模具材料及表面涂层对精冲模具寿命的影响研究.pdf

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1、分分 类类 号号 学学 号号 M200970704 学校代码学校代码 1 0 4 8 7 密密 级级 硕士学位论文硕士学位论文 模具模具材料及表面涂层对精冲模具寿命材料及表面涂层对精冲模具寿命的影响研究的影响研究 学位申请人学位申请人:王海洋王海洋 学科专业学科专业:材料加工工程材料加工工程 指导教师指导教师:张祥林张祥林 教授教授 肖祥芷肖祥芷 教授教授 答辩日期答辩日期:2012 年年 01 月月 07 日日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of E

2、ngineering Study of Fine Blanking Die Life under the Influence of Tool Steel and Surface Coatings Candidate:Wang Haiyang Major :Materials Processing Engineering Supervisor:Prof.Zhang Xianglin Prof.Xiao Xiangzhi Huazhong University of Science&Technology Wuhan 430074,P.R.China Jan,2012 华 中 科 技 大 学 硕 士

3、 学 位 论 文 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数

4、据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。不保密。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 精冲是一种高效率、高质量和高附加值的精密塑性成形工艺，可以一次冲裁获得高质量的零件。但随着精冲技术的发展，精冲模具的寿命成为影响精冲行业发展的主要瓶颈。因此，综合探索影响模具寿命的主要因素及影响机制，以解决国内精冲模具寿命较低的问题，具有非常重要的现实意义。本文首先以“棘爪模具”为试验平台，选择 SKD11、QHZ 和 S

5、790 三种模具钢制作相同规格的冲孔凸模，进行力学性能和冲裁性能的比较，对比分析模具材料对模具寿命的影响。结果显示：由于试验冲床的精度较低以及凸模不合理的结构，高强度钢 S790 仅表现出一般的冲裁性能，具有良好韧性的 QHZ 钢则表现出良好的使用性能，而普通模具钢 SKD11 的使用效果最低。其次，采用多种试验设备，测量分析涂层厚度对 TiN 和 TiAlN 涂层性能的影响，如显微硬度、织构系数和残余应力等。同时，研究涂层对基体表面质量的影响，如表面粗糙度、摩擦系数和残余应力等。结果表明：TiN 和 TiAlN 涂层显微硬度均随涂层厚度增加而增大；1.62.5 m TiN 涂层残余应力分布在

6、-2347-1920 MPa，基体残余应力分布在-154.9-69.21 MPa，均随厚度增加而减小；1.22.2 m TiAlN 试样基体残余应力分布在-123.7 469.5 MPa，主要呈拉应力状态，且随厚度增加而增大。此外，TiN 和 TiAlN 涂层能够改善试样表面的表面摩擦系数，但对表面粗糙度无显著影响。最后，使用“棘爪”精冲模具进行实践冲裁试验，比较分析 TiAlN 涂层对凸凹模冲裁性能的影响，测量记录每件模具的冲裁次数和刃口磨损量，以及冲裁件的毛刺高度和冲裁面粗糙度。结果显示：由于试验冲床精度较低，造成 TiAlN 涂层过早剥落，无法发挥其性能。关键字：关键字：精冲模具，表面涂

7、层，模具材料，模具寿命，残余应力 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Fine Blanking is a high-efficiency,high-quality and high value-added precision plastic forming process,which could obtain high-quality parts.However,with the development of the fine blanking,the die life becomes an obstacle to the development of f

8、ine blanking industry.Therefore,it is very significant to comprehensively analyze the main factors affecting the die life for resolving the problem of low die life.Meanwhile,ANSYS Workbench was used to make a structure analysis of mold,and the results showed there was stress concentration,which caus

9、ed die failure,due to the irrational structure.Firstly,based on Pallet mold,SKD11,QHZ and S790 were used to produce the punchs with same size.With the comparison of material properties and actual punching,the impacts of tool steels on the die life were comprehensively analyzed.The results showed tha

10、t the hardness and toughness of tool steels determined the die life,when the compressive strength met the requirements.Secondly,some test equipments were used to analyze the impacts of coating thickness on the properties of TiN and TiAlN coatings,such as hardness,texture and residual stress.Meanwhil

