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汽车镶块式组合模具TD覆层处理容易出现的问题及其解决方法建议

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人气:-发表时间:2014-05-29 09:30【

更节能和更安全是汽车发展的两个重要方向。汽车要节能重要的方法是减轻汽车重量,而要确保汽车的安全,就必须保证汽车的整体强度。采用高强重比的材料以上两方面问题可以得到有效改善。尽管高强重比的材料很多,但考虑资源与成本等方面的因素,采用高强度钢板具有更大的优势,所以现代汽车行业大量采用高强度钢板。与传统低强度钢板相比,高强度钢板冲压成型比较困难,主要表现在以下两方面,一方面是工件成型过程中的回弹问题,另一方面是模具与工件表面容易出现拉伤。前者,只有不断总结高强度钢板成型特点,并不断完善模具结构,才能最终达到生产合格零件的要求;后者的解决方案很多,但目前最有效而经济的解决方法是对模具进行TD覆层处理[1]。实践表明,TD覆层处理除可以根本上消除各类钢板成型过程中工件表面与钢铁模具间的拉伤问题以外,还由于TD覆层具有很高的硬度和耐磨性能,可以大幅提高模具寿命,具有很高的使用价值。随着人们对该技术价值的不断认识,TD覆层处理技术在汽车模具上的使用量正快速增多。

TD覆层处理技术在日韩等国的汽车行业应用比较早,应用比较普遍也比较成熟。近年来国内汽车行业的迅猛发展,该技术在我国汽车模具上的应用量正快速增加。大量的实践表明,由于国内大量汽车企业包括欧美汽车厂家对于TD覆层处理技术了解不深,加上国内原材料市场极其混乱和一些模具企业一味降低生产成本,TD覆层处理技术在汽车模具特别是汽车镶块式组合模具的应用中出现了大量的问题,有时甚至使模具报废。本文笔者总结近十年来对各类汽车模具的TD覆层处理实践,就有关问题的出现原因及其解决方法提出一些建议。

一、 TD覆层处理技术在汽车行业的主要应用

TD覆层处理技术的主要特点是第一:覆层具有极高的硬度,如常用的碳化钒覆层硬度HV高达2800以上,具有极高的耐磨,抗粘接等性能;第二:覆层与母材结合力高,远优于常见的镀硬铬和各类低温气相沉积,如物理或物理化学气相沉积(PVD或PCVD);第三:处理时不受工件形状限制并可以重复处理。实践表明,TD覆层处理技术在拉伸(拉延,引伸),弯曲,翻边,冷镦,冲裁,冷挤,板料滚压成型,压铸,橡胶或塑料成型,粉末冶金等模具上已取得极其优异的使用效果,或根本上解决模具表面拉伤问题,或大幅度提高模具使用寿命。众所周知汽车是由大量的各种零配件组装而成,这些零部件又是用各类模具经过冲压,辊压,压铸等方式成型的,这些模具经过TD覆层处理一般都能取得较好的使用效果,所以可以预期TD覆层处理技术对于汽车制造业的作用将会越来越大。在进行TD覆层处理的汽车类模具中以底盘类零件的镶块式结构的组合模具数量最多,而TD覆层处理出现问题最多的也是这类模具,以下分析此类模具TD覆层处理容易出现的问题,并就一些解决方法提供一些建议。

二、 汽车镶块类组合模具TD覆层处理容易出现的问题及其解决方法建议

1、 由于TD覆层处理变形引起的问题及有关解决方法建议

TD覆层处理技术是一种高温处理技术(温度850℃-1050℃,一般920℃-1040℃),一般钢制模具在此温度下处理后原有热处理组织和性能已破坏。为使模具TD覆层处理后达到综合使用性能,希望基体硬度比较高(一般要求HRC56以上)以支撑表面覆层,如此TD覆层处理后的模具都有一个淬火回火的热处理过程,由于加热和冷却过程中不可避免有热应力、组织应力,TD覆层处理前后材料组织结构变化,以及材料内部各向组织及成分差异,TD覆层处理后工件变形无法避免。

TD覆层处理后模具变形分以下两种,第一种是模具镶块整体收缩或膨胀(体积变形),第二种是模具镶块形状变形(畸形变形)。前者变形的根本原因是TD覆层前后模具钢材内部组织结构的类型及数量发生了变化,而每种相结构的比容不同,导致镶块TD覆层处理前后体积膨胀或收缩。镶块收缩,镶块间的接缝加大,工件表面会留下压痕,严重时模具报废。镶块膨胀,为装配镶块研配量加大。实际上此种变型量可以大幅调整,方法是通过对材料及原有热处理条件的充分了解,采用一系列改变相结构及数量的方法一般可以大幅减少此类变形量。专业的供应商可以针对具体情况对此类变形进行有效的调整。

模具镶块的形状变形是在TD覆层处理的加热和冷却过程中,工件内应力及材料的各向异性所引起,此种变形不可逆,危害比较大,具体表现是镶块或扭曲,或弯曲,或镶块边缘凸起,或镶块与模座的支撑平面变成凹凸不平或上述几种变形的组合,以下分别分析。

