《冲压模具设计与制造》-第6章

第6章冲压模具材料与使用寿命

模具制造包括模具的设计、选材、热处理、机械加工、调试安装等过程。根据调查表明:模具失效的因素中，模具的材料和热处理是影响寿命的主要因素因此，作为模具工作者包括模具设计人员，首要的任务是正确选用并合理使用模具材料，以保证模具的正常使用寿命。返回6.1冲压模具材料6.1.1冲压模具材料的性能和种类1.模具工作零件材料的性能要求模具材料的性能相对于一般零件较高，一般从使用性能和工艺性能两大方面考虑。下一页返回6.1冲压模具材料

1)使用性能对冷冲模具钢使用性能的基本要求是具有高硬度(≥58~64HRC)和高强度，具有高耐磨性和足够的韧性，热处理变形小，有一定的热硬性。不同的冷冲模对模具钢的性能要求是有区别的。冲裁模要求高硬度、高耐磨性和一定的韧性;拉深等成形模要求高耐磨、抗黏合能力;冷挤压模要求高的耐磨性、抗疲劳强度和较高的韧性。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

2)工艺性能由于冷冲模工作的零件一般要经过较复杂的制造过程，因而必须具有对各种加工工艺的适应性。对冷冲模具材料的工艺性要求包括可锻性、加工工艺性、脱碳、氧化的敏感性、淬硬性、淬透性、过热敏感性、淬火裂纹敏感性以及磨削加工性等。下一页返回上一页6.1冲压模具材料2.模具材料的种类冷冲模材料主要是指工作零件所用的材料。目前用于制造中小型冷冲压模具工作零件的材料有:碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬工具钢、高碳中铬工具钢、高速钢、基体钢、硬质合金和钢结硬质合金以及锌合金、低熔点合金、塑料、环氧树脂、聚氨酯橡胶、承压板、桦木板等。其中各种工具钢是模具工作零件的主要材料;硬质合金用于高使用寿命大批量生产的模具;其他材料主要用于制造大型冲压件的成形模或简易模具。现将常用模具钢的特点和应用范围简介如下。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

1)碳素工具钢在模具上应用较多的碳素工具钢有T8A、T10A等，其优点是加工性好，价格便宜，但淬透性和淬硬性较差，热处理变形大。适用于制造工作负荷不大、形状简单的工作零件和要求耐磨的其他模具零件，如垫板、侧刃、废料切刀、斜楔、滑块、导正销、非标准导柱、导套等。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

2)低合金工具钢用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Cr15、9Mn2V等。这类钢具有高淬透性，热处理变形小，有较高的硬度和耐磨性。常用作形状复杂的中小型冲模和弯曲模的工作零件。其中9Mn2V是我国资源较多的钢种，可优先选用。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

3)高碳高铬工具钢常用的高碳高铬工具钢有Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等。这类钢具有较好的淬硬性、淬透性、耐磨性、抗回火稳定性，热处理变形小。这些材料碳化物偏析严重，必须经过锻打后，效果才更显著，常用于制造工作负荷大、耐磨性要求高、形状复杂的精密模具的工作零件和冷挤压的凹模。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

4)高碳中铬工具钢用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4WV和Cr4W2MoV。其中Cr4W2MoV是一种空冷微变形模具钢，其特点是共晶碳化物颗粒细小，分布均匀，具有较高的淬硬性、淬透性、耐磨性和尺寸稳定性，可以作为上述几种高碳高铬工具钢的代用品，常用作硅钢片冲裁模的工作零件和冷挤压凹模。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

5)高速钢模具中常用的高速钢有W18Cr4V、W9Cr4V2和含钨量较少的钼高速钢W6Mo5Cr4V2及6W6Mo5Cr4V。这类钢具有高强度、高硬度、高耐磨性、高韧性和抗回火稳定性等优点。这类材料需锻打，才显其性能特点。其中6W6Mo5Cr4V有更高的韧性，耐磨性略差，但可用低温氮碳共渗提高其表面硬度和耐磨性，用作反挤压凸模，使用寿命较高。高速钢也需要锻打，只有小直径高速钢模具工作部分零件才不需要锻打。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

