影響鋁擠壓模具壽命的因素探討

1、前言
延長擠壓模具的使用壽命一直是鋁加工企業(yè)十分關(guān)注的問題，模具壽命的長短直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品成本，采取哪些得力措施來延長模具的使用壽命，不少企業(yè)都有自己的獨到之處。為了更好地改善鋁擠壓模具的質(zhì)量和提高其使用壽命，本文從模具的材質(zhì)選擇、模具的優(yōu)化設(shè)計、熱處理工藝的選擇與模具的科學(xué)使用四個方面作了剖析，并有針對性地提出切實可行的對策。

2、影響因素分析

2．1 模具材料性能的影響

擠壓模具是在高溫高壓下作業(yè)，并承受周期載荷的作用，因此對模具鋼的性能要求相當(dāng)高，一般制造模具的材料應(yīng)具有熱穩(wěn)定性、熱疲勞性、熱耐磨性和足夠的韌性。前些年國內(nèi)常采用3Cr2W8V鋼制造模具，但它的韌性低，抗疲勞強度不好，即使采用高溫淬火等工藝處理措施亦不能滿足要求，模具的早期失效十分嚴(yán)重，近年來已被****模具鋼4Cr5MoSiV1（H13鋼，其化學(xué)成分見表1）所取代，與3Cr2W8V鋼相比，4Cr5MoSiV1鋼具有兩個突出特點：一是有良好的高溫綜合性能和較高的熱疲勞抗力；．二是組織中含有較多的Cr、Mo元素，氮化處理時能生成豐富穩(wěn)定的氮化物并彌散分布。所以，**延長模具的使用壽命而言，選用H13鋼加工模具還是比較合適的。統(tǒng)計數(shù)字表明：用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同種模具，前者的使用壽命是后者的3～5倍。

                                                                  表1 4Cr5MoSiV1的化學(xué)成分
2．2 模具設(shè)計方案的影響

模具設(shè)計的合理得當(dāng)，是延長其使用壽命的重要環(huán)節(jié)。擠壓鋁型材一般存在斷面不對稱和壁厚不相等現(xiàn)象，在設(shè)計模具時應(yīng)給予重視，既要考慮?？孜恢玫呐帕?，又要結(jié)合具體情況，通過改變?？坠ぷ鲙У母叨葋砀纳平饘俚牧鲃有?。下面**模具設(shè)計存在的一般問題略作分析：

（1）對于壁厚不相等的型材，采用不等長工作帶的方法設(shè)計。見圖1的丁字型材，通常依據(jù)經(jīng)驗公式h1/h2＝b1/b2來確定工作帶的高度。

式中 h1、h2－－－－表示截面處的相應(yīng)工作帶高度；

b1、b2－－－－表示截面處的相應(yīng)型材厚度。

因為這樣設(shè)計更能****金屬流動的均勻性。

圖1 壁厚不相等的丁字型材
（2）適當(dāng)調(diào)整過渡圓角的半徑和工作帶長度，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。見圖1，A處過渡圓角流動阻力較大，金屬不易充滿，此處工作帶的設(shè)計應(yīng)稍小于正常值，而B處過渡圓角的流動阻力**較小，金屬易充滿，對應(yīng)的工作帶長度應(yīng)略大于正常值。

（3）模孔尺寸的確定應(yīng)綜合考慮型材性質(zhì)和模具材料的收縮率，對于6063鋁合金與常用模具鋼4Cr5MoSiV1，設(shè)計時模孔的收縮率應(yīng)取1．01%－1．09%（可根據(jù)?？壮叽绲拇笮∵m當(dāng)選?。?。

（4）根據(jù)延伸系數(shù)確定?？讛?shù)目。模孔數(shù)目直接影響到延伸系數(shù)的大小，擠壓比過大會使擠壓力超過正常值而損壞模具，過小則會使擠壓制品的機械性能下降，一般擠壓系數(shù)（延伸系數(shù)）宜在10－50之間。

