦粗

图7 (第三步)准备锻造

图8 (第四步)锻造

与常规模式对比分析

结果表明，同一种模具在型腔注水冷却循环模式下的使用寿命是常规模式下使用寿命的3～4.5倍，结合试验效果可以得出以下结论。

⑴常规模式模具工作温度在400～500℃之间，而热锻模型腔注水冷却循环模式模具工作温度在50～100℃之间，此时模具在近恒温的环境下工作，其综合力学性能相对稳定。

⑵热锻模型腔由于和高温坯料接触，温度差高达500～650℃，在这个温度条件下，模腔材料表面成分极易发生改变，局部表面合金元素降低，使很多热作模具钢的硬度和变形抗力急剧下降，导致型腔表面回火软化，使模具硬度和耐磨性急剧降低。更严重的是，这时候的屈服强度降低，使热应力的峰值更容易达到屈服强度，导致型腔产生热疲劳裂纹，进而产生打塌、磨损、镦粗等变形。

⑶在型腔注水冷却循环模式下的模具在近恒温（50～100℃）的条件下工作，模具自身热胀量小，有利于锻件充满成形，即使模具型腔有一定磨损亦可使得坯料充满型腔。

⑷常规模式下的模具在实际生产过程中，除了模具自身出现明显打塌、磨损、镦粗变形等情况导致自身报废外，还有一个原因是因为一锤打靠但是锻件充不满，结合生产质量及生产效率必须将旧模具报废，多方面因素造成模具提前报废，额外增加了生产成本。

结束语

此次试验通过改进冷却方式，使模具得到充分润滑和冷却，从而减小模具表层温度升高和热扩散层深度，提高模具使用寿命。

试验结果证实同一种模具在型腔注水冷却循环模式下的使用寿命是常规模式下使用寿命的3～4.5倍，模具寿命延长效果明显。此方法与对模具型腔进行耐高温、耐磨损材料涂层处理等方法相比较简单许多。在实际生产中，提高模具寿命是一个系统复杂的综合工程，笔者只是一名普通锻造工艺技术人员，能力有限，文章中的不足之处，还希望与大家交流探讨，还望模具冷却方面的专家提出宝贵指导意见。