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文/宁波辉旺铸模实业有限公司/曲道理
摘要：本文从模具材料、模具设计、模具制造到模具使用维护各个环节探讨了延长压铸模具寿命的问题，提出了建议。
关键词：压铸模具，延长寿命。
引言：
压铸模具寿命是考量模具质量的重要指标，同时也是影响压铸企业经济效益的重要因素。因此，提高压铸模具寿命，无论对于压铸模具使用企业的经济利益，还是减少资源浪费的社会效益，都是非常有利的。
对于压铸模具，特别是铝合金压铸模具，由于铝合金熔点较高，压射速度较快，压射压力大，模具寿命相对于注塑、低压铸造等模具要低很多，一般在四万至十几万模次。因此，如何延长压铸模具寿命更值得我们研究、探讨。
一、影响压铸模具的因素
从压铸模具的使用特性来看，模具损坏无法使用主要表现几点：一是模具老化，表面龟裂，影响外观，同时由于龟裂造成零件表面出模拉伤或铸件变形，造成模具无法使用；二是模具开裂，无法使用；三是模具故障频繁如滑块卡死，模具窜铝等造成模具无法使用，或勉强使用压铸效率极低。
而造成压铸模具损坏的主要原因是：压铸模具在使用中，一方面模具受铝液的高速冲击以及高压冲击，压射过程实际上是喷射过程，在压铸过程中一般内浇口速度达到30-70米/秒，而填充压力一般在400-900公斤/平方厘米，冲击的压力和速度都非常大；另一方面，铝液温度较高，压铸模具一直处于热涨冷缩的往复疲劳状态，模具型腔部分温度基本上一直在160度-350度来回变化，模具急冷急热，不停的热涨冷缩。因此，模具损坏主要的是受冲击、受压、涨缩，造成疲劳，或变形、或表面龟裂、或整体开裂，造成模具损坏。因此模具延寿应主要从减少冲击速度、压力，降低温度、减少涨缩以及提高抗疲劳强度、提高抗冲击等方面入手。
二、提高压铸模具寿命途径
提高压铸模具寿命途径很多，应该主要从四个方面入手：一是模具材料，二是模具设计，三是模具制造，四是模具使用和维护。
模具材料以及材料的热处理是影响模具寿命的主要因素，模具材料包括型腔材料和套板材料。
1.型腔材料
型腔材料以及热处理是影响模具寿命的主要直接因素，前面讲到模具损坏在型腔上主要表现为两种形式，一是开裂，二是表面龟裂。根据不同的铸件要求以及不同的压铸条件选择合适的模具钢，以及优化的热处理工艺，是延长模具寿命的重要途径。
在选择型腔材料时，我们应从三个方面进行考量，一是模具钢要具有抗裂纹扩展及延伸的能力，从而避免模具的整体开裂，欧洲，日本不同厂家现在生产的改良型H11及H13钢都把提高压铸用模具钢的韧性与延展性放在了首位。简单地讲，高的韧性与延展性能够提高钢的抗热疲劳性能从而提高模具寿命；二是材料的金相分析，显微组织结构决定了钢材的性能而不仅仅是合金元素，金相组织越细小冲击功越高。金相组织一方面取决于材料本身的特性，另一方面取决于热处理；三是材料内部质量，压铸模具型腔材料一般为锻造钢坯，内部容易存在微裂纹，及时发现和避免是十分关键的。为此，辉旺公司配置了冲击试验机、金相分析仪以及探伤机，进行材料的控制，对热处理的效果进行确认，确保模具质量，延长模具寿命。但是，目前国内大部分压铸模具制造企业，普遍缺乏检测设备，从而无法在前期做好模具材料以及热处理效果的控制，从而影响模具寿命，这一点应引起重视。
