分析铝挤压模具使用寿命的因素

1、前言

　　延长挤压模具的使用寿命一直是铝加工企业十分关注的问题，模具寿命的长短直接影响到企业的生产效率及产品成本，采取哪些得力措施来延长模具的使用寿命，不少企业都有自己的独到之处。为了更好地改善铝挤压模具的质量和提高其使用寿命，本文从模具的材质选择、模具的优化设计、热处理工艺的选择与模具的科学使用四个方面作了剖析，并有针对性地提出切实可行的对策。

　　2、影响因素分析

　　2．1 模具材料性能的影响

　　挤压模具是在高温高压下作业，并承受周期载荷的作用，因此对模具钢的性能要求相当高，一般制造模具的材料应具有热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。前些年国内常采用3Cr2W8V钢制造模具，但它的韧性低，抗疲劳强度不好，即使采用高温淬火等工艺处理措施亦不能满足要求，模具的早期失效十分严重，近年来已被优质模具钢4Cr5MoSiV1（H13钢，其化学成分见表1）所取代，与3Cr2W8V钢相比，4Cr5MoSiV1钢具有两个突出特点：一是有良好的高温综合性能和较高的热疲劳抗力；．二是组织中含有较多的Cr、Mo元素，氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布。所以，就延长模具的使用寿命而言，选用H13钢加工模具还是比较合适的。统计数字表明：用H13钢和3Cr2W8V钢制造同种模具，前者的使用寿命是后者的3～5倍。

　　

　　表1 4Cr5MoSiV1的化学成分

　　2．2 模具设计方案的影响

　　模具设计的合理得当，是延长其使用寿命的重要环节。挤压铝型材一般存在断面不对称和壁厚不相等现象，在设计模具时应给予重视，既要考虑模孔位置的排列，又要结合具体情况，通过改变模孔工作带的高度来改善金属的流动性。下面就模具设计存在的一般问题略作分析：

　　（1）对于壁厚不相等的型材，采用不等长工作带的方法设计。见图1的丁字型材，通常依据经验公式h1/h2＝b1/b2来确定工作带的高度。

　　式中 h1、h2－－－－表示截面处的相应工作带高度；

　　b1、b2－－－－表示截面处的相应型材厚度。

　　因为这样设计更能保证金属流动的均匀性。

　　

　　图1 壁厚不相等的丁字型材

　　（2）适当调整过渡圆角的半径和工作带长度，以避免应力集中现象。见图1，A处过渡圆角流动阻力较大，金属不易充满，此处工作带的设计应稍小于正常值，而B处过渡圆角的流动阻力就较小，金属易充满，对应的工作带长度应略大于正常值。

　　（3）模孔尺寸的确定应综合考虑型材性质和模具材料的收缩率，对于6063铝合金与常用模具钢4Cr5MoSiV1，设计时模孔的收缩率应取1．01%－1．09%（可根据模孔尺寸的大小适当选取）。

　　（4）根据延伸系数确定模孔数目。模孔数目直接影响到延伸系数的大小，挤压比过大会使挤压力超过正常值而损坏模具，过小则会使挤压制品的机械性能下降，一般挤压系数（延伸系数）宜在10－50之间。

　　（5）合理布置模孔位置。在设计时不宜将模孔布置得过于靠近边缘，否则将会降低模具强度，导致死区金属参与流动而影响制品表面质量。挤压三角型材时，图2的模孔布置就比较适宜。

　　

　　图2 角型材模孔布置图

　　2．3 热处理工艺的影响

　　要延长模具的使用寿命，热处理工艺的恰当与否甚为重要，影响热处理质量的主要因素有加热速度、淬火温度、淬火速度和回火温度等。经过分析与实践，下列热处理工艺适合一般企业，能满足4Cr5MoSiV1钢在高温下的机械性能要求（见图3）。

　　

　　图3 4Cr5MoSiV1钢的热处理工艺示意图

　　（1）预热：温度为600－630℃，保温时间为1．5－2．Oh（视模具大小而定），然后升温到830～850℃，保温1．5－2．Oh。此工艺过程为淬火前的预处理，它能合理调整工件内部的微观缺陷，为淬火准备必要的条件。

　　（2）淬火：在预处理的基础上，把加热温度升高到1040－1080℃，保温2－2．5h出炉油淬，待工件温度降到130℃左右时从油中取出空冷。

　　（3）回火：淬火后的模具内部有较大的内应力，必须在1～2h内对工件进行回火，以消除淬火时产生的应力。为了避免工件开裂，回火前也应加热均匀，具体方法为：把工件加热到380－400℃保温1小时左右再缓慢升温到580－600℃进行一次回火，保温时间为2．Oh，然后出炉空冷至常温后进行二次回火，回火温度为560－580℃，保温时间为2h，随后出炉空冷。

　　针对上述热处理工艺，需要补充说明的是：由于4Cr5MoSiVI（H13）钢对淬火温度很敏感（见图4），且在高温下的淬火性能优良，所以应对其实行高温淬火。

　　

　　图4 淬火温度与疲劳强度的关系

　　2．4 模具使用机制的影响

　　要延长模具的寿命，科学地使用模具也是不容忽视的一个方面。由于模具的工作环境极为恶劣（高温高压），生产中要采取一定的措施来确保它的组织性能。以下列出要注意的三个重要方面：

　　（1）采用适宜的挤压速度。在挤压过程中，当挤压速度过快时，会造成金属流动不均匀、模具温度较高等现象，如果此时金属变形产生的余热不能及时带走，模具就可能因局部过热而失效，当挤压速度较适宜时，就避免了上述不良后果的发生，挤压速度一般控制在25mm/s以下。

　　（2）采用低一高一低的使用强度。模具刚进入服役期时，组织性能还处在浮动阶段，此时应采用低强度的作业方案，使模具向平稳期过渡；模具使用中期，可适当提高使用强度，因为此时模具的综合性能处在最佳状态；到模具的使用后期，其内部组织已部分恶化，热疲劳强度也较低，应适当降低模具的使用强度，以免使用中出现模具变形、裂纹等缺陷。

　　（3）使用前期对模具进行反复氮化处理。渗氮处理能使模具在保持足够韧性的情况下大大提高其表面硬度，以减少模具使用时的热磨损，但表面氮化并不是一次性就能完成的，在模具服役期间，应对之进行3－4次反复渗氮处理，一般要使氮化层厚度达到0．15－0．20mm。

　　3、结束语

　　挤压模具的使用寿命是一个综合性的技术问题，以上介绍的四个方面只是其中的部分，要全面理解模具使用寿命的含义，在模具的加工制造中选择最佳工艺和模具使用后的及时修正，对延长模具的寿命也至关重要。

 

 

六、 明星企业 1.22

 

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