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拉伸类模具的表面拉伤问题及其防止措施

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人气:-发表时间:2014-05-29 09:26【

摘要:本文分析了工件成型过程中表面拉伤问题及其产生的原因,并对其解决方法进行了讨论,重点介绍了表面处理特别是TD覆层处理技术(简称TD处理)在此类模具上的应用。

关键词:引伸模;成型模;拉伤;TD覆层处理

1 工件拉伤问题

引伸(拉延、拉伸),弯曲、翻边、薄板辊压成型等类模具,其共同特点是工件在成型过程中,模具与被加工材料的接触表面要产生相对滑动。一般而言,被加工材料以各类钢铁材料及各类镀层钢板居多,而模具一般由钢铁制成。此类工况存在的一个很大问题是成型过程中,工件和模具表面易产生拉伤,也有称为拉毛、划伤、或拉丝的。拉伤的后果是影响产品的外观和产品的质量。一些场合,工件表面拉伤,即是废品。拉伤严重时形成咬死现象,无法进行正常生产。成型工作压力比较大或奥氏体不锈钢类材料成型时拉伤现象表现得尤为严重。对于此种现象,目前国内还缺乏较系统的研究,对其解决方法的选择缺乏有效的指导原则,而国外则相反。本文结合笔者多年的科研和实践经验,就此问题进行分析,并对其解决方法进行了较详细的介绍。

2 工件拉伤问题的实质及解决拉伤问题的基本措施

工件成型过程中拉伤问题分以下两种状况,一种情况是由于模具的宏观机械凹凸不平或被成型材料与模具之间夹杂其它硬质颗粒,都会在工件表面形成机械的切削。此种情况在实际生产中可能会出现,其解决方法是完善模具设计和制模时对模具表面进行仔细研磨加工,并加强生产环境的管理。本文以下主要讨论另一种情况的拉伤问题。

另一种情况是由于工件表面与模具表面粘着磨损[1]而形成的拉伤,也是生产中最常见的又不容易解决的一种状况,以下详细分析粘着磨损的产生及减少粘着磨损的一些基本措施。

成型类模具加工工件时,模具与被加工材料表面相互接触并相对滑动,组成一对接触副或摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的,总存在可以测到的粗糙度,所以真正的接触只发生在微观接触面上。分析表明,微观真实接触面积只是名义上的几何接触面积的一个小部分,由此微观接触面范围内产生很大的机械应力,这些应力由于切向相对运动还会加强,以致受到负荷作用的粗糙面凸峰发生弹性或弹塑性变形,这样摩擦副双方表面的吸附层或反应层会遭到破坏,结果使暴露在表面的原子键联结或多或少地得到加强,这种现象称为粘着作用。当磨擦副发生相对运动时,这种原子键又会相互脱开,原子键脱开并不一定都在原始微观接触处断开,而有可能在磨擦副双方表面层附近断开,其结果是材料从磨擦副的一方转移到磨擦副的另一方上去,这就是所谓的粘着磨损[1]。实验证明,出现粘着磨损的磨擦副的表面非常粗糙,并有拉伤,其程度与法向力,磨擦副之间相对运动速度以及温度等负荷参数有关。当以上负荷参数超过了临界值时,粘着磨损突然加剧,出现所谓胶合现象,极端情况摩擦副间的相对运动停止,出现咬死现象。由上分析可见,工件成型时表面出现拉伤或咬死现象就是粘着磨损所引起的结果。

要减少粘着磨损目前还缺乏统一的选择判据,大多需要依靠经验知识来确定,以下是减少粘磨损所采取的一些基本措施。

1)尽量减少接触副之间的负荷,包括机械与热负荷;

2)避免采用金属配对副,而可采用陶瓷与陶瓷,塑料与塑料,塑料与金属,陶瓷与金属或塑料与陶瓷配对副来代替;

3)当使用金属配对副时,应优先采用体心立方或六方体结构的材料,避免采用面心立方结构的材料;

4)采用非均质组织的材料;

5)采用润滑油膜使接触副隔开;