11、e,the impacts of coatings on substrate were comprehensively analyzed.The hardness of both TiN and TiAlN coatings increased with the film thickness.The residual stress of TiN coatings was ranging from-2347 MPa to-1920 MPa,and the stress of substrates was ranging from-154.9 MPa to-69.21 MPa,which both

12、 increased with the film thickness.As to the TiAlN coatings,the residual stress of the substrates was between-123.7 MPa and 469 MPa.Majority of the stress were tensile stress,which impact on the life of dies,increasing with the film thickness.Additionally,TiN and TiAlN coatings improved the surface

13、friction coefficient of the sample surface,but had no significant effect on surface roughness.Finally,the Pallet mold was used to carry on punching test,in order to analyze the impacts of TiAlN coatings on the die life.In the test,except the life and wear volume of 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III the di

14、e,the quality of stamping parts were measured and recorded.However,because of the low guiding precision of the test press,the TiAlN coating peeled off early and did not play advanced performance.Key words：Fine blanking Die,Surface Coating,Tool Steel,Die Life,Residual Stress 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I

15、V 目目 录录 摘摘 要要 .AbstractAbstract .1 1 绪绪 论论 1.1 精冲模具的失效形式.1 1.2 影响精冲模具寿命的因素.4 1.3 提高精冲模具寿命的方法.7 1.4 课题来源、意义及研究内容.10 1.5 本章小结.12 2 2 精冲模具材料的影响精冲模具材料的影响 2.1 模具精冲模具材料的性能要求.13 2.2 模具材料的性能比较.14 2.3 模具材料的使用比较.23 2.4 模具失效分析.27 2.5 本章小结.29 3 3 精冲模具的有限元分析精冲模具的有限元分析 3.1 有限元在精冲领域的应用.30 3.2 模具断裂分析.30 3.3 模具磨损分析.

16、33 3.4 本章小结.36 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 4 4 精冲模具表面涂层的影响精冲模具表面涂层的影响 4.1 试验方法及内容.37 4.2 TiN 涂层性能及影响.40 4.3 TiAlN 涂层性能及影响.45 4.4 涂层的热应力有限元分析.52 4.5 本章小结.55 5 5 总结与展望总结与展望 5.1 模具材料对于模具寿命的影响.56 5.2 表面处理工艺对模具寿命的影响.56 5.3 模具寿命研究与展望.57 致致 谢谢 .5959 参考文献参考文献 .6060 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 本章首先对精冲模具的失

17、效形式进行简要介绍，并对其类别、特点进行简单阐述；其次对影响精冲模具寿命的因素及提高模具寿命的方法或措施进行详细介绍；最后简要介绍课题来源、意义以及相关研究内容。1.11.1 精冲模具的失效形式精冲模具的失效形式 相比于普通冲裁，精冲的冲裁间隙更小，单边冲裁间隙仅为板料厚度的0.5%1.0%。在模具结构上，精冲模具增加了反向顶件器，从而保证精冲过程中材料剪切区在较大的三向压应力状态下进行塑性剪切变形，进而获得优质的冲裁件。相应在精冲过程中，模具将承受较大的摩擦力、交变压缩力和拉伸力，同时较快的冲裁速度，也容易导致模具局部产生热效应，上述复杂的恶劣工况均对精冲模具寿命产生消极影响，致使精冲模具寿

18、命偏低。精冲模具的主要失效形式为模具的过量磨损、断裂和塑性变形。1.1.11.1.1 精冲模具的磨损精冲模具的磨损 在精冲过程中，金属材料在强力作用下，在极小的冲裁间隙内产生塑性剪切变形，凸模、凹模和凸凹模工作侧面与材料剪切面接触，产生极大的摩擦力，引起模具材料损耗，导致模具的形状尺寸发生变化，致使其失去服役能力。尤其在模具刃口处，在强大的三向压力作用下产生更大的摩擦力，致使刃口局部磨损剧烈，从而导致冲裁件质量下降，模具丧失服役能力。此外，在润滑失效的情况下，精冲模具的冲头、凹模与板料接触处产生的强烈摩擦会迅速转化为大量的热能，致使模具刃口处产生较高的温度，降低刃口硬度，加剧模具的磨损。同时，

