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常見問題
提高壓鑄模具壽命的措施
發布時間:2012-06-25 08:46:50 瀏覽次數:
致使壓鑄模失效的主要原因是:①熱脹冷縮的交變應力,長期頻繁的反復循環,在模具表面出現熱疲勞龜裂紋;②由于熱應力及機械應力引起的模具整體開裂、破損;③在壓射力和熱應力的作用下,模具會在強度最薄弱處萌生裂紋,使型腔碎裂;④化學腐蝕、機械磨損、沖刷侵蝕、熔損侵蝕造成的模具侵蝕;⑤受到鎖模、插芯壓力和充填壓力作用使模具產生的塑性變形。這些模具失效缺陷出現的原因是復雜多樣的,下邊從實際應用方面探討一些提高壓鑄模具壽命的措施。

1 壓鑄模具材料的選用

為提高熱沖擊韌度,目前常用的H13鋼的化學成分純凈度要求為:優級鋼S 含量(質量分數,下同)要小于0.005%;超級H13 鋼要求S 含量小于0.003%;P含量小于0.015%。鋼的晶界無共晶碳化物夾雜,大塊狀的共晶碳化物和雜質強度極小,不能抵抗熱疲勞,降低了鋼材的塑性,是龜裂發生的起源點。要使用電渣重熔爐的精煉鋼,它不僅純凈度高,還具有組織致密、優良的熱疲勞抗力、抗熱裂性好、優良的韌性及塑性,優良的拋光性、較好的異向同性等性能。鋼材的均一性要求材料的組織要均勻,鋼坯具備任意方向力學性能同性,不要有縱、橫、深方向的性能差異。

正確選用模具材料,采用高強度合金材料可以提高模具使用壽命。優選用瑞典8407、德國2344、美國H13 (4Gr5MoVlSi)、日本SKD61 材料。日本日立的DAC55、ZHD435 在高硬度時有很好的韌性及抗高溫強度,模具壽命也很高。

2 壓鑄模具的熱處理

采用不同的熱處理工藝會使壓鑄模品質性能不一樣。H13 模具鋼的熱處理工藝和熱處理后的金相組織應參照北美壓鑄學會(NADCA 207―2003)的規定。建議由模具鋼材生產商負責模具的熱處理,避免因為材料和熱處理的廠家不同而引起品質不同。

H13 鋼采用高壓液氮氣冷高真空爐淬火為好,可以有效防止模具表面的脫碳、氧化、變形和開裂。把淬火溫度升高到1020~1050℃,根據模塊材料的尺寸大小,和各個零部件要求的強度和韌性,適當控制溫度和保溫時間,使合金碳化物充分溶人奧氏體,這樣可以減少模具因熱處理碳化物溶解不充分,殘留在晶界之間而造成的模具龜裂。但要注意鋼的臨界點Acl和Ac3及保溫時間,防止奧氏體粗化。淬火后用不同溫度分3 次回火,特別注意回火的效果,如果還要進行氮化處理,可以減少一次回火處理。

模具加工時產生的切削應力、電火花放電變質層的應力、和壓鑄時產生的熱疲勞應力,可以通過退火來減輕或消除。模具應定期退火處理消除應力:第一次去應力退火應安排在淬火之前(退火溫度700~750℃),第二次去應力退火應安排在試模合格后的量產之前,再在壓鑄1 萬模、3 萬模時各退火處理一次,氮化一次可以代替一次退火處理。對H13 鋼退火消除應力的溫度比淬火時最后一次回火的溫度低20~40℃,保溫時間為1.0~1.5 h。

合理選擇模具的硬度(HRC),美國AISI H13 ESR類材料用于壓鑄模具,如果硬度偏低,易出現粘模和早期龜裂,如果硬度太高又可能開裂,所以一般建議:鋅合金壓鑄模硬度(HRC)為47~52;中、小型的鋁、鎂合金壓鑄模為46~48;尺寸大的鋁、鎂合金鑄件和比較厚或形狀復雜件的模具,應適當降低硬度(HRC)為44~46。日立的DAC55、ZHD435 及一勝百的DIEVAR鋼在高硬度時有很好的韌性及高溫強度,應用時硬度(HRC)可以比H13 提高2~4。

