模具受力状态及钢材合理使用解析

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摘 要 通过模具的受力状态实验和数据分析，模具设计时要将模具的主要工作部位布置在圆钢的表层，减少模具热处理时和使用时开裂现象。

关键词 模具；受力分析；钢材

中图分类号TH13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）106-0161-02

为了提高模具寿命，除改进模具设计、冷热加工工艺和提高操作技巧外，合理用材也是十分重要的。

大量资料和工作实践表明，制作模具常用的高合金钢，其内部组织常存在着不同程度的缺陷。如碳化物偏析、疏松、白点等。这些缺陷沿圆钢截面呈不均匀分布。总的来看，它们大多集中在钢材的心部附近，使钢材心部的热加工工艺性能和机械性能变坏。钢材表层和心部组织与性能上的差异在制作模具时往往被人们忽视。我们从实践中体会到，制作模具，除毛坯经过锻造改善钢材组织外，还应对模具做受力分析，尽可能地把模具的主要工作部位（如热锻模型腔，切边模刃口）选取在钢材组织致密，性能优良的表层。这对避免模具早期损坏，提高模具使用寿命有利的

下面以我厂自行车曲轴压型热锻模型腔选取位置对模具寿命的影响为例，谈一点粗浅的认识。

我厂热处理的一批曲轴压型锻模，材料为3Cr2W8V，淬火后发现七件淬裂。其中型腔纵裂4件，底平面纵裂3件，造成模具批量报废。为弄清原因、找出解决问题的办法，我们进行了以下三个方面的调查和分析。

1 模具毛坯的下料，锻造和模具机加工情况

该批模具全部由一根直径为φ255的圆钢下料（φ225 × 80）。由于园料直径较大、厚度又薄，采用四百公斤空气锤仅做了垂直两个方向的径向锻打，然后轴向平整即成长方体毛坯。机加工时，根据锻坯尺寸把模具型腔全部开在原钢材的中心部位。因而，根据模具淬裂部位，我们判断，淬火裂纹全部产生在原钢材的心部。

2理化检验

我们分析了淬火裂纹附近（圆钢心部）材料的组织缺陷。模具淬裂断口呈粗纤维状不具备因淬火工艺不当而产生的脆性断裂的断口特征。分别从裂纹附近（圆钢心部）和模具边沿（圆钢表面）取样，金相分析表明：圆钢心部组织有明显的碳化物偏析，而圆钢表层碳化物则呈均匀分布。将裂纹所在平面进行热酸侵蚀，可以看出裂纹周围组织疏松，而模具边沿组织则比较致密。我们判断，模具淬火裂纹的产生与原材料组织缺陷有直接关系。

3模具工作时受力分析

模具安装在160T和300T摩擦压力机上使用。下模在工作时型腔除受到因工件塑性变形与型腔壁之间的摩擦力作用外，主要受到周期性冲击力作用。该力通过所锻工件向腔底和腔壁传递。由于模具毛坯在锻造时没能进行反复的拔长和锻粗，组织缺陷和轴向纤维组织保留下来，因而淬火时产生裂纹的模具，上机工作时受到冲击力作用，就如同顺茬劈柴，轻而易举裂成两半，根本不能使用。

通过以上分析，使我们确认，圆钢（特别是大截面的圆钢）心部缺陷集中、组织疏松，机械性能最差，热处理时容易产生淬火裂纹导致应力集中，我们把型腔选取在这个部位显然是不合理的。

为了充分利用钢材组织致密、性能良好的表层，尽可能地削弱心部组织缺陷对模具寿命的不利影响，我们使用钢材时采取以下两条措施，收到了明显的效果。

1）对已锻打成型的曲柄压型模毛坯，把型腔开取在如图一所示的平面上（即圆钢表层部位），结果，这样加工后的模具淬火后又有3件淬裂。完全像我们预计的那样，裂纹全部转移到模具的侧平面产生。模具经热酸侵蚀后，在裂纹附近密集着大量的孔洞和与裂纹同向的细短裂纹。该模具上机试用，取得了很好的效果。

为考察型腔选取位置与其寿命的关系，我们详细统计了三种不同情况的模具寿命、对比如下表：

从表中数字对比可以看出，当型腔选取在圆钢表层时，淬火虽也产生裂纹，但这时裂纹位于模具侧面，裂纹平面和钢材纤维方向都与模具所受冲击力垂直。所以受到冲击力作用时，裂纹不会扩展导致模具早期开裂。同时型腔部位组织致密，机械性能好。这就使得淬火时也产生了裂纹的模具具备了高达两万七千件的寿命。可以想象，如果这个模具的型腔按原先那样开取在圆钢心部，那么淬裂后也只有报废；

2）由于该批钢材直径大，受本厂锻造能力所限，做曲柄压型模毛坯时，中心缺陷难以消除。考虑取用圆钢组织致密的表层制作曲柄辊锻模较合适。按我厂的通常做法，将φ255的圆钢墩粗锻打成φ270× 88的园坯，机加工时首先车去园坯有缺陷的心部，然后将所余园坯外圈材料加工成4件辊锻模。如图二所示。经这样制作的几十件辊锻模，淬火时没有发生过一件淬裂。使用寿命一般都在3～5万件以上。

简单结论：

1）用于制作模具的钢材，都应经理化检验，以便了解钢材，做到扬长避短，量材使用；

2）制作模具时，应分析模具的受力状态，模具的主要工作部位应尽量选取在圆钢的表层，为此，模具制作从设计下料、锻造到机加工应综合考虑，以达到合理用材，提高模具寿命的目的。

参考文献

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[2]杨庆刚.不同竖向排水体加固效果对比分析[J].公路交通科技：应用技术版，2009（9）.