汽车模具研究现状与应用.doc

汽车模具研究现状与应用摘要：随着我国汽车工业的发展，汽车用模具的制造水平也得到了日新月异的提高。在汽车生产中，几乎所有的模具类型都已被涉猎，如冷冲模、热锻模、压铸模和铸塑模等，因此汽车制造对模具的需求量特别大。所以，汽车质量的改善、生产效率的提高、成本的降低，以及产品更新换代的速度，在很大程度上取决于模具的制造精度和质量、制造周期、生产成本及使用寿命等因素。因此有人说，模具是汽车工业发展的基础，它是汽车制造业走向成熟的标志。关键词：汽车模具 热处理 激光硬化 氮气弹簧Abstract：Along with the car industry developing in our country ,the making level of car mould is improved by changing with each passing day. With car producing, most of mould types are dabbled in now society, such as cold-die, hot- calcination, pressing-mould , statuing-mould and so on .so the demanding of mould is very great for car producing .Improving car quality ,production efficiency , reducing cost and the speed of updating production determine mould more factors at prodigiouss pitch, for example making precision. quality, periods and production cost using life-span. So someone say that mould is the basic of development with car industry .Also, mould is the sign of car making industry which becomes more and more mature.Key words：car-mould heat treatment laser induration nitrogen spring 在当今经济全球化的发展背景下，模具材料得到蓬勃发展。一项技术的开发很快被应用于世界各地是很平常的现象。随着汽车技术的提升必然要求提高汽车用模具的制造水平，在今后，汽车用模具材料的开发和先进热处理技术和激光相变硬化技术以及氮气弹簧应用技术也将得到很大发展。1热处理技术为使制造的模具达到高质量，应立足高起点，选用先进真空热处理设备，选择优质材料，吸收应用先进工艺技术，对不同类型Cr12MoV钢进行对比，为确保模具的高品质和高寿命提供了保证。1.1 生产工艺优化Cr12MoV钢是最常用的冷模具钢之一，具有高淬透性和淬硬性，在热处理硬度等达到要求的前题下，尺寸变形要尽可能的减少。我们采用真空热处理炉，优化热处理工艺，对不同的Cr12MoV钢进行试生产。由于模块几何形状复杂，截面变化大，我们在保证硬度的前提选择淬火温度的下限值。具体工艺规范如表1.1所示。表1.1真空热处理工艺真空加热分压：2030Pa；升温速度：8100C/min；冷却气压：8.5bar；回火：采用常规热处理电加热炉；保温时间：6h。加热时间按以下各式计算：一次预热时间：圆棒 40min/25mm=A；正方 A1.2；长方A1.4。二次预热时间：圆棒 30min/25mm=B；正方 B1.2；长方B1.4。淬火加热时间：圆棒 25min/25mm=C；正方C1.2；长方C1.4。回火保温时间：1h/25mm （23次）。1.2 结果分析热处理后结果如表1.2所示，从中可以看出，进口钢种经过三次495回火硬度明显提高，残余应力可以得到进一步消除，有利于后续加工（磨削或线切割）的质量保证。 表1.2 回火硬度的变化情况 从两者比较可以看出，KD11S,钢由于加入较多硫元素，虽然切削加工性能有所改善，但是与SKD11钢相比，其淬火硬化性能和二次硬化有些不足。综合比较后我们认为，后者作为汽车剪切模使用性能更为优异。我们同时也应用国产Cr12MoV钢，同样采用1020淬火，二次硬化不明显。