對壓鑄模的型腔表面容易出現粘模的部位和所有的型芯,應選用氮化、碳氮共滲等表面強化處理,以減少粘?;蚯治g。目前使用日本的KANUC 處理的比較多。如需氮化,型面的氮化層總深度應低于0.2~0.3mm,應根據鑄件壁厚由厚到薄控制在0.04~0.08mm,且應無化合物白亮層,防止過厚的白亮層碎裂后引起模具龜裂。對容易粘模部位的零件,可以每壓鑄1~2 萬模進行一次氮化等表面處理。當模具壓鑄8~10 萬模次之后,由于硬度降低容易出現粘模時,也可以進行氮化處理。每次退火和氮化之前、后都要對模具表面進行拋光處理。為防止模具型腔在量產之前出現氧化銹蝕,在試模合格后,應對模具進行530~560℃保溫1.5~2.0 h 的預氧化熱處理。

3 壓鑄模具的設計

壓鑄件壁厚應盡量均勻(一般小件厚度為2.5±1mm,中件厚度為3.0±1 mm,大件厚度為4.0±1mm),棱角過渡要有圓角或斜坡以減小應力集中,可使用筋條結構消除鑄件形成的熱節。過厚的壓鑄件內部組織晶粒粗大,會形成氣孔、縮松、氧化、內部裂紋,并伴隨有應力源產生,以致其強度和耐用性能會低于加強筋輔助結構形成的產品。

模具的易龜裂部位和易損傷部位盡量采取鑲件結構,損壞后便于維修和更換。但非標成型零件上的鑲拼孔,包括型芯孔至模具的邊緣或附近的另一孔的距離不要太小,并且鑲拼孔的內角要有較大的圓倒角,以免成為模具早期龜裂的薄弱部位。

提高模具設計剛性,要分析模具型腔各個部位的受力情況。型腔受到的力有合金液充填時的壓力、脹型力、沖擊力,還有脫模時的拉力、摩擦力,溫度高低變化產生的熱應力,開合模、抽插芯時受到的壓力、拉力、預緊力等。設計時要使模具中各組件、各部位都具有足夠的厚度、寬度,使模具有足夠的剛性以承受各種應力。還要使這些受力達到適當的平衡(這一點很重要),以防止模具變形、開裂。制造時注意模具的細薄截面、模塊的凹角根部是模具出現斷裂的敏感部位,要保證其配合精度,如果模塊配合的預緊力過大,它會把合模力集中到一點上,這是模具出現大面積斷裂的主要因素。

為了較好的預防模具出現整體變形。正確設計模具型腔的受力中心位置,使其盡量靠近壓鑄機的受力中心。動模背后的兩個墊塊要盡量支撐在模具的型腔鑲塊上,不要只支撐在型腔鑲塊外的套板上;動模背后中間的支撐柱或支撐塊的支撐面積要足夠大,否則會使支撐塊的端面(甚至使壓鑄機的模具安裝板面),容易被壓變形而失去支撐的效果。

模具上有凹角的部位容易產生應力集中。產品轉角處盡量要有較大的過渡圓角,避免出現窄而深的凹角、凹槽。鋁、鎂合金壓鑄模具的型腔轉角半徑應大于1.0 mm,表面粗糙度要小,避免圓角處早期開裂。在內澆口附近,盡量加大圓角半徑,能夠較好的延緩模具早期龜裂紋的出現。合理選用鑲塊、活動滑塊組合結構,避免模塊上出現較銳的尖角;并使鑲拼接觸密封面的結合面積要比較大,要使滑塊出現退讓時,也不會出現鋁水從密封面竄入到滑塊的導滑槽里;為防止運動卡滯,滑塊的側面使用斜面配合。

正確設計澆注系統,設計內澆口的位置和充填流向時,盡量防止高速充填的鋁水正面噴射沖擊到型壁或型芯。設計內澆口截面大小時,如果選用的壓射充填速度太高,有大量的動能減速后轉變成熱能傳遞到模具上,使模具溫度升高,促使模具出現粘模、龜裂、沖蝕缺陷。壓鑄鋁水的最大充填速度不應超過56m/s,充填速度以≤46 m/s 為好。設計內澆口的厚度時,在保證產品表面品質的情況下,還是選用厚而大一點的內澆口為好,這樣可以增加流量,又不增加對模具的沖擊力。