6)基体钢在高速钢基体成分上添加少量的其他元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能，这样的钢种统称基体钢。如基体钢65Cr4W3Mo2VNb(简称65Nh)，不仅具有高速钢的特点，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，材料成本比高速钢低。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

7)硬质合金和钢结硬质合金硬质合金与其他模具钢比较，具有更高的硬度和耐磨性，抗压强度高，弹性模量大，因此硬质合金模具比一般合金模具的使用寿命可提高30~50倍。虽然成本比钢模具高出3~4倍，但在大批量生产中仍然可以取得显著的综合经济效益。硬质合金有钨钴类和钨钴钦类两种。用作模具的硬质合金是钨钴类。对冲击性小而要求耐磨的模具可选用含钴量较低的YG6、YG8、YG11。对冲击性大、工作压力大的模具，应选取含钴量较高的YG15、YG20、YG25等。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

硬质合金的显著缺点是抗弯强度和韧性差，加工困难。而以钢为基体的钢结硬质合金却能起到取长补短的作用。钢结硬质合金是向铁粉加入少量的合金元素(如铬、钼、钒、钨等)粉末做粘接剂，以碳化钦或碳化钨为硬质相，用一般的粉末冶金法烧结而成。其综合性能较好，可以切削、焊接、热处理，甚至可以锻造。同时又因其含有大量的碳化物，经淬火、回火后硬度可达HRC68~73，并有良好的耐磨性。下一页返回上一页6.1冲压模具材料6.1.2冲压模具材料的选用及热处理要求1.冲压模具材料的选用模具材料的种类很多，同时，冲压工序和被冲材料种类也很多，实际生产条件又不尽相同，因此，要做到合理选择模具材料，提出恰当的热处理要求，必须根据模具的工作条件、生产批量、模具材料市场供应情况及模具材料的可加工性等，进行认真的分析比较，有所侧重地选择模具零件材料。冲压模具选材的原则主要有以下几点。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

1)生产批量当冲压件的生产批量大时，工作零件材料应选取强度高、耐磨性好的模具钢，如CrWMn、Cr12MoV等，对于模具的其他工艺结构和辅助结构部分的工作零件的材料要求也要相应提高。批量不大时要考虑降低成本，可适当放宽对材料性能的要求。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

2)被冲压材料的性能、工序性质和模具的工作条件当被冲压加工材料较硬或变形抗力较大时，模具工作零件的材料应选取耐磨性能好、强度高的材料。对于模具工作条件较差的冷挤压模，应选用硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，如W18Cr4V、GCr15、W6Mo5Cr4V2等，同时应具有一定的淬硬性和热疲劳强度等。下一页返回上一页6.1冲压模具材料

3)模具材料加工性能选取模具材料应根据工厂现有设备及技术水平条件，综合考虑材料的冷、热加工性能，使所选材料与其相适应。

4)生产使用情况选取模具材料时，应考虑我国模具钢的现实生产和使用情况，尽量少用进口材料，并且品种规格尽量少而集中，以便于采购管理总之，模具材料的选取是一个复杂的问题，在保证冲压工艺要求的前提下应尽量做到节约，是模具选材的总原则。下一页返回上一页6.1冲压模具材料2.模具材料热处理要求

表6-1和表6-2分别列出了冲模工作零件和其他一般零件的材料及热处理要求，可供设计者参考借鉴。随着模具工业的发展，一些新型模具钢研制成功，建议根据实际情况，积极推广使用，以提高模具的使用寿命，尤其是高效精密冲模更要优先选用新型模具钢。返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的件数，称为模具的使用寿命，简称模具寿命。下一页返回6.2冲压模具的使用寿命6.2.1冲压模具的工作条件及失效形式

