摘要：敘述了某壓鑄模具定模芯的燒蝕、裂紋、粘鋁等失效情況，并分析了形成原因。修模處理分為標(biāo)記、焊接、數(shù)控銑和電火花加工等工藝過程，所修復(fù)模具的質(zhì)量滿足技術(shù)要求。同時(shí)，探討了提高壓鑄模具使用壽命的措施，包括模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、模具材料選擇正確、熱處理工藝優(yōu)化、使用環(huán)境恰當(dāng)以及維修保養(yǎng)規(guī)范。

壓鑄模具由于長時(shí)間處于高溫、高壓、高速的工作環(huán)境下，模具表面產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和應(yīng)變，使用一定時(shí)期以后就會(huì)出現(xiàn)龜裂、燒蝕、裂紋等損壞情況，導(dǎo)致模具不能繼續(xù)使用，只有經(jīng)過修理之后，才能繼續(xù)投入生產(chǎn)。因此，在壓鑄模具使用過程中，修模非常重要，既能保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，又能延長模具的使用壽命。

1、失效形式及原因

圖1為某鋁合金缸體的壓鑄模具定模芯，其材質(zhì)是H13鋼，在生產(chǎn)中出現(xiàn)失效情況，其失效形式及原因分析如下。

圖1:定模芯

1.1 燒蝕

在橫澆道與澆口套相鄰處產(chǎn)生2處約1 mm深的燒蝕，在模芯的外凸邊緣、內(nèi)凹根部產(chǎn)生12處燒蝕，燒蝕使得模具體積減小，必須把燒掉的部分補(bǔ)上，才能得到尺寸合格的壓鑄件。發(fā)生燒蝕現(xiàn)象的主要原因是大約670 ℃的鋁液在高壓下反復(fù)高速?zèng)_刷模具，在模具的邊角處由于熱集中，溫度較高，長時(shí)間后鋼料被燒掉。

1.2 裂紋

內(nèi)澆道正對的模具成型面上產(chǎn)生了細(xì)小的網(wǎng)狀裂紋，這是因?yàn)榻饘僖簭?qiáng)力沖擊產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，同時(shí)高溫的模具開模后噴刷涂料受到激冷，冷熱交替作用下產(chǎn)生熱應(yīng)力，在復(fù)合內(nèi)應(yīng)力的作用下逐漸產(chǎn)生小裂紋。隨著時(shí)間延長越來越大，當(dāng)裂紋大到一定程度時(shí)，模具可能發(fā)生斷裂。

1.3 粘鋁

內(nèi)澆道根部有1處粘鋁，高溫高壓的鋁液沿著裂紋進(jìn)入鋼材基體中，由于鐵、鋁之間在高溫下親和力較大，從而粘接在一起。

1.4 設(shè)計(jì)變更

生產(chǎn)中橫澆道末端處制品有時(shí)出現(xiàn)澆不足的現(xiàn)象，原因是靠近直澆道的2處內(nèi)澆道尺寸偏大，導(dǎo)致此處金屬液流量大而末端內(nèi)澆道流量小，金屬液在末端處流動(dòng)充滿型腔之前凝固，因此需要減小首段內(nèi)澆道尺寸。  

2、修模處理過程

2.1 標(biāo)記

用白色記號筆圈出燒蝕尺寸較大的部位，并在旁邊書寫“B”，表示需要修補(bǔ)。尺寸較小的燒蝕旁邊書寫“H”，表示此處是孔，暫時(shí)不需要修補(bǔ)。設(shè)計(jì)變更處用箭頭指出，書寫“設(shè)變”，需要修補(bǔ)。粘鋁的地方書寫“去肉”，表示需要加工去除材料。

2.2 焊接

氬弧焊是以氬氣作為保護(hù)氣體的焊接方法，熱輸入較小，對母材的熱影響小，不易出現(xiàn)裂紋、咬邊、氣孔等缺陷，焊接質(zhì)量容易得到保證。生產(chǎn)中采用9188GS型焊機(jī)，焊條選用AST0506，其成分與模具鋼H13相近，具有很好的抗回火特性和耐熱疲勞性能，見圖2。在焊接之前，需要徹底清除焊接表面的裂紋、氧化物和油污，并予以烘干。焊接預(yù)熱的目的是減少模具因焊接高溫而產(chǎn)生開裂的傾向，預(yù)熱溫度為300~400 ℃。焊接采用低熱輸入原則、高頻脈沖電流以及多次少量的熔滴，堆焊層厚度為4~5 mm。焊接后需要經(jīng)過回火才能達(dá)到所需硬度，回火溫度為680~730 ℃，應(yīng)比原回火溫度低5~10 ℃，以免降低母材硬度，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)捻g性。

圖2:氬弧焊接

2.3 數(shù)控銑

補(bǔ)焊的區(qū)域需要經(jīng)過機(jī)械加工去除多余材料，將定模芯模型文件在UG NX軟件中打開，分別進(jìn)行粗加工、精加工數(shù)控編程，后處理產(chǎn)生程序文件，傳輸程序到機(jī)床中。把定模芯吊裝到機(jī)床工作臺(tái)上，打表找正，壓緊固定。按照程序單要求精確對刀，設(shè)定加工坐標(biāo)系G54，調(diào)出粗加工程序，設(shè)置加工參數(shù)，啟動(dòng)加工。調(diào)出精加工程序，設(shè)置加工參數(shù)，啟動(dòng)加工，見圖3。