在模具型腔热处理方面，热处理工艺是影响模具寿命非常重要的因素，有两个问题非常关键，一是热处理工艺，特别是热处理时高温保持时间，根据零件的尺寸大小、形状等选择合适的工艺。而有的热处理厂家，为了节约成本，将多种特性不相同的零件放到一起进行热处理，或者为了节省费用，减少高温保持时间等等，都会影响模具寿命。如果材料热处理淬透性差，俗话说得没有淬透，会大大影响模具寿命，因此，淬火速率应当越快越好。二是淬火硬度选择，型腔热处理硬度，通常在HRC43-52度之间，在很多压铸模具制造企业，在选择模具硬度时普遍一致，大部分在HRC44-46。实际上模具型腔热处理硬度应根据铸件合金材料、铸件的特性、压铸工艺以及铸件质量特性等，综合考量进行选择材料以及热处理。材料在不同硬度下，其表现也不尽相同。型腔硬度偏高，模具越不容易粘模，但是容易出现开裂，而硬度偏低容易粘铝，但是模具不容易出现开裂；压铸锌合金或镁合金，模具型腔热处理硬度尽量偏高，可以延长模具寿命。因此，选择合适的材料以及热处理硬度，同样可以延长模具寿命，这也是我们应该深入研究的课题。
2.套板材料
套板材料包括滑道、压条材料等同样是影响模具寿命的因素。压铸是一个高压铸造过程，压铸比压一般在400-900公斤/平方厘米，作用在压铸型腔上的冲击压力是非常大的。而套板作为型腔的固定以及滑块滑动、锁紧等是非常重要的。如果选择不当，同样影响模具寿命。因此，必须根据不同的铸件要求以及不同的压铸条件以及型腔材料来选择合适的套板材料。目前，我们国家压铸模具套板以往大部分采用球墨铸铁或铸钢，最近几年才部分采用了S50C锻钢，并调质处理，从实际效果上，比以往有了较大改进。而国外有采用P20调质预应钢或4140淬火，尽管增加了模具成本，但是大大提高了套板的稳定性，延长了模具寿命，这值得我们借鉴。
（二）模具设计
压铸模具设计是影响压铸模具寿命的另一重要因素，模具设计的优劣，直接影响压铸模具寿命。因此，在压铸模具设计时必须根据铸件的特性，充分考量影响模具寿命的因素，合理地设计模具结构，要在前期对于影响模具寿命的铸件设计及时提出改进意见，或采取合理的措施予以解决。在模具设计时应该从如下几个方面加以关注。
1.模具强度是否足够；
模具强度是否足够是影响模具寿命的重要因素，对于这一点中国目前大部分企业，包括压铸企业在采购模具时，普遍特别关注模具价格，甚至认为，只要能压铸出合格产品就行，对于模具大小，模具强度是否足够没有引起足够重视。同时，很多压铸模具制造企业为了取得订单，往往把模具价格压低，而在模具制作时能省则省，以降低成本。模具强度如果不够不仅影响模具可靠性，也影响模具寿命。实际上从压铸生产的角度来看，这样的模具并不经济。压铸模具如果强度不够，刚性差，模具在不断的受冲击、受压的情况下，就会过早的开裂。并且由于封铝面太少，会造成模具窜铝，不及时清理又压踏模具，造成模具损坏。因此，在模具设计时必须充分考虑模具强度，确保模具寿命。
2.模具内浇口速度是否合适，应尽量偏低；
压铸模具内浇口的设计既是影响铸件质量的重要因素，同时又直接影响压铸模具寿命，因此在压铸模具设计时必须高度重视。压铸模具内浇口速度越快，对模具型腔的冲击越大，模具型腔的瞬间升温越大，模具越容易出现表面龟裂或开裂。压铸模具内浇口一般在30-70米/秒为宜，并且在确保产品质量的情况下，尽量偏低，这样，可以降低对模具的冲击，从而延长模具寿命。
3.模具滑块锁紧块强度是否足够；
由于压铸是高速、高压，压铸模具滑块受的冲击力非常大，压铸比压一般选择在400-900公斤/平方厘米，以滑块投影100×100mm,为例，作用力就有40吨-90吨之大，因此，目前很多压铸模具企业在设计模具时普遍为了节省材料，模具设计偏小，锁紧块不够大，强度不够，从而造成滑块锁不住。不但会影响铸件质量，同时，容易造成窜铝，造成滑块卡死，造成模具锁紧部分变形或开裂，从而损坏模具，影响模具寿命。因此在设计模具时必须确保模具滑块锁紧块强度足够，确保模具的可靠性，延长模具寿命。
4.模具型腔封铝面是否足够;
