铝合金挤压模具寿命影响因素.doc

铝合金挤压模具寿命影响因素张洪辉（南山铝材总公司，山东龙口 265706）摘要：挤压模具的寿命是一个综合性的技术问题，它涉及到模具设计、模具材料、制造加工、热处理、表面处理、挤压工艺、模具修理、模具的科学管理等诸多方面。本文在实际生产经验的基础上，阐述了模具设计、选材、热处理和表面硬化处理，以及模具使用、修理和维护保管等因素对挤压模具使用寿命的影响。关键字：铝合金；挤压模具；寿命中图分类号：TG379 文献标识码：A 文章编号：Influence factors of aluminum alloy extrusion die lifeZHANG Hong-hui(Nanshan aluminum Co.Ltd，Shandong Longkou 265706, China)Abstract: The life of extrusion die is a comprehensive technical problems. It involves the die design, materials of die, manufacture, heat treatment, surface treatment, extrusion process, die repair and scientific management of die. In this paper, the factors influenced on the life of extrusion die including the die design, materials selection, heat treatment, surface harding and the die use, repair, storage was described on the basis of actual production experience.Keywords：aluminum alloy; extrusion die; life1 引言随着国民经济的日益发展及节能减排的要求，铝合金作为一种轻量化材料在各行各业的应用日益广泛1。近年来，铝合金型材，特别是超长、超宽整体型材作为一种性价比高的结构材料在高速列车车体中的应用逐渐增多。该种材料多采用挤压加工的方式进行生产，其中挤压模具对实现整个挤压过程有着重要的意义。模具寿命是评价某一挤压方法经济可行的决定性因素，模具费用约占挤压成本的20-30%。据相关资料报道：国外挤压模具的平均寿命，平面模为30-50t/模，分流组合模为15-20 t/模；国内平面模为6-10t/模，分流组合模为3-5t/模，可见差距相当大。因此，各生产厂都千方百计提高模具的使用寿命。影响模具寿命的因素很多，只有在理论和实践方面系统而深入地研究模具的工作条件，失效特性和原因，从模具设计、模具材质、热处理、加工、验收、制定合理挤压工艺、模具修理以及科学管理等全过程进行认真研究，才能真正找到提高模具寿命的途径。本文在实际生产实践中进行总结，提出了几点影响挤压模具寿命的因素。对这些因素进行有效的控制，才能大幅度提高挤压模具的使用寿命。2 模具的失效在铝合金挤压模具的失效形式中，裂纹与热裂纹约占模具报废量的10%，磨损失效约占87%，塑性变形约占3%，但是裂纹造成的危害相比其他两种要大的多。2.1 裂纹以下简要介绍两种模具（实心、空心）的典型裂纹形态。1) 实心模裂纹，其三种典型的形态如图1所示。图1 实心模子的裂纹形态靠近模子外周的模孔的角部产生裂纹，并沿径向扩展，如图1（a）所示；在空间（悬臂梁受挤压力的部分）大的孔型根部产生裂纹，朝内扩展，如图1（b）所示；在模孔周围生成很多细小裂纹，并沿孔的法线方向扩展，如图1（c）所示。2.2 磨损及塑性变形铝料在高温、高压下通过模型腔，并产生激烈的摩擦而造成磨损，它造成的模具失效形式有压坑、麻面、粗糙、擦伤和尺寸超差等。