1.各种冷冲压模具的工作条件各种冲压模具的工作零件一般都是整个模具中受力最大，工作条件最差的零件。各种冲压模具的工作零件都承受一定的压力和摩擦力。其中凸模在工作时都承受着压力，在回程时又承受着脱模所产生的拉力，这就构成了拉一压循环应力。如果坯料偏斜(或由于送料误差的原因)则承受偏心载荷。以上受力情况可能使凸模折断或疲劳断裂。凹模在工作时一般都承受径向压应力和切向压应力，而且都是周期变化的循环应力，可能导致导致凹模的疲劳破坏。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

但各种冲压工序的冲模，其工作条件又有区别，有的还有很大的区别。冲裁模刃口承受较大的挤压应力和摩擦力;挤压模的凸模和凹模模腔不但承受巨大的压力，而且工作表面受到强烈的摩擦，其表面的瞬时温度达到200~300℃;拉伸模和弯曲模工作表面承受较强烈的摩擦力，尤其是凹模的摩擦力更大。综上所述，冷挤压模和冲裁模，尤其是冷挤压模，工作负荷大，因而对模具的要求也较高。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命2.冷冲压模具的失效形式模具经过使用，由于种种原因，不能再冲出合格的冲件，也不能再修复，这种情况一般称为模具失效。冷冲模失效形式主要有以下几种。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命1)磨损失效冲裁模刃口的磨损过程大体分为3个阶段(图6-1):初期磨损、正常磨损和急剧磨损。使用时应控制在正常磨损阶段内，出现急剧磨损时，应立即复磨复磨多次，模具无法恢复原有精度，不能冲出合格冲件，这就是模具磨损失效其他类型模具大体上也是这种情况。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

模具磨损可以分为摩擦磨损和黏合磨损两种。在冷冲压加工中，黏合磨损必须引起注意。所谓黏合磨损是指模具工作零件黏合上了被加工材料的微粒和碎屑，使模具工作零件表面变得很粗糙，导致摩擦阻力增大，磨损加剧。其结果使模具工作零件表面与材料间的局部压力和温度升高，进一步促进了黏合现象的产生，从而有进一步加剧了模具的磨损，形成恶性循环，致使模具寿命很快下降。当产生黏合磨损后，冲件表面就会出现拉痕。此时应对模具进行修整、研磨。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

不同冲压工序的模具，其工作零件的磨损形式和磨损严重程度不同。对于拉深、弯曲，特别是冷挤压工序，磨损较严重，摩擦磨损和黏合磨损都存在;对于冲裁模，摩擦磨损较突出。有些金属材料，如奥氏体不锈钢，镍基合金，精密合金等，对模具表面有较强烈的黏合作用，更容易产生黏合磨损。模具在使用过程中因磨损而失效，通常认为是一种正常的失效方式。在薄板冲压中，模具的磨损失效一般是模具失效的主要形式。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命2)变形失效由于模具工作零件承受的应力超过了本身材料的屈服强度，因而产生塑性变形，过量的变形使模具工作零件的几何形状或尺寸超过了许可的范围就是变形失效，如凸模的镦粗和弯曲，模具工作零件表面的压塌和皱纹等。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命3)断裂失效模具在使用过程中突然出现裂纹而失效。按损坏的范围可分为局部破损，如剥落、崩刃如图6-2(a)、(b)所示;整体破损，如断裂，胀裂等，如图6-2)、(d)所示。按断裂过程特征可分为疲劳断裂和早期断裂。疲劳断裂一般是在承受周期变化重载荷，模具上冲压一定数量工件之后发生，如冷挤压模、冷镦模。早期断裂是由于模具材料存在冶金、热加工、切削加工的缺陷或操作不当等原因造成的。早期断裂一般发生比较突然，模具寿命很短。发生在早期断裂不但使模具失效，还可能发生事故，必须引起注意。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命4)啃伤失效由于模具的装配质量差，压力机导向精度低，模具安装调整不当，送料误差等原因，使凸、凹模相碰，造成刃口崩裂，冲压件毛刺突然增大。一旦发生啃伤，模具复磨量会很大甚至不可能修复。模具在工作中可能同时出现多种失效形式，各种形式之间又相互渗透、相互促进、各自发展。所以，了解了模具失效形式，就可以进一步分析模具的失效原因，找出影响模具失效的各种因素，从而提高模具质量，延缓模具失效。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命6.2.2影响模具寿命的因素及提高模具寿命的措施

