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十分關注的問題，模具壽命的長短直接影響到企業的生產效率及產品成本，采取哪些得力措施來延長模具的使用壽命，不少企業都有自己的獨到之處。為了更好地改善鋁擠壓模具的質量和提高其使用壽命，本文從模具的材質選擇、模具的優化設計、熱處理工藝的選擇與模具的科學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，并承受周期載荷的作用，因此對模具鋼的性能要求相當高，一般制造模具的材料應具有熱穩定性、熱疲勞性、熱耐磨性和足夠的韌性。前些年國內常采用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重，近年來已被優質模具鋼4Cr5MoSiV1（H13鋼，其化學成分見表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定的氮化物并彌散分布。所以，就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。統計數字表明：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的化學成分
2．2 模具設計方案的影響
模具設計的合理得當，是延長其使用壽命的重要環節。擠壓鋁型材一般存在斷面不對稱和壁厚不相等現象，在設計模具時應給予重視，既要考慮�？孜恢玫呐帕�，又要結合具體情況，通過改變�？坠ぷ鲙У母叨葋砀纳平饘俚牧鲃有�。下面就模具設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計。見圖1的丁字型材，通常依據經驗公式h1/h2＝b1/b2來確定工作帶的高度。
式中 h1、h2－－－－表示截面處的相應工作帶高度；
b1、b2－－－－表示截面處的相應型材厚度。
因為這樣設計更能保證金屬流動的均勻性。
圖1 壁厚不相等的丁字型材
�。�2）適當調整過渡圓角的半徑和工作帶長度，以避免應力集中現象。見圖1，A處過渡圓角流動阻力較大，金屬不易充滿，此處工作帶的設計應稍小于正常值，而B處過渡圓角的流動阻力就較小，金屬易充滿，對應的工作帶長度應略大于正常值。
�。�3）�？壮叽绲拇_定應綜合考慮型材性質和模具材料的收縮率，對于6063鋁合金與常用模具鋼4Cr5MoSiV1，設計時�？椎氖湛s率應取1．01%－1．09%（可根據�？壮叽绲拇笮∵m當選�。�。
�。�4）根據延伸系數確定�？讛的�。�？讛的恐苯佑绊懙窖由煜禂档拇笮�，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（延伸系數）宜在10－50之間。
�。�5）合理布置�？孜恢�。在設計時不宜將�？撞贾玫眠^于靠近邊緣，否則將會降低模具強度，導致死區金屬參與流動而影響制品表面質量。擠壓三角型材時，圖2的�？撞贾镁捅容^適宜。
圖2 角型材�？撞贾�
2．3 熱處理工藝的影響
要延長模具的使用壽命，熱處理工藝的恰當與否甚為重要，影響熱處理質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。經過分析與實踐，下列熱處理工藝適合一般企業，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處理，它能合理調整工件內部的微觀缺陷，為淬火準備必要的條件。
�。�2）淬火：在預處理的基礎上，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：淬火后的模具內部有較大的內應力，必須在1～2h內對工件進行回火，以消除淬火時產生的應力。為了避免工件開裂，回火前也應加熱均勻，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良，所以應對其實行高溫淬火。
圖4 淬火溫度與疲勞強度的關系
2．4 模具使用機制的影響
要延長模具的壽命，科學地使用模具也是不容忽視的一個方面。由于模具的工作環境極為惡劣（高溫高壓），生產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、模具溫度較高等現象，如果此時金屬變形產生的余熱不能及時帶走，模具就可能因局部過熱而失效，當擠壓速度較適宜時，就避免了上述不良后果的發生，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，此時應采用低強度的作業方案，使模具向平穩期過渡；模具使用中期，可適當提高使用強度，因為此時模具的綜合性能處在****狀態；到模具的使用后期，其內部組織已部分惡化，熱疲勞強度也較低，應適當降低模具的使用強度，以免使用中出現模具變形、裂紋等缺陷。
�。�3）使用前期對模具進行反復氮化處理。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就能完成的，在模具服役期間，應對之進行3－4次反復滲氮處理，一般要使氮化層厚度達到0．15－0．20mm。
3、結束語
擠壓模具的使用壽命是一個綜合性的技術問題，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重要。
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