（5）合理布置?？孜恢?。在設(shè)計時不宜將模孔布置得過于靠近邊緣，否則將會降低模具強度，導(dǎo)致死區(qū)金屬參與流動而影響制品表面質(zhì)量。擠壓三角型材時，圖2的模孔布置**比較適宜。

圖2 角型材模孔布置

2．3 熱處理工藝的影響

要延長模具的使用壽命，熱處理工藝的恰當(dāng)與否甚為重要，影響熱處理質(zhì)量的主要因素有加熱速度、淬火溫度、淬火速度和回火溫度等。經(jīng)過分析與實踐，下列熱處理工藝適合一般企業(yè)，能滿足4Cr5MoSiV1鋼在高溫下的機械性能要求（見圖3）。

                                                    圖3   4Cr5MoSiV1鋼的熱處理工藝示意圖
（1）預(yù)熱：溫度為600－630℃，保溫時間為1．5－2．Oh（視模具大小而定），然后升溫到830～850℃，保溫1．5－2．Oh。此工藝過程為淬火前的預(yù)處理，它能合理調(diào)整工件內(nèi)部的微觀缺陷，為淬火準(zhǔn)備必要的條件。

（2）淬火：在預(yù)處理的基礎(chǔ)上，把加熱溫度升高到1040－1080℃，保溫2－2．5h出爐油淬，待工件溫度降到130℃左右時從油中取出空冷。

（3）回火：淬火后的模具內(nèi)部有較大的內(nèi)應(yīng)力，必須在1～2h內(nèi)對工件進行回火，以消除淬火時產(chǎn)生的應(yīng)力。為了避免工件開裂，回火前也應(yīng)加熱均勻，具體方法為：把工件加熱到380－400℃保溫1小時左右再緩慢升溫到580－600℃進行一次回火，保溫時間為2．Oh，然后出爐空冷至常溫后進行二次回火，回火溫度為560－580℃，保溫時間為2h，隨后出爐空冷。

針對上述熱處理工藝，需要補充說明的是：由于4Cr5MoSiVI（H13）鋼對淬火溫度很敏感（見圖4），且在高溫下的淬火性能優(yōu)良，所以應(yīng)對其實行高溫淬火。

                                                                       圖4 淬火溫度與疲勞強度的關(guān)系
2．4 模具使用機制的影響

要延長模具的壽命，科學(xué)地使用模具也是不容忽視的一個方面。由于模具的工作環(huán)境極為惡劣（高溫高壓），生產(chǎn)中要采取一定的措施來確保它的組織性能。以下列出要注意的三個重要方面：

（1）采用適宜的擠壓速度。在擠壓過程中，當(dāng)擠壓速度過快時，會造成金屬流動不均勻、模具溫度較高等現(xiàn)象，如果此時金屬變形產(chǎn)生的余熱不能及時帶走，模具**可能因局部過熱而失效，當(dāng)擠壓速度較適宜時，**避免了上述不良后果的發(fā)生，擠壓速度一般控制在25mm/s以下。

（2）采用低一高一低的使用強度。模具剛進入服役期時，組織性能還處在浮動階段，此時應(yīng)采用低強度的作業(yè)方案，使模具向平穩(wěn)期過渡；模具使用中期，可適當(dāng)提高使用強度，因為此時模具的綜合性能處在****狀態(tài)；到模具的使用后期，其內(nèi)部組織已部分惡化，熱疲勞強度也較低，應(yīng)適當(dāng)降低模具的使用強度，以免使用中出現(xiàn)模具變形、裂紋等缺陷。

（3）使用前期對模具進行反復(fù)氮化處理。滲氮處理能使模具在保持足夠韌性的情況下大大提高其表面硬度，以減少模具使用時的熱磨損，但表面氮化并不是一次性**能完成的，在模具服役期間，應(yīng)對之進行3－4次反復(fù)滲氮處理，一般要使氮化層厚度達到0．15－0．20mm。

3、結(jié)束語

擠壓模具的使用壽命是一個綜合性的技術(shù)問題，以上介紹的四個方面只是其中的部分，要全面理解模具使用壽命的含義，在模具的加工制造中選擇****工藝和模具使用后的及時修正，對延長模具的壽命也至關(guān)重要。