由于压铸是高温、高速、高压，压铸模具窜铝是时有发生的，究其原因，除了压铸参数选择不当，压射速度过快，压力太大，锁模力不够等以外，模具设计不合理，封铝面不够也是其中重要的原因。如果模具窜铝，一方面直接影响铸件的内部质量，另一方面，由于在压铸过程中，没有及时或难以清理，这样会把模具挤坏，造成模具分型面塌陷。更严重的在有滑块结构的模具中，如果窜铝窜到滑块间隙里，在合模时由于锁模力非常大，会把滑块或滑块座挤坏，甚至挤裂模架。这样的现象在压铸企业里经常发生。究其原因，主要是压铸企业或模具制造企业为了节省费用，把模具做的过小，封铝面不够大而造成的。有一个现象，值得我们反思，日本人是很节约的，但是，日本人做的压铸模具基本上比中国大部分厂家做的模具大，为什么？因为压铸模具如果仅仅考虑成本，而忽略了模具最关键的特性，即：可靠性、成品率、生产效率、寿命，将是得不偿失。这也是中国压铸模具与国外先进国家模具的差距所在。这个观念不仅仅是压铸模具制造企业需要改变，同样也是压铸模具使用企业应该扭转的。
因此，在设计模具时应高度关注封铝面特别是在滑块部位的封铝面，必须足够，以确保不窜铝，从而延长模具寿命。
模具冷却水设计在压铸模具的设计中是至关重要环节，在中国大部分压铸模具制造厂家，往往对于浇注系统非常重视。很多厂家在使用模流分析软件时，往往对于填充部分研究得很多,而对于模具温度场变化研究的不多。实际上在压铸生产中，模具冷却、模具温度场变化，对于生产效率、铸件质量以及模具寿命都是至关重要的。如果模具冷却(加温)系统设计合理，不但会提高压铸节拍，提高生产效率，提高铸件质量，同时也可以延长模具寿命。
压铸过程，是一个压铸模具急冷急热的过程，如果压铸模具冷却设计的不合理，不靠模具本身内部的冷却平稳的降温，靠喷涂的外冷急剧的从模具型腔表面降温，模具型腔的温度变化会加大，从而加大疲劳速度，既造成了涂料的浪费，降低了生产效率，又对模具的寿命也影响巨大，会大大降低模具寿命。因此，优化模具冷却（加温）设计是提高模具成品率、生产效率的关键，同时也是延长模具寿命的非常重要途径。
6.易损部位是否镶拼；
为了延长模具寿命，在模具设计时，我们应尽量对于易出现模具开裂、模具损坏的部位进行镶拼，一方面，便于维修，便于更换；另一方面，镶拼接缝可以阻隔开裂的延展。也避免了局部开裂延展到其他部位，从而延长模具寿命。
7.减少应力集中的尖角；
尖角处容易应力集中，因此，对于压铸件，转角处的尖角，无论从铸件的浇注过程，还是铸件质量，以及压铸模具寿命都是影响非常大的。因此，在前期与铸件设计人员探讨问题时，应非常关注铸件的转角，能大的尽量加大，这一点非常重要。
8.采用先进的技术；
为了延长模具寿命，包括中国在内的很多科技人员都在积极探索一些新的技术，如表面新的渗氮技术、镀钛，表面微细网格延寿技术等等。因此作为压铸模具的制造企业，作为压铸模具设计人员，积极探索新的技术，及时跟踪先进技术，适时采用新的技术提高模具寿命，也是提升压铸模具水平、提升企业技术水平的有效途径。辉旺公司在这方面进行了探索，应用了很多新的技术，取得了很好的效果。
（三）模具制造
模具制造工艺以及模具制造精度，同样是影响模具寿命的重要因素。因此，在模具制造中，我们必须对于影响模具寿命的各个环节高度关注，并加以研究、加以改进，这样才会提高我们的模具寿命，才能提高我们的模具制造水平。
压铸模具内应力是影响压铸模具的重要因素，在模具加工过程中，容易产生应力因此，我们在编制工艺路线，制定工艺规范以及在加工时编制加工程序时，必须尽量减少应力的产生，并及时地消除应力，以提高模具寿命。
