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减少锻模过早失效的方法

近年来，随着机械加工要求提高，少或无切削加工工艺的发展及推广，对锻造工艺、锻件余量及锻模质量要求越来越高。热锻模是锻件在高温下通过冲击加压强迫炽热金属成形的工具，其质量不仅影响生产效率，而且关系到锻件成本的高低。如何减少锻模过早失效，提升模具寿命，成为当今锻造行业许多工程技术人员长期研究的重大课题。

热锻模受力分析

热锻模在工作中除承受很大的冲击负荷外，还受到很大的压应力、拉应力和弯曲应力及热坯料在锻模型槽中流动产生的强烈摩擦力，模具表面与温度为1100～1200℃的锻件紧密接触，因而它的表面将被加热到300～400℃，而锻造过程中用冷却介质进行冷却，模具反复受到加热和冷却，从而引起体积反复收缩，极易产生疲劳裂纹。疲劳裂纹、开裂、塌陷磨损（图1)是锻模型槽失效的主要形式。通过如图2所示鱼骨图，对模具失效原因进行了分析，结合日常使用实际，可以知道模具失效的早晚，影响模具寿命的高低是一个与模具基体材料、模具设计、加工工艺、锻造工艺、锻件材料、模具使用预热、冷却、润滑、维护与保养及环境温度等各个方面有直接或间接联系的综合性问题。

失效原因分析及改进方案

锻模原材料和锻件材质

⑴模具的原材料。锻模工作条件及环境极其恶劣、复杂，因此需要有一定的硬度和足够的耐磨性、红硬性。硬度过低会导致过快磨损，但由于热锻件的可塑性较好，也不必追求过高的硬度，以防在锻造过程中出现异常导致开裂；在高温下模具要有较高的硬度和良好的冲击韧性，使模具在高温、高压、高冲击下不变形、不破坏；模具还要有良好的导热性能，保证模具表面的热量迅速传出，同时要有优良的耐热疲劳性。根据以上要求热作模具钢一般选用5CrNiMo、4Cr2MoVNi、45Cr2NiMoVSi、5CrNiMoV等材料。模具的冶炼质量是关系到模具过早失效的基础，化学成分的含量、均匀度、纯度都直接影响着模具的使用寿命。

⑵锻件材质。锻件的化学成分直接影响模具的使用寿命，含合金元素越多，金属的流动性越差，锻造时对模具表面的摩擦系数越大，模具表面磨损越快。因锻件材质多为客户需求，不能随意改变，所以应当适当增加锻造温度达到工艺范围的上限（同时防止锻件过烧)，从而提高金属流动性。对于合金元素含量少的原材料，适当降低锻造温度至工艺范围下线。一般锻造温度选用1120～1180℃。

从而可见减少锻模过早失效的第一种方法为：选择淬透性较高、耐磨性、红硬性较好的锻模材料，适合的模具加工工艺，锻件合金元素较多的用锻造温度上限，反之，用锻造温度下限。

工艺设计

⑴锻模型槽的排布是以型槽的种类、数量与型槽的错移量为依据，最好的排布是型槽中心与锻模中心一致。

⑵没有卡压、拔长、制坯等预锻型槽时，终锻型槽中心与锻模中心相重合，以减少错移量对锻件质量的影响，同时消除锻造偏击造成的模具损坏。

⑶反之，有卡压、拔长、制坯等预锻型槽时，终锻型槽中心不能与锻模中心一致，但为了减少错移量和偏击，应争取终锻和预锻型槽中心靠近锻模中心，以防止因偏击造成模具过早磨损或开裂。

⑷锻造前的制坯工序也是减少锻模过早失效的关键，制坯余料太多，就会造成预锻或终锻时余料太多，金属不易在型槽中流动，热锻件与模具表面摩擦力加大，而使模具磨损严重或造成模具开裂。

⑸模具型腔圆弧在图纸允许的情况下，尽量做得大些，用以减少模具的内应力，同时也有利于金属的快速流动，而不至于造成金属的回流、涡流等现象而使模具失效、锻件报废。

由此可见，减少锻模过早失效的第二种方法为，在模具开发设计之初就要合理的布置模具型腔，适当的控制制坯余量，尽量加大模具型腔R角。

加工工艺

锻模加工工艺通常为：锻造→退火→加工外形→粗扒型腔→淬火、回火→精加工型腔。

⑴锻模用模块必须经过充分的锻造，用钢锭制造模块必须经过镦粗，镦粗比≥2，锻造比≥3，以此使内部孔隙压合，铸态树枝晶被打碎，使其内部组织尽可能均匀，模块的纵向和横向力学性能均得到明显提高。模块金属流线应垂直于打击方向，且流线被模具型腔割断的数量越少越好，绝对不允许流线平行于打击方向。对于长轴类锻件其锻模燕尾纵向应与模块纤维方向平行，对于回转体镦粗类锻件其锻模燕尾纵向应与模块纤维方向垂直，如图3所示。