6)采用有EP(极压)添加剂的润滑油,使接触副表面上形成保护性的吸附层或反应层。

具体到成型模具与工件原材料或半成品这对接触副,由于成型负荷和所成型材料千差万别,采用何种或几种措施来解决工件的拉伤问题,除要考虑效果的有效性外,还必须考虑产品的批量大小,实现的难易程度及其经济性等方面的问题,以下予以详细讨论。

3 解决工件拉伤问题的一些方法

解决工件成型过程中的拉伤问题应依照减小粘着磨损的基本原则,通过改变接触副的性质,来改善或解决工件的拉伤问题。以下就构成此对接触副的三方,即被成型工件的原材料方面,工件与模具之间,模具方面分别予以分析。

3.1 被成型工件的原材料方面

通过对原材料进行表面处理,如对原材料进行磷化,喷塑或其它表面处理,使被成型材料表面形成一层非金属膜层,可以大大减轻或消除工件的拉伤问题,这种方法往往成本较高,并需要添加另外的生产设备和增加生产工序,尽管这种方法有时有些效果,实际生产中应用却很少。

3.2 工件与模具之间

在模具与成型材料之间加一层PVC之类的薄膜,有时也可以解决工件的拉伤问题,对于生产线,通过机构可以达到连续供给薄膜,而对于周期生产的冲压设备,每生产一件工件需加一张薄膜,影响生产效率,此种方法一般成本也很高,还会产生一大堆废料,对于小批量的大型工件的生产采用此种方法是可取的。

在一些成型负荷很小的场合,有时通过添加润滑油或加EP(极压)添加剂的润滑油就可以解决工件的拉伤问题。

3.3 模具方面

具并成功解决工件拉伤问题的报道。由于其性脆,成本高,不可能大批量推广应用。

对于生产批量很小而形状简单的大型引伸类模具,也有采用橡胶等高分子类材料制作模具的报道,此类模具不会拉伤工件表面,但实际应用很少。

3.3.2 模具表面处理

通过对模具进行表面处理特别是对模具进行表面超硬化处理是解决工件表面拉伤问题经济而有效的方法。表面处理方法有多种,比较常用的有:镀层方面,有镀硬铬,化学镀镍磷,刷镀特种合金等;化学热处理方面有各类渗氮,渗硼,渗硫等;表面超硬化处理方面有化学气相沉积(CVD),物理气相沉积(PVD),物理化学气相沉积(PVD),TD覆层处理。

电镀、化学镀、刷镀是通过电化学或化学反应的方法,于工件表面形成合金镀层,工艺不同,合金镀层性能各异。就耐磨抗咬合用途,目前应用较多的是镀硬铬、化学镀镍磷、刷镀镍钨合金等。对于成型负荷较轻,或大型模具采用这些方法有时可以取得一定的效果。这类表面处理存在的问题是一方面由于表面硬化层的硬度相比而言较低,容易出现磨损,而镀层一旦磨损,拉伤又会出现;另一方面,也是最不足的一点是,镀层与基体材料机械结合,在负荷较大的场合,有时使用几次镀层就会剥落,而镀层一旦剥落,其功效也就失去。

化学热处理是将工件放入含某种或某几种化学元素的介质中加热保温,通过工件与介质的物理化学作用,这种或这几种元素渗入工件表面,然后以适当的方式冷却,从而改变了工件表面的成分和组织结构,并赋予工件不同的物理,化学和机械性能。化学热处理的种类很多,根据所渗元素分类为:各种渗碳,各种渗氮,各种氮碳或碳氮共渗,渗硼,渗硫,渗铝,渗锌,渗其它各种金属等。以耐磨,减摩,抗拉伤为目的的化学热处理目前常用的是:渗碳,渗氮,渗硼,渗硫几种。

采用合适的模具材料辅以氮化,渗硼等

因此后续工序要求严格,稍有不慎,表面硬化层就会遭受破坏,严重制约了其在钢模上的应用,而主要应用于硬质合金等无相变的材料。此外,CVD处理过程中的排放物对环境污染较大。