同样，选择好的加工方法，提高模具制造精度同样可以延长模具寿命。例如，以加工顶杆孔为例，目前大多数压铸模具制造企业普遍还在采用快走丝加工。这样加工出来的孔光度不够，尺寸精度不够。一方面造成顶杆顶出困难容易卡死，另一方面容易进铝，顶杆孔挤坏。很多压铸模具就是因为顶杆孔损坏，从而影响了生产 ，严重的因顶杆孔损坏，有无法扩大，造成模具报废，严重影响模具寿命。而象辉旺公司等企业采用先进的慢走丝线切割加工顶杆孔，确保了尺寸精度，提高了内孔的光洁度，大大减少了顶杆卡死现象，既提高了模具的可靠性，同时延长了模具寿命。
加强质量管理，提高模具制造水平，减少模具补焊，也是提高模具寿命的重要保证。由于补焊材质的问题，补焊时产生的高温，以及产生的内应力问题等，对于模具寿命影响极大。压铸模具应该说，对于型腔补焊是非常不愿意发生的，如果发生也应尽量采用热焊，并在焊接后进行去应力回火，以提高模具寿命。
2.减少模具表面电脉冲的硬质层；（如采用机械直接加工）
放电加工是最常用的模具型腔加工手段。但是，放电加工后的模具型腔表面会形成白亮层及变质层使得模具表面处于引张应力状态。如果模具在其后的打磨抛光过程中无法将处于引张应力状态的表面打磨掉，模具投入生产后其早期龟裂或开裂的可能性极大。源自日本研究成果表明，放电加工后模具表面处于引张应力的范围可达700-1100MPa。并且，如果放电加工的电流较大时模具表面有大量的微裂纹。这也是导至模具投入生产后，早期龟裂或开裂产生的原因。
因此，在采用电脉冲加工作业时，必须高度关注加工参数，尽量减少放电电流，减少变质层的厚度，不能只顾为了提高效率，加大放电电流，从而影响模具寿命。
另外一个方面，国外有的先进的模具制造企业已开始用高速铣加工是采用超硬铣切刀具如CBN通过CNC程序在热处理后的模具材料上加工出精度要求的模具型腔。高速铣加工出的模具型腔不仅尺寸精度高，并且表面光洁度可以一步到位无须再进行打磨或抛光，可以直接使用。并且，模具的表面处于压缩应力状态（压缩应力可达300-500MPa）。能够有效的抑制早期龟裂的形成从而延长模具使用寿命。
为此，辉旺模具公司已在国内率先开展了这项工作，目前已有五台DMG五轴联动高速铣加工设备，为压铸模具延寿，提高模具技术水平，开辟新的途径。
3.模具贴配间隙合理，确保不窜铝，不卡涩；
压铸过程是一个高温、高速、高压的过程，压铸模具一旦贴配不好，极易造成窜铝、滑块卡涩等，从而造成模具损坏，影响模具寿命。因此，压铸模具的贴配实际上比注塑模具更难，更重要。由于铸件特性各异，特别是大型模具，在压铸生产时模具的温度场和在常温下未生产时变化很大，因此在贴配时，必须充分研究模具特性以及温度场的变化，相应地进行有针对性的贴配调整，使得模具贴配间隙合理。这样，才能确保在压铸生产时，不出现窜铝、滑块卡涩等现象，提高模具可靠性，延长模具寿命。
（四）模具使用和维护
压铸模具的使用与维护同样是影响压铸模具寿命的重要一环。正确地使用和维护压铸模具是压铸企业提高生产效率、提高产品质量以及提高经济效益的关键。压铸模具使用寿命延长对于压铸企业经济效益的提高，是非常重要的。因此，压铸企业必须高度关注压铸模具的使用和维护。
在模具使用中，往往因为各种原因模具会出现披封、铝皮，这时必须及时清理，否则继续生产会将模具挤坏。特别是滑块部位，如果滑道进入铝皮等，由于压铸机合模力非常大，会将滑块挤塌、挤坏。因此，遇到此类问题，必须及时清理模具，并查找原因对模具及时修理。否则，等模具损坏了才维修，就会严重影响模具寿命。
2.尽量减少模具的急冷急热，尽量连续生产，在冷模状态下，严禁高速压射；