19、局部热效应也会造成板料与模具间发生冷焊附着磨损和氧化磨损，导致模具失效报废。在模具材料满足强度要求的前提下，模具刃口的磨损是模具失效的主要表现形式。凸模在高速、强压下挤入板料的过程中，凸模刃口、凹模刃口与板料接触处的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 强烈摩擦造成凸模刃口和凹模刃口的磨损。在卸料过程中，板料的回弹包裹会导致凸模刃口进一步磨损，图 1-1 中圆圈处为精冲模具易磨损的部位1。图 1-1 精冲模具易磨损部位 由此可知，精冲模具的磨损是不可避免的一种失效形式。在冲裁过程中，模具的磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段。对应于三个阶段，刃口的损伤如图 1-2

20、 所示2。a)局部塑性变形 b)摩擦磨损 c)疲劳损坏 图 1-2 冲裁时刃口的损伤过程(1)初期磨损阶段 冲裁前期，模具刃口与板料接触面积较小，刃口的压应力很大，从而造成刃口部位的塑性变形。该阶段内刃口部位的磨损速度较快，如图 1-2a 所示。(2)正常磨损阶段 当前期磨损达到一定程度后，刃口部位的接触面积增大，所承受的压应力减小，同时产生应变硬化，如图 1-2b 所示。该阶段的主要磨损方式是刃口和板料之间的摩擦磨损，且磨损速度缓慢。该阶段的磨损时间越长，说明模具的耐磨性越好。(3)剧烈磨损阶段 模具刃口经过长期反复磨损后会产生疲劳损伤，刃口表面会出现损坏剥落，如 华 中 科 技 大 学 硕

21、 士 学 位 论 文 3 图 1-2c 所示。该阶段的磨损速度开始加剧，刃口呈现疲劳破坏现象，模具已丧失服役能力，应及时刃磨修复。随着模具刃口的磨损钝化，精冲件的毛刺高度不断增加，致使零件质量下降而无法满足要求。此时模具应立即进行刃磨修复，以提高材料的使用率，然而反复装卸又会极大影响生产效率。因此，必须采用适当措施，如改善润滑、表面强化等手段，以提高模具的耐磨性或减小摩擦，进而减缓模具刃口的磨损速度，达到提高模具寿命的目的。1.1.21.1.2 精冲模具的断裂精冲模具的断裂 精冲模具断裂失效一般包括脆性断裂和疲劳断裂。脆性断裂是指模具断裂时不发生塑性变形或者变形量极小的断裂。疲劳断裂是指工作模

22、具在多次循环交变载荷的作用下，局部金属材料产生疲劳损伤，引起局部微裂纹，并不断扩展而造成的断裂。精冲模具断裂的主要表面形式包括：崩刃和折断等。(1)模具的崩刃 在冲裁过程中，精冲模具刃口要承受很大的压应力，模具加工质量和模架导向精度的不足容易引起模具的偏载，造成刃口局部应力集中，致使局部金属材料承载超出其强度极限而开裂脱落。在模具刃口处存在的缺陷，以及机械加工和热处理所造成的内部裂纹和组织偏析，容易造成模具的疲劳崩刃。在循环交变载荷的作用下，内部疲劳源逐步扩展汇合，最终造成刃口处局部材料剥落。此外，冲裁时由于板料剧烈的塑性变形而产生的热效应与摩擦热能会使精冲模具刃口温度升高。而在卸料时，由于废

23、料和零件带走大量热量，又致使模具温度回落。在这种循环热载荷作用下，模具刃口的热应变也随之交替变化，可能导致热疲劳裂纹的产生。(2)模具的折断 模具的折断主要表现为精冲模具轴向或径向的贯穿断裂。在精冲过程中，由于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 不合理的模具结构或者模具内部缺陷，导致局部应力集中，致使凸模或者凸凹模折断失效。此外，精冲时压力中心和模具几何中心的偏差引起较大的偏载，造成较大的弯矩，当模具抗弯能力不足时，则会发生折断失效。1.1.31.1.3 精冲模具的塑性变形精冲模具的塑性变形 精冲模具的塑性变形主要表现形式为型腔塌陷、冲头墩粗、棱角塌陷、轴向弯曲变形和内孔胀大