TD覆层处理是热扩散法碳化物覆层处理Thermal Diffision Carbide Coating Process的简称,国内又名熔盐渗金属,渗钒等,其原理是通过热扩散作用于工件表面形成一层数微米至数十微米的碳化钒覆层。TD覆层处理的主要特点是:其一,覆层硬度高,HV可达3000左右,具有极高的耐磨,抗拉伤,耐蚀等性能;其二,由于是通过扩散形成的,所以覆层与基体具有冶金结合,这一点对在成型类模具上的应用极其重要;其三,TD覆层处理后可以直接进行淬火,这一点特别适合于各类模具钢材;其四,TD覆层处理可以重复进行。大量的实践证明,在成型类模具上采用该技术具有其它表面处理无法比拟的使用效果,在一些场合具有比硬质合金更好的效果。由于TD覆层处理技术的设备相对而言比较简单,成本较低,无公害,目前该技术在日本、美国等国都已得到广泛的应用。国内七十年代即已开始研究该技术,

成型类模具加工工件时,模具与被加工材料表面相互接触并相对滑动,组成一对接触副或摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的,总存在可以测到的粗糙度,所以真正的接触只发生在微观接触面上。分析表明,微观真实接触面积只是名义上的几何接触面积的一个小部分,由此微观接触面范围内产生很大的机械应力,这些应力由于切向相对运动还会加强,以致受到负荷作用的粗糙面凸峰发生弹性或弹塑性变形,这样摩擦副双方表面的吸附层或反应层会遭到破坏,结果使暴露在表面的原子键联结或多或少地得到加强,这种现象称为粘着作用。当磨擦副发生相对运动时,这种原子键又会相互脱开,原子键脱开并不一定都在原始微观接触处断开,而有可能在磨擦副双方表面层附近断开,其结果是材料从磨擦副的一方转移到磨擦副的另一方上去,这就是所谓的粘着磨损[1]。实验证明,出现粘着磨损的磨擦副的表面非常粗糙,并有拉伤,其程度与法向力,磨擦副之间相对运动速度以及温度等负荷参数有关。当以上负荷参数超过了临界值时,粘着磨损突然加剧,出现所谓胶合现象,极端情况摩擦副间的相对运动停止,出现咬死现象。由上分析可见,工件成型时表面出现拉伤或咬死现象就是粘着磨损所引起的结果。

要减少粘着磨损目前还缺乏统一的选择判据,大多需要依靠经验知识来确定,以下是减少粘磨损所采取的一些基本措施。

1)尽量减少接触副之间的负荷,包括机械与热负荷;

2)避免采用金属配对副,而可采用陶瓷与陶瓷,塑料与塑料,塑料与金属,陶瓷与金属或塑料与陶瓷配对副来代替;

在模具方面,通过改变模具材料或对模具进行表面处理,使被成型材料与模具这对接触副性质发生改变,实践表明,这是解决拉伤问题经济而有效的方法,也是目前广泛采用的方法。

3.3.1模具材料方面

要是被加工的材料是钢铁材料,无论采用何种模具钢或铸铁,在没有采用合适的表面处理情况下,一般都很难解决工件的拉伤问题。

从模具材料入手解决工件的拉伤问题,人们可以采用硬质合金(江浙和广东称之为钨钢),一般情况下,由这种材料制作的模具抗拉伤性能很高,存在的问题是材料成本高,不易加工,对于较大型的模具,由于烧制大型硬质合金块较困难,即使烧制成功,加工过程中也有可能出现开裂,成材率低,有些几乎难以成型。此外硬质合金性脆,搬运、安装,使用过程中都要极其小心,稍有不慎就有可能出现崩块或开裂而报废。另外,由于硬质合金的组织结构是由硬质的碳化钨颗粒和软的粘结相钴所组成,硬质碳化钨颗粒的耐磨抗咬合性能很高,而钴相由于硬度很低,耐磨性能较差,使用过程中钴相会优先磨损,使模具表面形成凹凸不平,如此生产出来的工件表面也会出现拉痕,此时需对模具表面进行抛光,研磨方可进行再生产。对于奥氏体不锈钢工件,由于其面心立方结构也容易与钴相形成咬合而使工件的表面出现拉伤。