模腔工作表面在高温、高压下与铝金属产生高摩擦，表面温度升高而产生软化，在交变载荷作用下瞬间会发生塑性变形。常见的形式有分流模压塌、舌头或模芯缩颈、工作带压塌和悬臂梁压弯等。挤压生产中影响模具寿命的因素可用因果图表示，如图2所示2。图2 铝合金挤压模具失效因果图3 影响因素3.1 合理设计挤压模具挤压模具的设计是影响其寿命的首要因素，一个设计合理的模具可最大限度的增加模具的使用寿命。合理设计模具包括设计理论和设计方法的选择，结构设计计算，确定尺寸，校核强度和选择材质，以及经济技术指标的评价等3。模具设计是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺性设计，除了遵循机械设计原则外尚需考虑热挤压条件下各种工艺因素：如产品的断面形状和在模子断面上的合理摆放，金属的均匀流动，模子可能发生的变形情况，挤压合金，挤压机能力，挤压筒规格，铸锭形状及尺寸，残料分离情况，以及如何保证模具强度（这里牵涉到模具的配套与组装），产品出模孔的冷却方式如水冷、风冷、氮冷和牵引情况等。除了考虑上述因素外，还应尽可能使模具各部受力均匀，避免尖角、壁厚差悬殊，以免产生过大的应力集中，引起热处理变形和开裂。此外，还应考虑模具的刚性、通用性、互换性、标准化问题。总之，设计合理又经济的挤压模是一项十分复杂和困难的工作4, 5。近年来随着计算机技术和有限元技术的发展，CAD/CAM/CAE等技术广泛应用于铝合金挤压模具设计流程中6-9。挤压模拟仿真软件的应用使模具在设计阶段即可通过数值仿真验证模具设计的合理性与可靠性，极大的提高了挤压生产效率，降低了成本。3.2 正确选择模具材料目前，挤压铝、镁合金都广泛采用热作模具钢。铝合金热挤压加工变形条件复杂，工况恶劣，要求模具材料满足多种性能要求，其中最重要的是热强性、热稳定性、热疲劳强度和热耐磨性。目前，综合性能好且应用广泛的钢种为美国的H13，日本的SKD61，前苏联的4Cr2W5VMo和我国的4Cr5MoV1Si、5CrNiM0V1Si等10, 11。因挤压模具的工作条件差，故选择模具钢非常严格，一般须具备下列条件12：(1)高的强度和硬度值，在常温下应大于1500MPa；(2)高的耐热性，在500左右有抵抗机械负荷的能力，不过早地产生退火和回火现象，在工作温度下不应低于1000MPa；(3)在常温和高温下具有高的冲击韧性和断裂韧性值，以防止在低应力条件下或冲击载荷下产生脆断；(4)在高温下有良好的抗氧化稳定性，不易产生氧化皮；(5)在长时间的高温、高压、润滑不良的情况下，表面有抵抗磨料磨削的能力，特别是抵抗铝“粘结”引起的表面磨削作用；(6)有良好淬透性，以确保整个断面有高的、均匀的力学性能；(7)有抗激冷、热能力，以免产生疲劳裂纹；(8)高导热性，能迅速从模具表面散发出热量；(9)抗反复循环应力能力强，防止过早疲劳破坏；(10)有一定的抗蚀性；(11)热膨胀系数小，有良好抗蠕变性；(12)材料易于熔炼、锻造、加工和热处理；(13)立足于国内、价格适中。3.3 热处理及表面处理热处理工艺对模具钢的综合性能有很大的影响。对于4Cr5MoSiV1钢，经淬火、回火后硬度要求达到HRC48-52。其工艺如下：在820预热模具，保温时间为1.5-1.8 min/mm，然后升温至1050，保温时间为0.5-0.8 min/mm；固溶后油淬，再回火处理，在580-600保温时间为2-2.5min/mm，然后空冷。对于要求内应力保持在最低水平且精度高的模具应进行二次回火13。目前主要采用形变热处理和真空热处理等新工艺来提高模具钢的强度、表面硬度、疲劳强度和高温强度等。真空热处理的优点是：模具受热均匀，热处理变形只是常规热处理的1/3-1/5；抑制了表面氧化脱碳程度，模具表面清洁，提高了耐磨性和抗疲劳强度。所以真空热处理后模具使用寿命可提高30%-50%2。