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2019家電模具高峰論壇征文

隨著汽車輕量化要求的提出，高強(qiáng)度鋼板在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。到目前為止，汽車縱梁幾乎100%采用高強(qiáng)度鋼板。高強(qiáng)度鋼板在汽車縱梁上的應(yīng)用，不僅滿足了汽車輕量化的要求，而且進(jìn)一步優(yōu)化了整車結(jié)構(gòu)。

然而，高強(qiáng)度鋼板汽車縱梁上的拉毛問題一直困擾著模具工藝設(shè)計(jì)人員和汽車研發(fā)人員。拉毛的產(chǎn)生將會(huì)影響沖壓件的表面質(zhì)量、使用性能以及模具的使用壽命等。

高強(qiáng)度鋼板汽車縱梁產(chǎn)生拉毛，既與汽車縱梁使用的高強(qiáng)度鋼板材料有關(guān)，又與汽車縱梁的結(jié)構(gòu)、拉深深度有關(guān)；既與模具表面硬度、耐磨性有關(guān)，又與模具表面強(qiáng)化處理有關(guān)。

在汽車行業(yè)中，目前汽車縱梁普遍使用的材料為B340/590DP、B340LA、HC340/590DP，料厚1.5～2mm。高強(qiáng)度鋼板汽車縱梁結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，型面之間落差大，拉深深度深，在實(shí)際生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生拉毛。此外，汽車縱梁的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，成形性差，也容易產(chǎn)生拉毛。圖1所示為汽車縱梁結(jié)構(gòu)。

圖1 汽車縱梁結(jié)構(gòu)

由于汽車縱梁采用高強(qiáng)度鋼板，且料厚比較厚，在翻邊模具中，上模翻邊鑲塊宜采用高合金鋼Cr12MoV，但在實(shí)際中卻采用空冷鋼7CrSiMnMoV（相對(duì)便宜，成本較低），導(dǎo)致汽車縱梁在沖壓翻邊過程中容易出現(xiàn)拉毛。

圖2 翻邊模具結(jié)構(gòu)

圖3 翻邊件拉毛實(shí)物圖

圖2所示為翻邊模具結(jié)構(gòu)，圖3所示為翻邊件拉毛實(shí)物圖。

圖4 汽車縱梁拉毛實(shí)物

在拉深模具中，如果對(duì)凸凹模鑲塊的熱處理沒有明確要求，或硬度偏低，也將導(dǎo)致汽車縱梁在拉深過程中容易出現(xiàn)拉毛，如圖4所示。

如果模具鑲塊表面產(chǎn)生氧化脫碳，將造成模具淬火后硬度不足。當(dāng)表面硬度低于500HV時(shí)，模具鑲塊表面就會(huì)出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。

造成氧化脫碳的主要原因如下：

模具鑲塊在進(jìn)行滲碳熱處理時(shí)，未及時(shí)通入保護(hù)氣體，導(dǎo)致模具鑲塊表面硬度不足；滲氮后一段時(shí)間保持爐冷，但未繼續(xù)通入氨氣，也將導(dǎo)致氧化脫碳。

碳氮共滲、滲氮等化學(xué)熱處理后，除直接淬火外，一般應(yīng)在冷卻桶（或冷卻槽）內(nèi)通入保護(hù)氣體的條件下冷卻，以防止工件冷卻過程中氧化脫碳，但實(shí)際過程中未通保護(hù)氣體。

出現(xiàn)氧化脫碳時(shí)未采取有效措施，如未采用鹽浴爐、保護(hù)氣體爐或真空爐加熱。采用空氣爐或燃燒爐加熱時(shí)，未采取適當(dāng)保護(hù)措施如涂防氧化涂料、包套、裝箱、防止?fàn)t氣還原等。

在高強(qiáng)度鋼板汽車縱梁的生產(chǎn)過程中，由于汽車縱梁拉深深度深，往往生產(chǎn)10min后模具與制件將摩擦發(fā)熱，導(dǎo)致模具表面抗粘附性降低，進(jìn)而使模具、制件出現(xiàn)拉毛。模具表面的抗磨損性也是模具、制件是否出現(xiàn)拉毛的關(guān)鍵因素。