24、等，这些失效方式都会导致精冲模具失效报废，严重地影响实际生产效率。在精密冲裁中，导致模具塑性变形的影响因素很多。通常导致模具发生塑性变形的主要原因为载荷过大和模具材料的承载强度不足。同时模具材料热处理工艺不当也会导致模具材料的强度下降，致使模具在承载时变形失效。此外，精冲模具不合理的结构设计，会致使模具材料局部应力集中，导致局部内应力超过金属材料屈服强度而出现局部塑性变形。因此，预防精冲模具产生塑性变形的主要措施是选择合适的模具材料，以承受相应的工作负荷。同时，选择合理的热处理工艺，提高模具材料的综合力学性能，也能预防模具的塑性变形。此外，精确计算模具的工作载荷以及应力峰值，对于选取合适模具材

25、料起到积极作用。1.21.2 影响精冲模具寿命的因素影响精冲模具寿命的因素 由于精冲模具的工作载荷较大，凸、凹模间隙非常小，以及精冲过程中的热效应、摩擦力等原因，使精冲模具的寿命很难得到保证，导致精冲模具过早的损坏或报废3。由于精冲机的生产效率较高，频繁装卸或修复模具会严重影响精冲设备的效能。通过对各种精冲因素的分析，发现影响精冲模具寿命的因素以及影响机理，对于提高精冲模具的寿命起到至关重要的作用。然而，精冲技术不是单一的、孤立的工艺技术，而是一个多因素的系统工程4，影响精冲模具寿命的因素较多，主要因素有：精冲件工艺性和精冲材料，精冲模具的结构，精冲模具材料，模具制造工艺，工作条件和使用维护。

26、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 (1)精冲件工艺性和精冲材料 在精密冲裁行业中，主要根据零件形状、厚度和材质的影响来确定精冲件的精冲难度等级，即 S1、S2和 S3，难度越大，模具寿命越低。存在尖角、薄壁、悬臂和尺寸公差要求较高的零件，其精冲难度等级较高，精冲模具的寿命较低，必须采用有效措施予以解决。精冲材料是影响零件质量的重要因素，也是影响精冲模具寿命的重要因素。精冲件材料从多方面，如材质、料厚、硬度、塑性和表面质量等，影响精冲模具的寿命。理想的精冲材料应具有良好的力学性能以及优异的变形能力。此外，良好的金相组织结构，也能显著提高模具的使用寿命，如渗碳体或碳化物的球化程度

27、高，碳化物分布均匀，非金属夹杂物含量低等，精冲材料厚度与模具寿命具有一定的关系，在材质一定的情况下，板料越厚，模具的工作载荷越大，寿命越低。同时，材料硬度与模具寿命也具有类似的关系，材料的硬度越高，模具寿命越低。此外，板料的表面质量也显著影响着精冲模具的寿命，粗糙的表面形貌以及表面氧化皮均会加剧模具表面的磨损，降低模具的寿命。因此，选择表面质量良好的材料，在一定程度上，有利于提高精冲模具的寿命。(2)精冲模具的结构 随着精冲零件的多样化和结构的复杂化，精冲模具的结构也愈加复杂。在模具结构设计中，尖角、悬臂和薄壁等结构常不可避免，这些结构均会在一定程度上影响了模具的整体强度和刚度，造成模具寿命下

28、降。模具的几何形状对冲裁过程中金属的流动和冲裁力产生很大的影响，较差的几何形状，如尖角、薄壁和窄槽等，均会造成局部金属流动受阻，致使成形力过大超出模具强度，导致模具失效报废。此外，不合理的模具结构形式，亦会造成模具局部应力集中，在循环载荷作用下，模具容易发生断裂。因此，应对复杂的模具结构，应采用必要的结构优化措施，避免各种容易导致应力集中的几何结构，以提高模具的整体强度和刚度，达到提高模具寿命的作用。(3)精冲模具材料 模具材料的选择，直接影响到精冲模具的使用寿命和可加工性能。不同模具材 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 料的硬度、耐磨性、韧性、抗压性、热处理稳定性以及断裂抗

29、力等性能均有所不同，所选模具材料的力学性能和加工性能必须满足模具的使用要求，否则将导致模具的使用寿命降低。模具材料内部碳化物的形状、大小和分布状况也对精冲模具的使用寿命有着重要影响。金属中不均匀分布的碳化物限制了钢材的强度，大块碳化物使钢材更难磨削5，并且偏析常常引发淬火过程中的变形6。传统 Cr12 系列冷作模具钢为高碳高铬莱氏体钢，组织内部碳化物粗大、分布不均，且尖角较多，局部亦容易形成网状、大块状或带状偏析，这些均会严重影响模具材料的冲击韧性及抗断裂能力，造成模具的早期失效。此外，莱氏体钢的碳化物均为一次碳化物，无法通过热处理改善其形貌与分布，只能采用锻打工艺予以改善。通过锻打能够改善