同时，为了提高模具的工作表面质量，改善其热硬性和耐热磨性，开发了很多表面强化处理方法，如表面激光处理、表面化学处理、气体软氮化处理和离子氮化处理，模具表面渗氮、渗硼、渗硅、渗铬，用电弧等离子或火焰喷涂上ZrO2、Al2O3、WC、TiC等14-16。特别是近年来发明的气体软氮化法获得了广泛的应用，模子寿命可提高2-3倍17。3.4 模具的修理在铝型材挤压生产中，模具是保证挤压产品的形状、尺寸精度和表面质量的关键工具，也是提高产品产量、劳动生产率、成品率、扩大品种、降低生产成本的主要因素之一。由于影响模具质量的因素非常复杂，要设计和制造出完美无缺、完全符合工艺要求的模具，实际上是不可能的。在实际生产中，为了减少挤压制品因模具质量而出现的各种缺陷（弯曲、扭拧、扩口、并口、波浪、尺寸超公差、表面裂纹或撕裂、平直度超标准、焊合不良、不成形或堵模及各模孔流速差过大等）以保证获得符合技术条件要求的产品，必须在挤压现场对模具进行边试挤边修理。铝合金在挤压过程中，由于受到各种工模具的强烈摩擦作用，其流速是极不均匀的，特别是挤压形状不对称、各部分尺寸相差很大、形状复杂的产品时，这种流动不均匀性会更显著增加。因此，用新制造的模具或用经多次挤压磨损的老模具进行铝合金挤压时，会不可避免地产生各种缺陷或废品。模具修理是弥补设计不合理和加工不准确的重要手段，模具在使用过程中不断磨损而造成某种失效，有的经过处理后仍可恢复使用功能。为了消除缺陷，使产品尺寸精度稳定，不产生严重扭拧、弯曲、擦伤、裂纹，使各模孔流出产品长短基本一致，轮廓基本平直，必须力求使产品横断面上各质点或各部分及多孔模的各模孔间的流出速度一致，或者说应力求保证产品断面上的各质点同时流出模孔工作带，即各质点的流动应力均等。这是模具设计者应遵循的基本原则，也是修模的基本原理。因此，修模的本质就在于调整金属的流量和流速，使之均衡的流出模孔18, 19。影响金属流出模孔速度的因素可归纳为两个方面：第一，供给产品断面各部分的金属分配量是否合理，即产品各部分断面积之比与各相应部分金属供应量之比是否相等，其中包括分流孔的大小、形状、数目、数量与分布；型材在模子平面上的布置、型材各部分距离挤压筒中心和挤压筒边缘的远近、多孔模的模孔间距离等。第二，金属流动时所受摩擦阻力的大小，其中包括分流孔的形状、大小、数目和深度；焊合腔的形状和深度；模芯与模孔工作带的长度及模孔与金属直接接触部分的表面状态和润滑情况。当型材某一部分可供给的金属量愈多，所受到的摩擦力愈小，则这部分型材流出模孔的速度就愈快。反之就愈慢。金属供给量的分配比例主要是由模具设计者确定的，当模具制造完成后金属的分配比例就固定了，因此设计时由于模孔布置不合理造成的各部分流速不均匀会给修模带来很大的困难。流动金属与模具之间的摩擦力由流动金属与挤压筒壁、模具端面之间的摩擦力和金属与模孔工作带表面之间的摩擦力两部分组成。当模具与产品一定时，单位压力P和型材各部分的周长l是一个定值，而当各部分的表面状态和润滑条件相同时，摩擦系数也认为是不变的，因此只要调整模孔工作带的长度就可调整金属流出模孔的速度。挤压模具的修理就是通过调整模孔工作带的长度、金属分配比例、模具的表面状态及金属与模孔的摩擦润滑条件等以达到调整金属流出模孔的速度来提高挤压产品质量的一种现场处理过程。现场修模主要通过调整阻碍角及纵向和横向间隙等来调节金属流速，修正尺寸，矫正形位，改善模具的表面状态，提高模具的使用寿命。为了达到上述目的，必须选用既简单方便，又经济实用的修模方法。可以通过补焊、镀铬、刷镀或其他方法修理模具，然后再采用机加工、电加工、化学加工和手工研磨等方法达到使用要求。修模的基本方法可分为阻碍、加快、扩大或缩小模孔尺寸、研磨与抛光及表面氮化等。修模前应对模子工作平面和工作带等处进行仔细观察与检测，并用不润滑和正常温度-速度规范进行试挤压，准确判断产生缺陷的原因以利于确定修模方法20, 21。