1.冲压工艺及冲模设计对模具寿命的影响正确的冲压工艺及冲模设计是保证模具寿命高的前提。关于冲压工艺及冲模设计已在前面有关章节作了详细论述，这里进一步强调以下几点:下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命1)冲压使用原材料对模具使用寿命的影响实际生产中，由于冲压使用原材料的厚度公差不符合要求、材料性能的波动、表面质量差和不干净等而造成模具的工作零件磨损加剧、崩刃的情况时有发生。因而注意以下几点。

(1)冲压前应对原材料的牌号、厚度、表面质量进行严格检查。

(2)尽量采用工艺性好的材料，以减少冲压变形力，改善模具的工作条件。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命(3)保证材料表面质量和清洁对任何冲压工序都是必要的。为此，材料在加工前应擦洗干净，必要时还要清楚表面氧化物和缺陷。

(4)应根据冲压工序性质和原材料种类，安排必要的软化处理和表面处理与润滑工序。如下图6-3所示为精冲板料厚度为5.8mm、经球化退火的20Cr4钢，不同的润滑剂对模具使用寿命的影响。由此可见润滑及恰当选择润滑剂是很重要的。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命2)排样与搭边对模具使用寿命的影响排样方法与搭边值对模具使用寿命的影响甚大。不必要的往复送料排样法和过小的搭边值往往是制造出模具磨损和凸凹模啃伤的重要原因。因此，在考虑提高材料利用率的同时，必须根据零件产量、质量和模具使用寿命，慎重确定排样方法和搭边值。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命3)模具的导向结构对模具使用寿命的影响必要和可靠的导向，对于减小工作零件的磨损，避免凸凹模啃伤极为有效，尤其对于无间隙或小间隙冲裁模、复合模和多工位级进模更为重要。为提高模具的使用寿命，必须根据工序性质和零件精度等要求，正确选择导向形式和导向精度。导向精度应比凸凹模配合精度高。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命4)模具几何参数对模具使用寿命的影响凸、凹模的形状、间隙和圆角半径不仅对冲件成形影响极大，而且对模具的磨损影响也很大。如图6-4所示为间隙值和搭边值对凸模磨损的影响，从总的趋向看，采取较大间隙值和较大搭边值，有利于减小磨损，提高模具的使用寿命。如图6-5所示为正挤压凹模的金属入口处的形状和圆角半径对模具使用寿命的影响。图6-5(a)的模具寿命为1.5万件;图6-5(b)的模具寿命为2万件;图6-5(c)的模具寿命为8万件;图6-5(d)的模具寿命为15万件;图6-5(e)的模具寿命为30万件。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命2.模具材料对模具使用寿命的影响据统计，模具材料性质及热处理质量对模具寿命的影响是影响模具寿命的各种因素中最重要的因素。模具材料对模具使用寿命的影响是模具材料种类、化学成分、组织结构、硬度和冶金质量等的综合反映。模具材料种类对模具使用寿命的影响是很大的，如图6-6所示是用不同模具钢制造弯曲模对同一种弹簧钢板进行弯曲试验的结果。模具工作零件硬度对模具使用寿命的影响也很大。但并不是工作零件的硬度愈高，模具的使用寿命愈长。有的冷冲模要求硬度高，使用寿命长。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