⑵模块锻造后要进行退火处理，以消除锻造应力，细化晶粒，均匀组织，便于切削加工。

⑶因受模块淬透性的影响，采用先粗加工，再热处理的工艺，可以保证模具型槽有较高的硬度和较深的硬度层。

⑷淬火、回火是保证模具寿命的关键工序，必须制定合理的淬火温度、保温时间。温度过高、时间过长、回火温度太低会造成模具的过热或过烧，导致模具的韧性不足，在工作时易产生裂纹。反之，虽然韧性高，但强度、硬度和耐磨性会降低，从而使模具容易被压坏或快速磨损。合理的冷却工艺可防止回火脆性的产生，回火后一般采用油冷，在100℃出油空冷，且模具回火至少要保证两次回火。模具热处理是行业里的“良心活”，必须找有资质的信得过热处理企业进行处理，以保证模具内部组织结构的合理合规。

⑸模具表面处理技术的应用也可提高模具的耐磨性，减少过早失效，提升模具寿命。如表面渗氮、渗碳、碳氮共渗、激光熔覆等。

由此可见减少模具过早失效的第三种方法为：合理的锻造、热处理工艺，适宜的加工工艺顺序及表面处理技术。

锻模堆焊

模具堆焊的实质就是用焊接的方法，将具有一定使用性能的合金材料熔覆在模具型腔表面，赋予已失效的模具新的使用性能的工艺方法。近年来堆焊技术修复热锻模具逐渐得到广泛应用。其优越性主要体现在以下几方面。

⑴节约成本费用。利用堆焊技术修复后，减少新模块的投入使用，可节省25%～75%的成本费用。

⑵提高模具使用寿命，降低设备停机时间。与原模具相比，经堆焊修复的模具，使用寿命可不同程度的增加30%～300%，模具寿命明显延长，同时大大降低因模具损坏带来的设备停机。

⑶缩短模具制造周期，减少备用件数。通过堆焊修复，大大缩短了新制模具的采购制造周期，提高投产速度，同时堆焊后改制代用的方式，减少了模具的备用件数，进一步节约成本；

由此可见减少锻模过早失效的第四种方法为：模具堆焊技术，该技术不仅可以提高模具寿命，还可以减少模具成本，缩短制造周期。

锻模的使用

⑴锻模在使用前要进行预热，预热温度一般在150～200℃，且要保证预热的均匀性，以防止模具存在较大应力，而在高压锻打冲击下发生断裂。常用的预热方法有：制造可加热的工位器具（预热器)、模具预热炉、热锻件预热等等。

⑵锻模的冷却润滑也是关系到锻模过早失效的关键因素之一。用润滑剂均匀喷洒在模具型腔表面，即起到模具润滑作用，使锻件快速脱模，又能起到对模具表面快速冷却降温的作用，不至于使型腔表面温度过高，使得型腔退火，硬度降低，造成模具过早塌陷磨损。且在工作中要充分对模具进行润滑，最少做到一件一润滑且随形润滑，大型复杂件应加大冷却润滑频次。常用的锻模润滑剂有：重油和盐水配合使用、水玻璃润滑剂、石墨乳润滑剂等等。

⑶加强模具使用培训，强化成本意识，提升员工素质，强化模具使用过程中、使用后的维护及保养，对防止模具过早失效也是至关重要的因素。

由此可见减少模具过早失效的第五种方法为：保证模具预热温度及均匀性，选用合理的润滑剂并在生产过程中充分冷却润滑，提升员工素质减少模具过早失效的人为因素。

结论

模具的质量，是无论设计者、制造者，还是模具的使用者都应积极关心的问题，模具材料的选用、加工工艺的选择、模具使用条件的差异等等都不同程度的影响模具寿命。模具寿命的影响因素多、涉及面广，只有从各个方面入手，促使各环节的合理合规性，减少模具过早失效，从而提升模具寿命，提高锻件综合性价比，才能在残酷的锻造市场竞争中赢得优势。

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