模具鑲塊壁厚不均勻，結(jié)構(gòu)不合理。如模具形狀復(fù)雜，壁厚不均勻，工藝孔位置不當(dāng)?shù)取?/p>

模具鑄造過程中，因模具材料化學(xué)成分比例不合理而產(chǎn)生砂眼，將有可能導(dǎo)致制件拉傷、拉毛，并最終導(dǎo)致模具出現(xiàn)拉毛。

模具、板料臟，有雜質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，模具、板料上有雜質(zhì)，特別是廢鐵屑或者模具焊接過程中產(chǎn)生的焊渣、打磨過程中產(chǎn)生的粉塵等，都有可能導(dǎo)致模具被拉傷。一旦模具被拉傷，如維護(hù)不及時(shí)，則拉毛更加嚴(yán)重。

汽車縱梁沖壓生產(chǎn)過程中潤滑不良。如拉深過程中凸、凹模之間的間隙較緊，這時(shí)一旦潤滑不良，就容易導(dǎo)致模具和制件拉傷、拉毛。

毛坯尺寸過大。在模具調(diào)試初期，如毛坯尺寸過大，同時(shí)壓邊圈壓料筋過大，將有可能導(dǎo)致制件拉毛，甚至拉裂。

經(jīng)分析，對(duì)形狀特別復(fù)雜、拉深深度特別深的汽車縱梁，可選擇合理的沖壓結(jié)構(gòu)以避免過深的拉深，而通過選擇合理的沖壓工藝可以降低拉深深度。例如，圖1所示汽車縱梁可采取如下沖壓工藝：OP10DR(拉深)，OP20TR(修邊)，OP30RST(翻邊整形)，OP40CTR+PI（側(cè)修邊沖孔）。

在滿足汽車縱梁強(qiáng)度要求的前提下，可在汽車縱梁上增設(shè)加強(qiáng)筋或在汽車縱梁內(nèi)增加縱梁內(nèi)板等措施，降低高強(qiáng)度鋼板的厚度，避免拉毛。

高強(qiáng)度鋼板汽車縱梁采用大中型模具，拉深深度深、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，一般情況下產(chǎn)生拉毛的位置發(fā)生在凹模上。要保證模具不出現(xiàn)拉毛或把拉毛降到最低限度，一般選擇高合金材料作為模具材料，如上模鑲塊（凹模）、壓邊圈鑲塊、翻邊鑲塊宜采用Cr12MoV材料；還可采用MoCr、7CrSiMnMoV、HT300材料等的鑄造結(jié)構(gòu)，但鑄造要進(jìn)行熱處理。

采用高合金鋼作為壓邊圈鑲塊，熱處理方便，硬度高，耐磨性好，不容易產(chǎn)生拉毛，但是成本高；采用鑄造結(jié)構(gòu)作為壓邊圈鑲塊，硬度低，耐磨性差，成本相對(duì)較低，但是容易產(chǎn)生拉毛，故鑄造后還必須進(jìn)行熱處理。

作為模具生產(chǎn)廠家和整車生產(chǎn)工藝部門，應(yīng)該對(duì)熱處理工藝提出明確要求，以實(shí)現(xiàn)全過程有效控制。因此選擇的熱處理工藝既要達(dá)到提高模具表面硬度和耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度的目的，又要滿足生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期等要求。

高強(qiáng)度鋼板汽車縱梁拉毛現(xiàn)象比較嚴(yán)重，其熱處理方式的選擇原則一般如下：

針對(duì)不同的硬度和耐磨性要求，需要根據(jù)不同的模具材料選擇相應(yīng)的熱處理方式。

目前高強(qiáng)度鋼板基本上使用Cr12MoV材料，對(duì)于上模鑲塊（凹模）要求硬度為65～67HRC的，應(yīng)選擇滲氮或滲磞熱處理方式。

高合金鋼含合金元素較多，導(dǎo)熱性差，奧氏體化溫度高，應(yīng)緩慢加熱，宜采用多次預(yù)熱或者階梯式升溫。

應(yīng)重視加熱介質(zhì)，并最好采用油冷方式進(jìn)行冷卻。

在達(dá)到淬火目的的前提下，應(yīng)采取較緩慢的冷卻速度。

鹽浴后應(yīng)及時(shí)清理殘鹽及水分，要注意防銹；酸洗要防氫脆（金屬材料中由于含有氫或在含氫的環(huán)境中工作，其塑性和韌度下降的現(xiàn)象），并及時(shí)驅(qū)除氫氣。