30、Cr12 系列钢材的性能，但是该钢种仅适用于结构简单、工作载荷较小的模具中，不适用于结构复杂、重载的精冲模具中。由于特殊的粉末冶金方式，粉末冶金高速钢适用于结构较复杂的精冲模具。粉末冶金能够极大降低组织偏析，改善碳化物颗粒的大小、分布状况，显著提高钢材的冲击韧性和抗断裂能力，进而提高模具的使用效能。(4)模具制造工艺 在模具制造中，精冲模具的加工质量，如间隙均匀度和表面粗糙度等，对模具寿命产生显著影响。精冲模具的制造工序较多，主要包括：模坯锻打、机加工工艺、热处理、线切割、研磨、装配等工序。模坯锻打能够显著改善材料内部碳化物大小、分布和材料的各向同性，进而提高材料的各项力学性能，但不合理的锻打

31、工艺则会增加材料的内部缺陷，降低材料的使用性能。此外，机加工工艺也是影响模具寿命的重要因素：不合理的切削工艺，将会显著影响模具的表面质量，增加表面毛刺和尖角，从而加剧模具表面的磨损，导致模具过早失效。合理的热处理工艺，不仅能够提高材料的各种性能，还能进一步改善金属组织结构与形貌，减少内部缺陷，从而达到提高模具寿命的目的。但不当的处理工艺，容易造成材料性能下降：过高的淬火温度，容易造成模具材料过热、过烧；而淬火 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 温度过低，将会降低模具的硬度和耐磨性。因此，选择合理的处理工艺对于提高模具性能至关重要。线切割、研磨和装配也是影响模具寿命的重要要素。

32、模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响7。线切割加工容易造成表面变质层的产生，使模具表面形成较大张力和微观裂纹，影响模具的使用性能。研磨工艺则是去除模具表面变质层，改善模具表面质量的重要工序。合理的研磨工艺能够显著提高模具的表面质量，提高模具的使用寿命。此外，合理的装配也对提高模具寿命起到积极作用。(5)工作条件和使用维护 实际生产中，模具的工作条件和使用维护对模具寿命的影响至关重要。模具的工作条件和使用维护包括：调模高度、压力、速度、送料精度、坯料清洁、润滑、合理存放、刃磨、清洁、应力回火和防锈等。其中，精冲机床的刚度和精度对模具寿命的影响较大。国产精冲机通常在普通冲

33、压机床的基础上改造而来，其刚度和精度较低，冲床容易产生较大变形，显著降低冲裁精度。同时，合理的润滑条件能够有效降低精冲摩擦力，减少模具的磨损消耗。此外，良好的润滑也可以消除冷焊现象，显著提高模具的寿命。此外，合理的刃磨工艺能够显著提高模具材料的使用率，维持刃磨后模具的使用性能，减少生产成本，降低模具的失效率。反之，不当的刃磨工艺，容易造成较大残余应力，甚至改变内部材料性能，严重影响模具的使用寿命。总之，在精密冲裁中，影响精冲模具寿命的要素较多，通过对这些要素的分析，探索出影响精冲模具寿命的原因或机理，为创造改善措施提供基础具有显著的意义。1.31.3 提高精冲模具寿命的方法提高精冲模具寿命的方

34、法 精冲模具在设计中，根据不同的生产条件及技术参数，具有一定的预期使用寿命，但在实际应用中，模具的使用寿命往往不能达到预期的要求8。由于精密冲裁是一种复杂的、多元的、系统的技术，因此，影响精冲模具寿命的因素很多，主要因素有：精冲件工艺性和精冲件材料；精冲模具的结构；精冲模具材料；模具制造工 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 艺；工作条件和使用维护。通过对这些因素的综合比较分析，采用相应的改善措施，能够有效提高精冲模具的寿命。具体的改善措施主要有：优化模具结构、合理选用模具材料、表面涂层处理、改善模具制造和热处理工艺、合理选用润滑剂、合理选用精冲材料和合理使用维护模具等，这些措