为了保证得到设计所要求的5862HRC的高硬度，必须用220250低温度回火。由于温度较低，淬火应力去除不足，将在后期磨削或线切割过程发生开裂等质量问题。另外，即使加工过程中采取措施，在使用中，由于热处理应力、加工应力和工作应力的叠加，可能出现早期失效而严重地影响模具的寿命。1.3 应用效果由于采用热处理技术手段方法得当，如图1和图2所示的复杂件热处理后的变形量可以控制在0.25mm的范围内。为了较好地消处不利的影响，将经过真空热处理的模块加工后再进行200去应力处理以稳定尺寸。对比表明，采用真空淬火495三次回火的模具质量稳定可靠，使用反映效果好。 图1.1 典型模具嵌块 图1.2 真空热处理后的汽车嵌块模具2. 激光相变硬化技术随着激光加工设备性能的提高和激光加工工艺研究的不断深入，激光表面强化技术以其变形小、节能高效、适用面广等特点，在实际生产中得到越来越广泛的应用。2作为高能束表面强化的主要技术之一，它能解决众多传统表面处理技术方法难以解决的技术难题。应用激光相变技术对大型汽车覆盖件模具表面进行强化处理，能有效提高模具的表面硬度，提高生产率和延长模具寿命，提高产品质量，是激光表面强化技术应用的又一新领域。在模具（特别是汽车覆盖件模具）的使用过程中，其表面状态直接影响到产品质量和模具使用寿命，特别是在模具的重复使用过程中，模具表面承受着各种形式的复杂应力，包括摩擦、挤压等，加上服役恶劣的条件，从而降低了模具的使用质量和寿命。很多研究表明，导致模具的失效和疲劳损伤大都发生在模具表面或从表面开始。因此，为了提高模具的使用寿命，对模具工作面提出了越来越高的要求。一方面，要从优化模具的结构设计，改善模具表面在工作时的受力状况；另一方面，可以应用新的技术工艺，提高模具表面的性能以及提高模具的使用寿命和使用质量。传统的表面处理方法已经无法满足模具的高性能要求，开展高密度能量表面强化技术，特别是激光表面强化处理技术，对于制造业特别是汽车制造业有深远的意义。2.1工艺试验过程试验材料选用汽车模具制造常用的两种材料：CrMo铸铁、Cr12材料（热轧退火）。CrMo铸铁材料原始硬度为23HRC；Cr12 材料原始硬度约为20HRC其成分分别如表2.1、表2.2所示。在DLHLT5000型高功率横流C激光加工系统上，使用矩形宽带光斑对试件进行激光扫描强化处理，试验采用正交试验法中的（）选优方案，以激光功率P、扫描速度V、光斑直径D（B）三个因素，各取三个水平，数值见表2.1、表2.2。 表2.1 CrMo铸铁成分 % CCrMo0.120.180.801.100.400.55 表2.2 Cr12成分 CSiMnCr2.02.30.400.4011.513.0表2.3 CrMo铸铁正交试验因素水平表表2.4 Cr12正交试验因素水平表按如表2.3 表2.4中的参数进行试验，在不产生表面熔化的前提下，使强化表面得到较高的硬度和硬层深度为标准，确定每种材料较佳的工艺参数。通过对各种工艺参数下的试验结果进行比较和测试，得到两种材料较佳的工艺参数为：CrMo铸铁：P=3KW，V=900mm/min,光斑尺寸B=2mm17mm，离焦量160mm,Cr12：P=3KW,V=1m/min，光斑尺寸B=2.5mm17mm，离焦量165mm。2.2 试验结果及分析2.2.1两条淬火道的横向硬度分布在对表面进行激光强化处理时，采取在每条扫描带之间以一定的搭接量进行搭接以使整个表面得到处理。扫描硬化带的截面示意如图2.1，由于使用搭接，第二条扫描带会对其前面的扫描带在搭接处产生回火而形成一条回火带，因而会造成搭接带硬度的下降。图2.2是CrMo铸铁和Cr12两条淬火道的横向硬度分布图。图2.1和2.2表明，由于搭接的影响，在两扫描带间存在一个搭接区。在宽带扫描方式下，回火区宽度约1.5mm，正是两道搭接的宽度。 图2.1 扫描硬化带截面示意图图2.2 CrMo铸铁.Cr12两条扫描带横向硬度分布曲线2.2.2单条淬火道深度方向的硬度分布图2.3是CrMo铸铁和Cr12单条淬火道深度方向的硬度分布图。CrMo铸铁经激光相变处理后，由于表面温度高，会产生炭化形成表面的炭化层。硬化层的硬度沿深度方向在0.15mm处的硬度达到最大值，最高硬度可达到740HV。在沿深度方向约0.6mm处，硬度仍可以达到600HV左右。Cr12经激光相变处理后，硬化层的硬度沿深度方向分布与CrMo铸铁的规律基本相似。在硬化层与基体之间存在热影响区，如图中曲线突变部分，热影响区是淬硬层与基体的过渡区。