要正確選擇各組件的配合公差和表面粗糙度,因模具受熱不均勻和膨脹不均勻,會使配合公差產生變化,會使部件運動失靈而導致模具表面損傷,也會使動、定模套板之間的合模間隙增加,引起飛邊和飛料。為防止飛料,在分型面上,動、定模型腔鑲塊平面應比動定模套板平面略高,一般在0~0.080 mm 范圍內,特別要求緊密合模后,動、定模套板的間隙要在0.030~0.100mm 范圍內。在套板上的排氣道最淺處的深度為0.12~0.15 mm,它一定要包括合模后動、定模套板的間隙。只有這樣才能防止飛邊、飛料和粘模。盡量讓套板各部位的分型面與模塊的分型面一致,從模塊到套板一樣平齊,減少分型面的臺階,便于排氣和防止飛邊粘模。

盡量不要在內澆口附近的型腔平面上設置產品的字樣、標記和頂桿。這些都會引起模具過早的龜裂,也會使字樣標記過早的變得不清晰。

盡量利用-Q2圖,使模具能夠很好的與壓鑄機進行匹配,提高產品的合格率和生產效率,延長模具的使用壽命。

4 壓鑄模具的冷卻和加熱系統的設計

為了能夠調控模具溫度,防止模具變形和龜裂,一定要給模具設計冷卻、加熱溫控系統。通常在模具模塊的內部開設(6~12)mm孔徑的管道,在型芯和模塊中開設(3~12)mm 冷卻孔,通水進行冷卻,通熱油進行加熱。在沒有模溫機的壓鑄廠,也可以使用電加熱管(要控制發熱溫度≤400℃) 和測溫儀置λ模具,進行自動加熱來預熱模具。

在型腔模塊的背面,加工出(6~8)mm 的孔,此孔要距離型腔表面(25±5)mm,要距離冷卻水或加熱油通道在50 mm 以上,插入熱電偶連接在壓鑄機的測溫儀器上。

在模具的橫澆道、分支澆道、內澆口附近,在鑄件厚壁處的型腔、型芯等模具吸收熱量比較多的部位要通水冷卻。對薄壁處的型腔,對遠離內澆口的滑塊抽芯,和模具型腔的一些吸收熱量少、散熱快的部位,要設計用熱油或用電加熱管加熱模具。一般通入的熱油溫度為200~350℃。注意模具的冷卻水通道距離模具表面或模具轉角要有足夠的距離,以避免這些部位的型面出現早期龜裂或開裂。

模具每個進水管接頭要有開關,能控制冷卻水的流量,以便調節模具各部位的溫度。冷卻水管道里出現的銹蝕和集垢,會影響模具的冷卻效果,要及時清除。模具外接的管道和接頭建議使用銅材和不銹鋼材質,以防生銹后堵塞管道。

5 壓鑄模具的制造加工對模具壽命的影響

模具制造的尺寸精度和配合精度要高,密封接觸的配合面,必須密封配合,密封接觸的面積要大,防止鋁液鉆入。盡量避免人為因素造成的燒焊修補處理,因模具燒焊修補過的部位,很容易出現龜裂。

電脈沖放電加工后的型腔表面會產生出一個變質層,這一層的化學成分、金相組織、力學性能( 強度、硬度、韌性) 等都發生了改變,變質層又硬又脆,并有應力和大量的微裂紋,會引起模具早期龜裂;電脈沖或線切割放電精細加工時,應盡量采用低的電流及高的頻率,以減小模具表面的過燒深度。使用好的電火花專用油液,可以起到沖洗、冷卻、潤滑、絕緣、防電離和減輕變質層的作用。放電時浸油比沖油能更好地減輕變質層。無論變質層深淺,它在模具表面均有極大的應力,若不消除其白亮層和殘余應力,在使用過程中,模具表面就會較早的產生龜裂、沖蝕和開裂。