35、施都能够在一定程度上提高模具的使用寿命。(1)优化模具结构 模具的几何形状对冲裁过程中金属的流动和冲裁力产生很大的影响，较差的几何形状，如尖角、薄壁和窄槽等，都会导致局部金属流动受阻，从而造成冲裁力过大，超出模具强度，导致模具失效报废。1)在进行小孔精冲时，若小孔直径 0.6tDt(t 为板料厚度，D 为孔径)，需要对冲孔凸模进行强度校核。若模具材料不能满足强度要求，应该使用阶梯式凸模结构予以改善，增强模具的强度。2)当模具结构存在薄壁特征时，0.6tBt(t 为板料厚度，B 为壁厚)，模具的强度通常较低，需进行结构优化。使用沉孔凹模结构取代直孔结构，减少薄壁端的长度，进而提高模具的强度。3)

36、当精冲件存在细长窄槽时，0.6tBt(t 为板料厚度，B 为槽宽)，凹模结构上存在悬臂状凸耳，该处结构强度较低，容易损坏。为改善模具结构，凹模可做成镶拼结构，已损坏的部位做成镶块，以提高模具的使用寿命，同时易于维修和更换。总之，精冲件的结构决定了模具工作件的结构，当精冲件存在小孔、尖角、薄壁和窄槽等特征时，将会造成模具结构强度的降低。因此，这些特殊结构在模具设计时应尽量避免，以控制模具的失效率。(2)合理选用模具材料 精冲模具的间隙非常小，在三向压应力下进行塑性剪切成形，因此冲裁过程中的压力非常大，精度要求高9，这对精冲模具材料的性能要求更高。选择模具工作件的材料时，应该协调好材料的耐磨性、强

37、度与韧性间的关系，以保证较高的模具寿命。反之，倘若选用不当的模具材料，将会造成模具使用率降低，寿命下降。国产冷作模具材料主要采用传统熔炼和电渣重熔两种方式冶炼而成。由于冶炼 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 工艺水平不高，钢材不可避免存在内部偏析，且内部晶粒粗大，碳化物颗粒较大、分布不均，最终导致模具的整体性能下降，影响模具寿命。国内使用较多的冷作模具钢材是 Cr12MoV 和 W6Mo5Cr4V2，两种模具材料的整体性能不高，只适用于结构简单、工作载荷较低的精冲模具上。进口精冲模具材料主要采用电渣重熔和粉末冶金两种方式冶炼而成，而且冶炼技术高。采用电渣重熔方式冶炼的钢材，在

38、一定程度上降低了内部组织偏析，且晶粒较细，组织分布均匀稳定，钢材具有较好的综合性能，适用于较复杂的模具中，典型的钢材有 SKD11、DC53、XW-41 和 D2 等。采用粉末冶金方式冶炼的钢材，内部组织更加均匀细致，金属碳化物呈球状，极少存在偏析。因此，如 V4、S390 和M3 等粉末冶金钢具有优异的力学性能，适用于结构复杂、高工作载荷的模具中。(3)表面涂层处理 模具表面涂层是一种表面强化处理工艺，能够增加模具的表面硬度，提高表面 耐磨性和抗粘着能力，是提高精冲模具使用寿命的有效手段。由于精冲模具苛刻的工作条件，金属流经模具刃口时会产生剧烈摩擦，容易造成刃口磨损，影响冲裁件质量。运用 P

39、VD 涂层技术后，模具表面附着 25um 厚的涂层(如 TiN 和 TiAlN 等)，涂层硬度在 25003500Hv 范围内10，抗氧化温度在 600850范围内11，摩擦系数较小(0.20.4)12，能够很大程度提高模具的耐磨性，减小摩擦力，避免冷焊现象，显著提高磨具寿命 46 倍13。虽然 PVD 涂层技术能够有效提高精冲模具的寿命，但是由于 PVD 涂层沉积温度较高(400500)，模具要在高温下承受高温离子的轰击 14，容易造成模具表面质量的降低。此外，由于基体钢材与表面涂层的物理性能差异较大，在热胀冷缩的过程中容易产生内部热应力，影响精冲模具的寿命。(4)优化模具制造和热处理工艺