模具修正主要是一种手工作业。因此主要需要手工工具，见。适用于修模工的典型工具有细锉（金属的或涂有金刚石砂）、砂纸和细砂布（可涂有金刚石砂）、卡尺、千分尺、手动磨具（带有各种金刚砂）、塞尺、锥度规、组合角尺、万能角度尺、圆角规、可调平垫铁、虎钳等。修模所需要的设备有喷砂（丸）机、铣床、钻床、辅助模具抛光的镗磨床和电火花机床等。图 3 修模用量卡具图 4 修模用磨头和铣刀3.5 模具的合理使用模具的合理使用主要是指不断改善设备结构和挤压工艺，改善模具的工作条件和环境，如采用水冷模或氮冷模，充分润滑，减轻模具的工作负担，降低工作压力，尽量避免冲击和振动、激冷、激热。应合理组装、合理加热，平模以每小时700的最高速度加热到温后至少要保温2h，而对组合模要慢一点加热，到温后保温不少于4h，还应同时加热模垫和模支承，使温度相一致。要尽量选取专用模后座或垫环。不管平模还是组合模、舌型模，在使用时充填速度一定要慢，尤其是换模挤压第一根制品时尤为重要，充填速度过快，会造成堵模和压坏模具。一个模子不能一次连续性挤压过多的坯料，平模以挤压100-150块铸锭为宜，组合模以80-120块为宜，然后碱洗、光模后再用。热模应降至80下再碱洗，否则剧烈热冲击会使模子产生裂纹。3.6 模具的科学管理对模具的使用进行科学的管理，同样也是提高模具使用寿命的一个重要方面。在实际生产中，应注意以下两方面的内容：1) 建立科学的管理制度。模具坯料质量检验制度，主要包括化学成分分析、超声波探伤、组织分析、力学性能分析、表面质量、规格、尺寸偏差等；制造过程中自检、互检、专检和验收员复验制度；设计过程中校对、审查、汇签和图纸资料的编制、复印、发放、保管、修改；模具库房管理制度，还应设专人统一管理；模具台帐管理，对模具进行分类、分架存放，做到帐、物、牌三对照；模具档案管理；模具入库、出库定期清点、检查；合理制定模具的消耗定额和储备定额。2) 建立模具质量管理点，严格监视全过程的质量。建议由模具设计员、计划员、工艺员和操纵手组成生产技术管理点。质量控制点的主要任务是按照TQC活动的要求，根据不同岗位的性质、内容和质量责任严格控制加工标准和技术规格，分析质量事故和失效原因，总结经验教训，不断完善规章制度，以提高模量质量和延长模具使用寿命。4 结论本文从实际生产角度出发对铝合金挤压模具失效的原因进行了分析，并从挤压模具的设计、正确选择模具材料、模具的热处理和表面处理、模具的维修等方面提出了延长模具寿命的意见，具有指导意义。另外，对模具的合理使用及实行科学的管理、改进挤压工艺和工作条件等都可以提高模具的使用寿命。参考文献 1肖亚庆. 铝加工技术实用手册M. 北京: 冶金工业出版社, 2005. 2苗瑜, 刘方友. 影响挤压模具寿命的因素浅析J. 轻合金加工技术, 2000(10):34-36. 3李学忠, 刘静安. 国外铝合金挤压模具设计技术介绍与分析J. 有色金属加工, 2009(02):29-35. 4舒洁, 刘全坤, 胡龙飞. 铝合金挤压模具型腔曲线优化设计J. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2008(01):85-88. 5胡龙飞. 铝型材壁板挤压模具结构优化设计研究D. 合肥工业大学材料加工工程, 2008. 6潘健怡, 周照耀, 王尧, 等. 两种数值模拟方法在铝合金挤压模具优化设计中的对比J. 轻合金加工技术, 2009(09):47-51. 7吴向红. 铝型材挤压过程有限体积数值模拟及软件开发技术的研究D. 山东大学材料加工工程, 2006. 8罗中华. 有色合金半固态触变挤压成形数值模拟技术与挤压组合凹模优化设计D. 上海交通大学材料加工工程, 2005. 9黄东男, 李静媛, 谢建新. 复杂断面空心铝型材热挤压稳态过程数值模拟分析: Lw2007铝型材技术(国际)论坛, 广州, 20