1)镶块发生扭曲或弯曲,往往不容易矫正,虽经过研配,镶块之间的接缝明显,用这种模具生产的产品上有明显压痕,严重时不能正常生产;

2)镶块边缘凸起,此种情况容易发生,解决方法可以在镶块边缘倒角,以克服镶块边缘的凸起对冲压件的切割,损害冲压件的强度和外观,但这样处理必然会在冲压件上留下压痕;

3)TD覆层处理后的镶块与模座相配的支撑平面变成凹凸不平,此种情况实践中也比较常见,其危害是如不对镶块进行研配,工作时镶块与模座的配合面受力不均匀,容易使镶块受很大的拉应力,严重时镶块被压开裂,所以一般对于模具镶块的配合平面需要打磨找平,由此带来的问题是,由许多镶块组合的模具因各镶块打磨量不同,会带来镶块接缝处的高低差别,如此也会在冲压件上留下压痕。

根据上述分析也是实践中的经验,由于TD覆层处理变形问题的客观存在,对于大型外观要求严格的镶块组合模具如覆盖件模具不适合做TD覆层处理。

要减小模具TD覆层处理的变形,必须在模具选材,模具设计,模具热处理等方面特别注意,以下是一些建议:

1) 模具选材方面,主要是要选择热处理变形量小的钢材,具体来说一般选择高合金品质优良的钢材。选用高合金钢材是要确保材料的高的淬透性能和热处理微变形性能,目前应用较多的是高铬冷作模具钢,如Cr12MoV,Cr12Mo1V1,SKD11,D2,XW-42,DC53等,所谓品质优良,是冶炼锻造质量高,以减小材料内部的成分偏析和由于偏析带来的材料各向异性和淬火变形开裂倾向。

2) 设计方面要避免细长,薄板,L型,以及截面的急剧变化,以减小加热冷却过程中的内应力,进而减小畸形变形。

3) 热处理方面,模具镶块的热处理状态决定了TD覆层处理前的组织结构状态,要保证TD覆层处理后的组织状态与处理前的状态完全一直,一般比较困难。但TD覆层处理加工前通过对原始的模具镶块热处理工艺的充分了解,并调整TD覆层处理后的热处理工艺可以大幅度减小变形量,并减少随后的调整模具尺寸所需要的时间。

2、 由于补焊带来的问题及解决方法建议

汽车零件形状各异,加上高强度钢板冲压时易回弹,模具制造商在交付模具前的调模过程中,会对模具型面不断调整,调整的方法主要是补焊或打磨。还有因模具加工过度或误加工,为节省成本,有些厂家通过补焊将模具修复。所以大型汽车冲压模具工作面经常有补焊存在。不同的生产厂家及不同的现场生产条件补焊材料及补焊工艺各不相同。要是模具没有后续的热处理过程,补焊过的模具因能生产出合格的产品,很容易通过模具发包方的验收。但补焊过的模具,由于补焊部位与原来的母材组织结构不同,而各种组织的热膨胀系数不同,所以补焊后容易出现裂纹,即使补焊时未出现裂纹,在随后TD覆层处理的加热和冷却过程中会由于各部位的膨胀收缩量不同,容易在补焊部位形成很大的内应力,当内应力高于材料强度时就会产生裂纹。我们的经验是除极少数模具制造商外,一般由模具制造商自行补焊的模具在随后的TD覆层处理过程中十有八九会在补焊部位出现裂纹。更为严重的是,如模具材料的淬透性比较差,必须通过油冷之类的激烈冷却方法才能发生马氏体转变的模具,如有补焊存在,TD覆层处理后很容易在补焊部位形成大的裂纹,严重时使模具直接报废。

要解决模具补焊后TD覆层处理后的裂纹问题,除对模具的原材料要求比较高以外,对于补焊材料及补焊工艺必须严格控制。一般对于寿命要求很高的模具不建议有补焊存在。

3、 由于摩擦系数变化带来的问题。

TD覆层处理后的模具表面由致密的金属碳化物组成,这样模具TD覆层处理前和处理后与被成型板料间的摩擦系数发生变化,一般而言摩擦系数会大幅降低;此外TD覆层处理前一般都要对模具表面进行抛光处理,使模具表面粗糙度大为降低。以上两因素都会使TD覆层处理后的模具与板料间的摩擦力大为减小,并使生产时板料的走料状况发生大的变化,这种情况特别是形状比较复杂的成型模具更容易出现问题,模具设计调试时上述因素必须考虑,否则有可能会带来模具无法正常生产的后果。解决方法是必须在TD覆层处理之前模拟TD覆层处理后的表面状况,来预测TD覆层处理后模具的生产状况,具体方法可以在模具表面增加润滑,以减小摩擦系数。


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参考文献

[1]彭智虎,唐丽文,拉伸类模具的表面拉伤问题及其防止措施[J],模具工业,2006,32(1),69-73.