圖3:數(shù)控銑

2.4 電火花加工

需要加工的區(qū)域如果存在狹窄凹槽，則應(yīng)采用電火花成形加工，設(shè)計(jì)、加工石墨電極，將電極安裝固定在電火花成形機(jī)床上，定模芯固定在機(jī)床上，設(shè)置合理的放電參數(shù)，進(jìn)行電火花加工，見圖4。

圖4:電火花加工

3 提高壓鑄模具使用壽命的措施

3.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓鑄件壁厚應(yīng)滿足合金的正常壁厚和最小壁厚要求，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量設(shè)計(jì)成薄壁件且壁厚均勻，防止縮孔、縮松的產(chǎn)生。根據(jù)鑄件兩壁連接方式，合理選擇鑄造圓角大小，有利于金屬液充填、排氣以及模具強(qiáng)度。脫模斜度應(yīng)按合金種類、曲面特性恰當(dāng)選取，以便鑄件順利脫模。

采用ANSYS等軟件分析模具的強(qiáng)度、剛度，確保模具不損壞、不變形。澆注系統(tǒng)盡量減少對型芯的沖擊。澆口增厚可減少模具燒結(jié)，降低金屬液的沖擊速度。正確選擇各零件的公差配合和表面粗糙度。保持模具熱平衡。冷卻水道與型面及轉(zhuǎn)角的間距必須足夠大。盡量采用鑲件結(jié)構(gòu)，便于維修和更換。在可能條件下選用大的轉(zhuǎn)角R，避免應(yīng)力集中。

3.2 模具材料選擇

壓鑄模的使用壽命與材料密切相關(guān)。應(yīng)對模具材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能予以確認(rèn)，必要時(shí)復(fù)核檢驗(yàn)，確保材料質(zhì)量符合要求。

選擇耐熱疲勞、熱穩(wěn)定性好的熱作模具鋼。推薦使用8407或精煉H13，鋁壓鑄模使用壽命達(dá)到7~10萬次。E38K適合700 ℃以下溫度范圍，鋁壓鑄模使用壽命達(dá)到20~40萬次。2367適合700 ℃以下溫度范圍，鋁壓鑄模使用壽命達(dá)到40~60萬次。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)加工材料種類、產(chǎn)品特點(diǎn)以及生產(chǎn)批量等正確選擇模具材料，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 模具的熱處理

熱處理通過改變工件顯微組織，從而改變工件強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨等使用性能。熱處理的正確與否直接關(guān)系到模具的使用壽命。因此，必須合理地控制淬火溫度和時(shí)間、冷卻速度以及回火溫度，將模仁設(shè)計(jì)硬度定為HRC44~46，熱處理工藝為480、700、850℃分級加熱 + 1050℃真空油淬 + 600℃二次回火。模仁在轉(zhuǎn)量產(chǎn)時(shí)再進(jìn)行一次回火，由于線割、補(bǔ)焊、放電對模仁結(jié)構(gòu)造成破壞，需要把介質(zhì)調(diào)回來。同時(shí)，可以采用表面強(qiáng)化技術(shù)提高使用壽命，常用的有鐵素體氮碳共滲技術(shù)和PVD涂層技術(shù)等。

3.4 模具使用環(huán)境

根據(jù)合金種類、鑄件壁厚以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，合理選擇壓鑄模具的預(yù)熱溫度和工作溫度。鋁合金壓鑄模的預(yù)熱溫度為150～180 ℃，工作溫度為180～240 ℃，適當(dāng)選擇較高的溫度可使模具壽命明顯提高。確保模具得到適當(dāng)冷卻，冷卻水的溫度應(yīng)保持在40~50 ℃，臨時(shí)停機(jī)，應(yīng)盡量合模并減小冷卻水量，避免再開機(jī)時(shí)模具承受熱沖擊。在保證成型良好前提下，用較低的澆注溫度。

3.5 模具維修保養(yǎng)

規(guī)范的保養(yǎng)可使模具處于良好狀態(tài)。新模具試模后，進(jìn)行去應(yīng)力回火。當(dāng)新模具使用到設(shè)計(jì)壽命的1/6～1/8時(shí)，即鋁壓鑄模10 000模次，鎂、鋅壓鑄模5 000模次，銅壓鑄模800模次，應(yīng)對模具型腔進(jìn)行450~480 ℃回火，并對型腔拋光和氮化，以消除內(nèi)應(yīng)力和型腔表面的輕微裂紋。以后每12 000～15 000模次進(jìn)行同樣保養(yǎng)。當(dāng)模具使用50 000模次后，可每25 000～30 000模次進(jìn)行一次保養(yǎng)。采用上述方法，可明顯減緩由于熱應(yīng)力導(dǎo)致龜裂的產(chǎn)生速度和時(shí)間。

當(dāng)模具出現(xiàn)影響生產(chǎn)使用的失效缺陷時(shí)，可以采用電弧堆焊進(jìn)行修復(fù)，并且能夠多次修復(fù)。經(jīng)修復(fù)的模具使用壽命有了明顯提高，既保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，又降低了生產(chǎn)成本。

4、結(jié)語

此壓鑄模具定模芯出現(xiàn)了燒蝕、裂紋、粘鋁等失效缺陷，并且有1處設(shè)計(jì)變更，因此，需要進(jìn)行修模處理。經(jīng)過標(biāo)記、焊接、數(shù)控銑和電火花加工，修復(fù)模具的質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。提高壓鑄模具使用壽命的措施有模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、模具材料選擇正確、熱處理工藝優(yōu)化、使用環(huán)境恰當(dāng)以及維修保養(yǎng)規(guī)范等。

作者：

王桂林
常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第3期