模具型腔精加工時,走刀量要小,不要留下刀痕,必要時需留下打磨拋光的余量。模具型腔的所有表面,即使沒有留下加工刀痕的表面,都要進行一次打磨拋光,用以消除刀具加工或放電加工產生的硬化層和白亮層。但要注意,打磨時不要讓模具局部過熱,以防燒傷模具表面和降低模具的硬度。消除硬化層、白亮層和去除應力的方法有:①用油石打磨、研磨拋光、化學溶蝕去除;②噴玻璃丸的方法既可以去除表面熔化凝固層,消除殘余拉應力,還可以形成壓應力,是目前延緩龜裂的好方法;③在不降低硬度的情況下,低溫回火也可大幅度降低模具的表面應力。模具型腔表面拋光時,粗糙度要以產品而定:①薄壁、表面要求光亮的產品表面位置,型腔表面要適當拋光,表面粗糙度Ra 為0.2~0.4μm;②厚壁、表面要求一般的產品表面處,型腔表面可拋光,表面粗糙度Ra 為0.4~0.8μm;③一般不要求拋光為鏡面,要使脫模劑能在模具表面均勻附著,但刀痕一定要拋光,以免模具過早的出現龜裂;④要注意交叉打磨,模具表面打磨過的痕跡,不要有明顯的打磨方向。

6 壓鑄工藝和生產操作對壓鑄模具壽命的影響

增加壓鑄鋁合金中的鐵含量,可以有效地減輕粘模程度,一般要求鋁合金的鐵含量≤1.5%,實際生產中鋁水的鐵含量控制在0.65%~0.90%范圍內為好。在壓鑄過程中鋁液溫度波動應在±10℃之內,ADCl2鋁合金春、秋季澆注溫度建議小于660℃,冬、夏季溫度可以上下變化10℃,這樣可以消除季節性的缺陷。模具內澆口附近容易龜裂、侵蝕,遠離內澆口的部位不容易龜裂、侵蝕,這主要是因為在內澆口附近,高溫的鋁水傳遞給模具的熱量比較多,致使模具溫度比較高。所以在不影響產品品質的前提下,應盡量降低鋁水的澆注溫度。

在滿足成形情形下,盡量使用比較低的低速壓射速度和高速壓射速度。充填速度過高會造成粘模、沖蝕、龜裂;當低速壓射速度較高使金屬液包裹較多的氣體時,氣體在高速壓射進入型腔中的低壓區會膨脹,氣體膨脹產生爆破,氣體帶動鋁液以很高的速度沖擊、侵蝕型腔表面,造成型腔表面氣蝕缺損(這種氣蝕在溢流槽澆口處也會出現),被氣蝕的表面也會有裂紋產生。

在滿足成形良好的條件下,盡可能選用較小的壓力??梢杂^察殼形和圓形產品,在模具壓鑄幾萬模之后,在產品同一部位的外表面比內表面龜裂紋大出很多,這說明在相同的條件之下,模具受到鋁液包裹擠壓與膨脹拉伸的力量方向不同,致使模具出現龜裂的缺陷大小相差很大;特別是在模具型腔的凹角處,拉伸和熱應力都會集中在這里,凹角處會過早的出現龜裂和開裂裂紋;而在模具的凸角和型芯表面受到擠壓和熱沖擊力,雖然會出現粘模,但出現應力集中情況很小,模具不容易出現龜裂??梢婁X液壓力的大小和受力方向對模具龜裂的影響是很大的,有時為了配套不容易出現龜裂模塊的壽命,可以采用比較好的模具材料或熱處理的方法,來提高容易龜裂模塊的壽命。

壓鑄時模具表面溫度由100℃上升到610℃,比200℃上升到610℃容易引起龜裂,表面溫度由200℃上升到680℃,比200℃上升到610℃更容易引起龜裂;模具在500℃以上保持6 s比保持3 s也是更容易引起龜裂,所以一定要使模具承受的溫度低、溫差變化量比較小、處于高溫的時間短。一般產品壓鑄開模后的2~3 s時測量模具表面的溫度(或用熱電偶測量模具內部溫度) 應不高于澆注的合金液溫度的40%~45%,即鋁合金模具溫度應小于320℃,以200~280℃為好。合模時模具表面的溫度應不低于合金澆注溫度的20%,一般以130~210℃為好。

壓鑄鋁合金模具預熱至180~300℃再澆注壓射,比用鋁液直接澆注壓射來預熱模具,能延緩模具表面龜裂紋的出現。因為用鋁液直接澆注壓射來預熱模具,模具表面承受到的溫度差比較大。模具預熱后壓鑄的前10~20 模鑄件,要使用低速壓射,以減小鋁液與模具接觸的緊密程度,降低熱量傳遞給模具的速度,達到緩慢加熱的目的。