40、作为模具加工过程中重要的工序，模具制造成为影响模具寿命的重要因素。模具制造过程中，保证较高的模具制造精度和制造质量，将会显著提高模具的使用寿命。如模具的形位精度，表面光洁度，模架导向精度等，都是评价模具加工质量的重要指标。良好的形位精度能够保证均匀的冲裁间隙，优良的导向精度可以保证良 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 好的导向，避免偏载的发生。良好的表面光洁度，可以减小冲裁摩擦，降低模具表面的磨损，也会显著减少表面裂纹源的产生。合理的热处理工艺能够有效改善模具材料的围观组织，减少模具的内部缺陷，进而降低模具的失效率。同时，适当的热处理可以提高模具材料的各项力学性能，保证精冲

41、模具能够有效承受工作载荷，显著提高精冲模具的使用寿命。(5)合理选用润滑剂 良好的润滑剂能够使模具与板料不直接接触，减小冲裁摩擦，减少模具表面磨损，而且也能消除粘着冷焊现象。选用合理的精冲润滑剂，可以保证板料与模具间始终形成牢固而连续的润滑薄膜，在连续高速冲裁过程中不破裂或挤出，保证冲裁的顺利进行。(6)合理使用维护模具 在实际生产中，模具使用与维护也影响着模具的使用寿命。冲裁速度不仅影响着冲裁件的质量，也影响着模具寿命。过快的冲裁速度，会导致模具温度升高，破坏润滑效果，造成冷焊现象的发生。同时，合理的刃磨工艺也能够显著提高模具的使用性能。此外，经过一定次数的冲裁，模具内部存在一定的应力累积，

42、定期对模具进行去应力热处理，消除模具内部的残余应力，也能够显著提高模具的寿命。1.41.4 课题来源、意义及研究内容课题来源、意义及研究内容 1.4.11.4.1 课题来源及研究意义课题来源及研究意义 本课题来源于 2009 年高档数控机床与基础制造装备国家重大科技专项子课题精冲模具使用寿命影响因素研究。目前，国内精冲企业中，精冲模具的寿命普遍偏低，即使更换使用进口模具钢材，模具的使用次数也远远低于国外先进水平，因此针对精冲模具寿命的研究亟需进行。1.4.21.4.2 课题研究内容课题研究内容 在国内，针对精冲模具寿命的研究已有了一定的基础。邓明和厉红政等人通过 华 中 科 技 大 学 硕 士

43、 学 位 论 文 11 对精冲模具基本的失效类型和影响模具寿命的主要因素的分析，提出了实践中常用的提高精冲模具寿命的主要途径4,8。周雅等人以 ANSYS Workbench 有限元软件为基础，在精冲模具和精冲机结构的计算机辅助分析方面进行了深入的研究，分析精冲机床精度对精冲模具载荷分布状况的影响23。林方等人则通过对具体失效模具进行分析，总结分析出优化模具结构的措施，进而提高精冲模具的使用寿命24。本课题以棘爪精冲模具为试验模具，从模具材料和模具表面涂层两个方面出发，研究这两种要素对模具寿命的影响状况及机理，并以此为依据提出具体的改善措施和建议，也为后续模具寿命研究提供参考依据。具体研究内容

44、如下：(1)选择 SKD11、QHZ 和 S790 三种不同的模具材料，制作相同规格的压缩试验试样，通过压缩试验机比较测量材料的抗压性能。同时，通过金相试验和硬度测量，对比三种模具材料的优劣。(2)在棘爪模具的基础上，使用 SKD11、QHZ 和 S790 三种材料制作相同规格的冲孔凸模，进行实际冲裁比较，综合比较冲孔凸模的冲裁次数，测量比较凸模刃口的磨损量，分析比较模具材料对精冲模具寿命的影响。(3)分析比较 SKD11、QHZ 和 S790 三种冲孔凸模的失效形式和失效原因，运用有限元软件 Ansys Workbench 对棘爪模具进行静态结构分析，了解模具的应力分布状况，分析引起应力集中

45、的结构，提出改进意见。此外，使用有限元软件 Deform-3D对棘爪模具进行磨损分析，模拟模具刃口部分的磨损状况，并与实际冲裁的磨损状况进行对比，分析影响磨损量变化的原因。(4)采用多弧离子镀技术，在相同规格的 S790 基体上，沉积(1.62.5 um)TiN 和(1.22.2 um)TiAlN 涂层，使用 X-Ray Diffraction 分析不同厚度涂层内部组织变化情况，以及涂层和基体的残余应力变化，研究涂层厚度对涂层厚度、织构和残余应力的影响。(5)通过各项试验，研究分析涂层对试样表面质量的影响，如显微硬度、粗糙度、摩擦系数和残余应力等方面。使用粗糙度仪测量涂层前后试样表面的粗糙度，