模具使用一段時(shí)間后，應(yīng)進(jìn)行一次去應(yīng)力處理。

熱處理后需要線切割或電火花加工的模具，要求模具淬透性好，淬硬性深，并要求熱處理后殘留應(yīng)力盡量小。

工件硬度不足多由滲碳不足、淬火時(shí)脫碳、淬火溫度過低、淬火冷卻速度不足、表面殘余奧氏體量過多、回火過度、工件表面不清潔、滲碳不均勻或冷卻不均勻等因素造成。熱處理工藝不當(dāng)，將導(dǎo)致模具表面的整體或局部硬度達(dá)不到模具設(shè)計(jì)規(guī)定的硬度要求。參照新的標(biāo)準(zhǔn)要求，一般選用模具鑲塊材料為Cr12MoV，熱處理后硬度要求達(dá)到65～67HRC。

當(dāng)硬度不能達(dá)到要求的時(shí)候，可采取如下措施：

● 加熱充分，爐溫均勻。

● 工件出爐后至淬火前預(yù)冷時(shí)間不宜過長。

● 冷卻介質(zhì)恰當(dāng)，冷卻溫度合理。

● 工件表面不允許有氧化皮或附著鹽液。

● 淬火后從淬火介質(zhì)中取出工件時(shí)溫度控制合理。

為徹底消除模具拉毛，還要求對(duì)模具表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，如鍍鉻、TD處理、PVD處理等。在熱處理過程中，不能過于追求模具的硬度，還應(yīng)同時(shí)關(guān)注模具的淬透性、鍍膜的厚度、模具的韌性等要求，在硬度、耐磨性、韌性等方面力求平衡。

為保證模具硬度，必須對(duì)模具進(jìn)行氧化脫碳處理。防止氧化脫碳的有效措施是通過鹽浴爐、真空爐等加熱，并采取適當(dāng)措施如涂保護(hù)涂料、包套、裝箱、控制爐氣還原等，全面消除氧化脫碳；同時(shí)還依賴于熱處理過程中熱處理工藝人員和操作者的經(jīng)驗(yàn)水平。

模具在生產(chǎn)過程中凸、凹模與制件之間始終存在摩擦，無法避免拉深過程中模具鑲塊表面發(fā)熱，最終使模具粘附性增大，形成嚴(yán)重的拉毛。因此，要提高模具表面的抗磨損性和抗粘附性。

實(shí)踐證明，單純依靠熱處理提高模具表面硬度和耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度等，汽車縱梁仍可能會(huì)發(fā)生拉毛、拉傷現(xiàn)象，為此往往要對(duì)模具進(jìn)行鍍鉻、TD處理、PVD處理等表面強(qiáng)化處理。

確保模具鑲塊壁厚均勻，工藝孔布置恰當(dāng)。對(duì)于形狀復(fù)雜的模具，模具設(shè)計(jì)過程中要使壁厚盡量均勻；對(duì)壁厚大的，要求布置數(shù)量適當(dāng)?shù)墓に嚳祝粚?duì)薄壁或尖角部位，要求布置圓角過渡。

嚴(yán)格控制模具鑄造過程中的化學(xué)成分比率，避免模具有砂眼。特別是對(duì)于采用MoCr鑄鐵或HT300鑄鐵的凸模和壓邊圈，要求嚴(yán)格控制其化學(xué)成分比率，對(duì)化學(xué)成分不合格的要求重鑄。發(fā)現(xiàn)砂眼時(shí)，應(yīng)及時(shí)予以補(bǔ)焊并進(jìn)行局部熱處理。

確保模具、板料干凈，沒有雜質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)前必須對(duì)模具進(jìn)行清潔保養(yǎng)，確保模具、板料上沒有雜質(zhì)，如模具焊接過程中無焊渣、打磨過程中無粉塵等。

確保汽車縱梁沖壓生產(chǎn)過程中潤滑良好。要使模具上、下模之間的間隙合理，上、下模之間不過松、過緊，且潤滑良好。

避免毛坯尺寸過大。通過提高CAE分析水平，避免毛坯尺寸過大導(dǎo)致模具、制件拉毛；對(duì)于拉深模壓邊圈上的壓料筋，要合理布置，避免壓料筋過大導(dǎo)致拉毛。

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