壓鑄操作時均勻噴涂脫模劑,可以減輕鋁液對模具的粘模和磨損。為了防止脫模劑對模具激冷,冬天對水基脫模劑要預熱到20~30℃為好。噴脫模劑要形成霧狀,噴嘴應距型面(20±10)cm,斜向模面角度15°±5°的效果最好。不可噴涂過多脫模劑,噴涂時間控制在0.5~2.5 s 之間;禁止噴灑、澆灌式的噴涂,以防對模具表面急速的激冷??梢圆捎脛?、定模多次交換噴涂的方法,以減小激冷的速度。另外,鑄件頂出后,要在頂桿頭部噴涂上涂料得到潤滑之后再退回,以防頂桿運動卡滯。

對許多模具,常用噴玻璃丸、陶瓷丸或用微電脈沖打磨加粗模具某些部位的粗糙度,甚至在模具表面修出間隔在0.5~1.5 mm細小的網狀筋條。這樣不僅能防止龜裂延長模具壽命,還能減小鋁液的流動速度,消除產品表面的冷隔和花紋;能提高模具表面的吸熱速度,使產品表面急速凝固,又因模具表面快速吸熱增加了模具表面的溫度,加快涂料和水的揮發,消除水的殘留,能防止鑄件出現氣泡和發黑。

7 壓鑄模的使用和維護保養

模具在安裝時,動、定模每半模至少要安裝6 個壓板螺栓,如果每半模只安裝4 個壓板螺栓,只要有一個螺栓松動,其他3 個螺栓受力嚴重失衡,螺栓就會很快被拉變形或拉斷,甚至會出現模具被拉而掉下來的事故。

壓鑄過程中,要及時打磨拋光模具型腔的粘模痕跡,但要注意不要用硬的工具鑿傷或敲傷模具。當模具型腔表面粗糙度變大后,要進行很好的拋光處理。當產品全部或部分粘模在模具型腔里時,要由有經驗的模具修理人員來處理,以防壓鑄工處理時損壞模具。

每班給模具滑塊、導柱、頂桿涂一次潤滑油,每班檢查疏通模具的冷卻水通道,使其暢通和密封。每班觀察模具的分型面和滑塊的密封配合情況,對模具的飛邊和披縫一定要早發現、早修理,以防其致使模具出現嚴重的壓傷、凹陷、變形及飛料的缺陷。

當模具停產不使用時,最好在壓鑄最后一模之后,不要給模具再噴刷涂料,如果已經噴涂了涂料,也要用壓縮空氣吹干凈模具表面和深腔里的殘留水分,以防模具生銹。每批生產完成后,或在每生產一萬模時,要對模具進行維護保養。每次保養時,需涂紅丹粉檢查模具的變形和密封配合情況,消除間隙防止飛料,消除模塊或滑塊受力不均衡,防止模塊壓壞、爆裂。保養后要給模具型腔、抽芯滑塊、頂桿、導柱,分型面等涂防銹油。

模具已經出現小范圍的沖蝕、掉塊、缺損、裂紋缺陷后,在不能做成鑲件更換時,只有給模具用氬弧焊修補。為有效地防止壓鑄模具焊補后容易出現龜裂,焊補時首先要選用模具鋼材制造廠家指定使用的氬弧焊焊條,并注意區分在模具淬火處理前后使用的焊條規格有可能不一樣。對模具進行氬弧焊之前,先要把模具龜裂等缺陷修磨掉呈現出金屬基體,使用電熱爐預熱模塊達到300~450℃(若使用乙炔氧焊的火焰慢慢烘烤預熱模具,由于預熱的范圍小,不一定達到要求的溫度范圍,溫度也不均勻,對防止焊補后出現龜裂沒有明顯的效果。)并把表面清理干凈之后再進行氬弧焊,防止焊補時出現氣孔;當模具溫度高于475℃時要停止焊補,讓模具降溫后再焊;焊接時注意,一定要隔行焊補,不要一行挨一行焊補,這樣可以較好的降低焊接時產生的升溫和應力。淬火之后的焊補,再在低于淬火回火溫度以下20~50℃,保溫2~3h 去應力退火(淬火之前的焊補,退火溫度是750℃)這樣可以很好的消除焊接時產生的應力。

對于模具表面粘附的涂料燒結集碳,除用油石和砂紙拋光外,用氣動噴投玻璃丸或噴陶瓷丸的方法,不僅能均勻有效的清除掉集碳,還不影響模具的尺寸精度。
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