图2.3 CrMo铸铁.Cr12两条扫描带沿深度方向的硬度分布2.2.3相邻两条淬火道搭接部位深度方向的硬度分布图2.4分别是 CrMo铸铁在P=3KW，V=900mm/min，光斑尺寸B=2mm17mm，搭接率10%，V=1m/min，光斑尺寸B=2mm17mm，搭接率18%的工艺参数下，相邻两道搭接部位深度方向的硬度分布曲线。试验结果表明，由于搭接扫描，第二条扫描带会在搭接处对第一条扫描带产生回火影响，因而硬度有所降低。而硬化深度要比正常扫描部位小是由于激光光束能量分布的影响，在光斑边缘处能量密度要比光斑中心处低，所以相邻两道搭接处硬化深度较浅。 图2.4 CrMo铸铁.Cr12两道搭接处深度方向的硬度分布曲线2.3应用举例使用激光表面强化技术对数十套汽车大型模具进行了处理，涉及卡车、微型面包车、小型轿车的内、外板拉深模、整形翻边模，经生产厂实际生产使用，达到满意效果。图2.5是某微型车前隔板拉深模经激光表面处理后的情况。该模具材料为CrMo铸铁，处理前模具经火焰处理，表面硬度约为4046HRC。由于拉深模具工作型面表面硬度不够，其工作型面表面易烧结，导致冲压件被拉伤。生产过程中需花费大量的时间对模具工作型面进行推磨抛光，在线维修率达10%，经激光处理后，模具表面硬度基本可提高到5565HRC，处理后硬化层有效深度为0.50.7mm。经生产了40批共计110000件冲压件，零件拉伤问题得到有效控制；同时因零件拉伤造成的模具维护时间显著降低，生产完成后只是需要进行简单维护保养便可；模具在线维修率也节节下降，基本控制在4%以下。模具工作型面同一部位经处理后，经久耐用；同时可大幅度降低各类拉深油用量，提升现场环境。图2.6为模具经激光表面处理后对拉深零件表面质量改善情况的对比。图2.5 处理过的部位（圆中圈内）很光亮（生产10000件后）图2.6 模具处理后对零件拉伤的改善3. 氮气弹簧应用技术3.1 目前氮气弹簧的发展及分析由于氮气弹簧(Gas Spring)又称氮气缸(Ni-trogen Cylinder)是一种新兴具有弹性功能的部件,因此对于氮气弹簧目前还没有确切的定义.在此简要介绍它的基本含义:氮气弹簧是将高压氮气密封在确定的容器内,外力通过柱杆将氮气压缩,来获得一定的弹压力,这种部件称为氮气弹簧弹压装置。34 目前广泛使用的常规弹性元件通常是弹簧1、橡皮和气垫,这些弹性元件存在着一定的缺点,不能满足这种形势的需要,不能满足冲压工艺的要求,往往影响冲压质量,使模具结构设计变得比较复杂,影响了模具在压力机上的更换时间同时常规弹性元件占有的空间太大,增大了模具制造成本.因此国内外的科学技术人员开发一种新型的弹性元件氮气弹簧.在氮气弹簧的研制和开发方面,德国和美国走在了世界的前列.德国的STABILUS公司和美国的DADCO公司研制的氮气弹簧已经广泛应用到许多工业领域.而我国对氮气弹簧的应用及研究处于刚刚起步阶段.沈阳工业大学专用数控开发中心和沈阳金杯汽车公司共同研究了氮气弹簧在汽车冲压模具中的应用.相信随着汽车工业的发展,氮气弹簧会有更加广阔的发展前景。3.2 氮气弹簧在汽车冲压模具中的应用作为具有弹性功能的氮气弹簧的优点可以归纳为以下几个方面:1氮气弹簧可以在较小的空间中产生较大的初始弹压力,而且不需要预紧,冲压模具一开始与氮气弹簧接触就具有弹压力.一个氮气弹簧可以代替多个普通弹簧,对于工作行程相同的汽车冲压模具,采用氮气弹簧的模具高度要比采用普通模具高度小得多。图3.1 氮气弹簧外形图2氮气弹簧的弹压力在整个模具冲压行程中可以保持基本恒定.而普通弹簧由虎克定律决定：F=kx 式中：F弹簧的弹压力; k弹力系数; x弹簧的行程。由式可知,普通弹簧的弹压力与弹簧的压缩行程成正比,因此弹压力始终在变化,致使冲压件在冲压过程中会出现材料的堆积或者裂缝,而且冲压件的质量也不稳定.而氮气弹簧的弹压力恒定,可以大大地提高汽车冲压件质量,缩短在压力机上更换模具时间,提高了劳动生产率。3氮气弹簧可以根据不同的冲压要求,随时调节,其弹压力的大小、受力点的位置并且调节准确方便.4氮气弹簧使用寿命长、安全、可靠,与普通弹簧相比较只要氮气弹簧安装正确,在理论上寿命是无限的,而一般的普通弹簧自身存在着突变失效问题,寿命不会很长.5氮气弹簧的安装和维修简单方便.普通弹簧需要外加特定的保持部件和很多的预载零部件.而氮气弹簧根本不需要保持部件和预载,只是氮气气压不足时需要补充氮气.尽管氮气弹簧有以上明显的应用优势,但是它的制造成本高,增加了企