46、同时使用摩擦磨损机测量涂层前后试样的表面摩擦系数。此外，测量比较涂层前后试样 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 表面残余应力的变化。(6)探索使用 ANSYS 仿真软件，对涂层试样进行热结构耦合分析，计算试样表面的热应力分布状况，并与实验结果进行比较，验证利用有限元模拟涂层热应力的合理性。同时，通过 ANSYS 的热结构分析，模拟 1.2 um 厚度的 TiAlN 涂层残余应力分布的分布状况。(7)以棘爪模具为基础，选用 XW-41 模具材料制作两件相同规格的凸凹模，一件进行 TiAlN 表面强化处理，另一件未作涂层处理。分别使用这两件凸凹模进行实际冲裁，记录比较模具的冲裁

47、次数，测量比较刃口的磨损量。同时，测量比较冲裁过程中，冲裁件的毛刺高度和断面粗糙度，分析表面涂层对冲裁件质量的影响。1.51.5 本章小结本章小结 本章简要介绍了精冲模具的失效形式，同时也概要地介绍了影响模具寿命的主要因素，以及提高精冲模具寿命的主要方法。此外，简单介绍了本课题的来源、意义以及主要研究内容。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2 2 精冲模具材料的影响精冲模具材料的影响 由于精冲模具在高温和高压下进行冲裁，因此精冲工艺对模具材料的要求较高。模具上各个工作件所处的位置不同，导致其作用及工作条件均不同，因而对材料的要求也有较大差异。模具材料的选择，直接影响模具的使

48、用寿命和机械加工性能，因此，研究模具材料对模具寿命的影响机理，具有重要意义。2.12.1 模具精冲模具材料的性能要求模具精冲模具材料的性能要求 常用的模具材料分两大类：耐磨钢高合金钢、高速钢和粉末冶金高速钢，硬质合金钢用碳化钨、碳化钛、碳化钽和钴等硬质材料压制而成16。由于精冲件结构形状不同，精冲材料材质不同，模具结构不同，模具的受力状况尽不相同。在冲裁过程中，精冲模具一般要承受摩擦力、挤压力和拉伸力共同作用。因此，精冲模具材料必须要具有良好的综合力学性能，以满足使用要求。精冲模具材料的主要力学性能包括：硬度、淬透性、耐磨性、回火稳定性、抗压强度、韧性和可加工性能。(1)硬度、耐磨性 硬度和耐

49、磨性是评价模具材料性能的重要指标。两种性能之间存在一定的关联，金属材料硬度越高，摩擦系数越小，耐磨性越高，相反，硬度较小的材料，摩擦系数越大，耐磨性较差15。模具材料的硬度与碳含量有一定的关系。一般情况下，模具材料碳含量越高，其淬火硬度越高，相应材料耐磨性更优异。但过高的碳含量却易造成马氏体脆性增大，导致材料整体韧性降低。(2)淬透性 淬透性是模具材料的固有属性，是选择模具材料的重要依据之一。淬透性是指模具材料在淬火时获得马氏体的能力。由于精冲模具工作时，要承受交变拉、压和弯曲力的作用，因此，要求模具工件整体组织的机械性能保持一致，即模具材料具有良好的淬透性。华 中 科 技 大 学 硕 士 学

50、 位 论 文 14 (3)回火稳定性 模具钢回火的目的是为了获得稳定的组织，减小或消除淬火应力，以获得强度、韧性和硬度适当、综合性能良好的马氏体组织。由于精冲模具是在高温和高压下进行冲裁的，工作时要承受交变拉、压和弯曲力，同时还要承受反复的摩擦磨损，因此要求精冲模具具有良好的硬度、强度、韧性和刚度，所以要求模具材料具有良好的回火稳定性。(4)抗压强度 在冲裁过程中，精冲凸模和凹模都要承受很大的压力，为保证模具不发生塑性变形，如弯曲、墩粗等，要求模具材料具有较高的抗压强度。对于结构简单，薄板零件，相应的模具元件承受的载荷较低，对模具材料的抗压能力要求较低。但对于结构复杂的厚板精冲件，精冲工作件在