采用合适的铜基合金,也可解决工件的拉伤问题,但铜基合金一般硬度较低,易出现磨损超差,在大批量生产的情况下,这种材料的性价比较低。

对于较大型的模具,如汽车覆盖件的成型模具,大量采用了合金铸铁,铸铁只能减轻工件的拉伤,无法消除拉伤问题,要彻底解决拉伤问题需辅以氮化,镀硬铬等表面处理。但如此制作的模具往往寿命比较短,在使用一段时间后,如出现拉伤,又需修模并重新进行表面处理。

在模具材料方面,也有采用陶瓷制作模

化学热处理往往具有较常规钢制模具高得多的抗拉伤性能。在缺乏其它表面处理工艺方法的情况下,这不适为一种较好的选择,也是我国较常用的方法。就氮化处理而言,氮化的化合物层具有很高的抗拉伤性能,但由于其硬化效果有限(一般HV1200以下),且化合物层较薄(十微米左右),其耐磨性有限,而化合物层一旦磨损,拉伤又会出现,所以在大批量生产过程中氮化处理往往还无法满足生产要求;就渗硼工艺而言,其硬化层硬度可达HV1800,耐磨性较高,但依据笔者的经验,渗硼质量的稳定性和渗硼工件变形较大以及渗硼层抗拉伤性能相比而言较差是制约该技术在成型类模具上应用的几个重要因素。渗硫技术具有较高的减摩性能,在一些场合也取得了较好的效果,但对于负荷较大的成型类模具,效果有限。

表面超硬化处理是指化学气相沉积(CVD),物理气相沉积(PVD),物理化学气相沉积(PVD),TD覆层处理。这几种表面处理的共同特点是都可以在工件表面形成HV2000以上的硬化层,并具有极高的耐磨抗咬合等性能。实践证明,化学气相沉积(CVD),TD覆层处理技术是目前解决工件拉伤问题效果最好的方法,而物理气相沉积(PVD),物理化学气相沉积(PCVD),虽然其表面硬度也可达到HV2000—3000,甚至更高,表面层硬化层也具有极高的耐磨,抗拉伤性能,但由于其膜基结合力较CVD和TD覆层处理差距较大,往往在使用过程中过早脱落,发挥不出表面超硬化层的性能特点,因此这两种方法除在载荷较小的情况下有可能具有效果外,一般的成型类模具很难有满意的效果。

化学气相沉积(CVD)沉积的碳化钛(Tic)或碳氮化钛(TiNC)之类的材料,具有极高的硬度(HV3000以上),加上其膜基结合力很高,具有比一般模具材料或其它表面处理高得多的耐磨,抗拉伤性能,能够数倍至几十倍地提高模具的使用寿命。其缺点是处理温度高,工件变形大,工件CVD处理完以后,需另外重新加热淬火,而表面沉积层在空气中于400—500℃以上的温度下加热会氧化,

到目前已有数十家单位对该技术进行过研究,大多技术不过关。笔者通过十余年的科研和实践,已使该技术达到长期稳定生产的要求,并已成功应用到汽车、家电、五金、制管、冶金等行业的引伸、弯曲、翻边、辊压成型、冷镦、粉末冶金等类模具上,取得了极优异的使用效果。

综上所述,解决工件拉伤问题的方法很多,对于具体的个案,应根据工件和载荷大小,生产批量,被加工材料的种类等情况选择相应的方法。在所有解决拉伤问题的方法中,以硬质合金为模具材料,和对模具进行化学气相沉积(CVD),TD覆层处理为最好。其中又以TD覆层处理性价比最高。

4 结束语

工件拉伤问题是粘着磨损的结果,解决工件拉伤问题的方法较多,应根据具体情况予以选择,一般情况下,采用硬质合金为模具材料,对模具进行化学气相沉积和TD处理是解决模具拉伤问题最有效的方法。


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参考文献:

[1]【德】哈比希KH。材料的磨损与硬度[M].

北京机械工业出版社,1987