压铸过程中压铸模具一直处于热涨冷缩的往复疲劳状态，模具型腔部分温度基本上一直在160度-350度来回变化，模具急冷急热，不停的热涨冷缩，从而造成模具疲劳损坏。而在冷模状态下开始生产时，模具温度由低温开始上升，温差加大，模具膨涨收缩加大，对于模具疲劳相应加大，会加快模具损坏，缩短模具寿命。因此，在压铸生产时应尽量连续生产，尽量减少模具的急冷急热，从而延长模具寿命。
另外，在冷模状态下，模具没有达到正常生产时的温度，模具各部间隙相对较大，在这种情况下，严禁开启高速压射和增压。否则，模具各间隙部位，包括滑块、顶杆孔等部位容易窜入铝皮，从而损坏模具，影响模具寿命。
3.尽量降低压射速度，尽量降低比压，减少模具冲击；
压铸生产时，压射速度的高低不仅影响压铸的填充速度、压射内浇口速度，同时压射速度高，冲击峰值也会加大。因此，压射速度高，压射内浇口速度快，对模具冲刷会加剧，冲击峰值加大，模具承受的冲击力也会加大，模具寿命会大大减少。因此，我们在调整压铸工艺时，在确保产品质量的情况下，尽量降低压射速度，对于提高模具寿命，提高压铸企业的经济效益非常重要。目前，先进的压铸机配置有压射刹车装置，对于减少冲击峰值，减少模具承受的冲击力，提高模具寿命非常有益。
压铸工艺中的压射比压同样是一个重要参数，压射比压根据铸件质量要求以及特性一般在400-900公斤/平方厘米。超过900公斤/平方厘米，对于铸件内部质量一般作用不大。而压射比压过高，不仅仅使模具承受的涨型力加大，甚至会使涨型力超过机床锁模力，造成窜铝。同时，如果模具承受的涨型力大，同样会损坏模具或使模具寿命缩短。因此，在压铸生产时，我们除了关注压射速度外，更应关注压射比压，由于压射比压不像压射速度容易观察，往往被忽略。实际上压射比压是压铸工艺中重要的一个参数，不仅仅影响铸件质量，对模具寿命同样影响巨大。这一点尤其应该引起压铸企业的关注。
4.尽量降低铝液浇注温度，提高模具使用寿命；
压铸生产时的铝液浇注温度，不仅影响铸件质量，也影响压铸模具的使用寿命。一般压铸时，铝液浇注温度在630度-720度，对于不同的零件，我们在选择浇注温度时，应尽量选择低一些，这样既节约了能源，同时也可以延长压铸模具的使用寿命。因为铝液温度越高，对模具的冲蚀越大，模具温度场变化的范围越大，热胀冷缩的越大，模具疲劳越大，越容易损坏。因此，适当降低铝液浇注温度，有益于延长压铸模具使用寿命。
5.加强模具的维护，定期保养，定期对模具型腔进行回火去应力处理；
压铸模具一直在高压、高速、高温下连续生产，使用条件比较恶劣。在使用过程中模具会产生损坏或故障隐患等。因此，加强模具的维护，定期对模具进行保养，更换损坏部位，更换易损件，清理滑道、顶杆孔等，是非常重要的，是确保模具在压铸生产时的可靠性，同样也可以延长模具的使用寿命。
同时，由于压铸模具在使用中不断受到冲击、不断热胀冷缩，会产生新的内应力，如果不及时消除，模具容易表面龟裂或开裂。因此，定期对模具型腔进行去应力回火，消除应力，也是延长模具寿命的重要手段。一般情况下，模具在投入使用后，应该在3000-5000模次后进行首次回火。在以后根据使用情况，一般每生产1万模具左右，需对模具型腔进行去应力回火，这样可以大大延长模具使用寿命。这一点对压铸企业减少模具投入费用，提高经济效益非常重要。
三、结论
压铸模具是压铸企业的最重要的生产工具，是影响企业产品质量、生产效益的关键。而压铸模具的可靠性、成品率、生产效率以及模具寿命是考量模具优劣的关键要素。提高模具水平，延长模具寿命也是提高压铸企业经济效益的重要途径。延长模具寿命是一个系统工程，必须从模具材料的选择、模具设计、模具制造、模具使用等各个环节抓起，缺一不可。相信，只要我们共同努力，我们的压铸模具技术水平一定会提高，我们的压铸模具寿命一定会越来越长。