例如采用T10钢制造硅钢片的小孔冲模，硬度为56~58HRC，只有几千次，冲件毛刺就很大，如果将硬度提高到60~62HRC，则刃磨的使用寿命可达2万~3万次，但如果继续提高硬度，则会出现早期断裂。有的冷冲模则硬度不宜过高，例如采用Cr12MoV制造六角螺母冷墩冲头，其硬度为57~59HRC时，一般使用寿命为2万~3万件，失效形式是崩裂;如将硬度降到52~54HRC，使用寿命提高到6万~8万件。由此可见，模具硬度必须根据冲压工序性质和失效形式而定，应使硬度、强度韧度、耐磨性、耐疲劳强度等达到特定冲压工序所需要的最佳配合。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

在讨论材料对模具寿命的影响时，不能忽视材料的冶金质量对模具寿命的影响。尤其是高碳合金钢，冶金缺陷较多，往往是模具淬火开裂和模具早期破坏的根源。因而提高材料的冶金质量也是提高模具寿命的重要方面。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命3.模具的热加工与表面强化对模具使用寿命的影响模具的热加工包括锻造、预先热处理、粗加工后的消除应力退火、淬火与回火、磨削后或电加工后消除应力回火等。模具的热加工质量对模具的性能与使用寿命影响很大。实践证明，模具工作零件的淬火变形与开裂，使用过程中的早期断裂，与模具的热加工工艺关系甚大。根据模具失效原因的分析统计，热处理不当引起的失效占50%以上。实践证明，高级的模具材料必须配以正确的热加工工艺，才能真正发挥材料的潜力。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

锻造是模具工作零件制造过程中的重要环节。用工具钢尤其是用高合金钢制造模具工作零件，一般要对碳化物分布等金相组织提出要求。为此，应严格控制锻造温度的范围，制定正确的加热规范，采取正确的锻造方法，还应选用足够能量的锻压设备，以充分的变形量进行多向反复锻打。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

模具工作零件毛坯的预先热处理，视材料和要求的不同有退火、正火、调质等。正确的预先热处理规范，对改善组织，消除锻造毛坯的组织缺陷，改善加工工艺性能等起很大作用。模具钢经适当的预先热处理可消除网状二次渗碳体或链状碳化物，使碳化物球化和细化，从而提高碳化物分布均匀性。这样的组织经淬火、回火后质量高，可大大提高模具寿命。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

模具材料的淬火与回火是保证模具工作零件性能的中心环节。淬火与回火工艺合理与否，对模具的承载能力和使用寿命有直接的影响。对于用工具钢制造的冷冲模应特别注意在淬火加热时防止氧化和脱碳，为此应严格控制热处理工艺规范或采用真空热处理等先进的加热处理方法。模具工作零件在粗加后进行消除应力退火(或称高温回火)的目的是消除粗加工带来的内应力，避免淬火时产生过大的变形和裂纹。精度要求高的模具，在磨削或电加工后还需经过消除应力回火，以稳定尺寸、提高模具寿命。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

模具工作零件表面强化处理的目的是获得外硬内韧的效果，从而得到硬度、耐磨性、韧度、耐疲劳强度的良好配合。模具表面强化处理方法很多，表面处理的新技术新工艺发展很快。除液体碳氮共渗和离子渗氮、渗硼、渗硫、渗铌、渗钒和电火花强外，化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)已逐步应用。用高频淬火、喷丸、滚压等表面硬化处理，可使模具工作零件表面产生压应力，提高耐疲劳强度。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命4.模具加工工艺对模具使用寿命的影响模具工作零件需要经过车、刨、铣、钻、磨、冷压、刻印以及电加工等多道加工工序。加工质量对模具的耐磨性、抗断裂能力抗黏合能力都有显著的影响。模具的表面粗糙度对模具使用寿命的影响很大，因而，对模具工作零件表面一般要求很高，表面粗糙度值很小，为此，一般都有经过磨削、研磨、抛光等精加工和精细加工。下一页返回上一页6.2冲压模具的使用寿命

在模具工作零件加工过程中必须防止磨削烧伤工作零件表面，为此应改进热处理工艺，消除热处理组织应力，严格控制磨削工艺条件和工艺方法(如砂轮硬度、粒度、冷却、进给量等参数)。还要防