多工位级进模磨损分析及寿命预测

多工位级进模现已成为实现大生产、高效率、低成本的最佳选择，被称为现代高精密、高效率、长寿命的“三高”模具。模具磨损作为冲压模具中最常见的故障，不仅影响着模具的寿命，同时还会影响冲压件的形状、尺寸和表面质量。由于冲压成形时模具承受很大的高频载荷，使模具的磨损情况更为严重，进而给模具的设计和应用带来一系列问题，因此，对模具磨损行为的研究具有非常重要的意义。自1953 年起，Archard 理论被国内外许多学者广泛应用于模具磨损分析中。由于冲裁刃口寿命相对模具其他部位更低，需要通过反复刃磨和更换零部件。

1 模具磨损机理及有限元模型的建立 

1.1 模具磨损机理理解模具工作时的磨损机理对预测模具磨损具有非常重要的意义。模具磨损后，不能通过修复而继续服役即认定该模具已失效。在模具失效中，磨损失效占70%左右。模具磨损失效是由多种因素影响的复杂过程，按其磨损的机理可以分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等类型。模具在冲裁过程中，随着凸模的运动，与板坯之间存在着很大的压力和强烈的摩擦，由于摩擦副之间产生相对运动，使模具材料的颗粒被工件带去，从而造成磨损。磨损后模具的尺寸及表面质量发生变化，导致不能继续服役而失效。

1.2 Archard 磨损理论

1953年美国的 ARCHARD J F提出了简单的磨损计算公式——Archard 磨损公式，见式(1)。

为便于其在 Deform 软件中进行有限元分析，将Archard 磨损模型公式积分变形为式(4)

1.3 多工位级进模磨损分析有限元模型的建立

模具于产西班牙大众汽某零件（见图 1），该零件由度为 2 mm 的 DX52D+Z140 镀锌板制成，包括冲孔、修边、翻边、整形、弯曲、成形等 18 个工位（见图2）。材料的屈服强度为 140~300 MPa，抗拉强度为270~420 MPa，泊松比为 0.3，弹性模量为 210 GPa[9]。

由于冲裁过程中凸模所受的侧压力要远远大于凹模，致使凸模侧壁和端面最容易发生磨损，因此选取凸模为研究对象，利用 Deform 软件对冲裁过程中凸模的模具磨损进行分析。将模具模型中所有冲裁工序分出，得到的有限元模型见图 3。

在有限元分析时，设置分析所需的参数如下：①模具材料为 Cr12MoV，凸模模具硬度设为 HRC60；② 对于冲裁工序而言，由于板料的变形主要集中在凸模、凹模刃口附近，在通过网格删除的方法模拟板料的破坏过程中，为了减少计算误差，同时减小网格规模，在变形比较大的冲裁区域进行局部网格细化分；③ 凸模行程设为 25 mm，冲压速度为 10 mm/s[10]，模具与板料间的摩擦因数为 0.15。

2 模拟结果的分析与讨论 

2.1 模具磨损分析冲裁工序磨损模拟所得结果见图 4，可知，模具磨损区域主要集中在模具的圆角处。这是因为圆角处流入的坯料较多，模具与板料接触区域比其他部位更大，使其磨损量达到最大，成为模具磨损失效的主要区域。随着冲裁工序的进行，模具不断与板坯接触摩擦，使磨损量不断增加；模具的相对滑移速度会由于板坯的阻碍不断减小；凸模与板坯的接触面不断增大，使凸模的接触压力不断增大。模拟所得的冲裁工序 1—6 的凸模单次冲裁最大磨损量分别为 2.71×10–7, 4.30×10–7, 2.87×10–7,1.76×10–7, 4.24×10–7, 1.52×10–7 mm，磨损量在第 2 冲裁工序处最大，单次冲裁最大磨损量为 4.30×10-7 mm。

2.2 不同冲压工艺参数对磨损量的影响模具磨损受到模具间隙、冲压速度、模具硬度、摩擦因数等因素的影响，为了得到减小磨损的最佳冲压工艺参数，选取此四者作为试验因素，每个因素取4 个水平，以磨损量作为标准，设计正交试验。采用第 1 冲裁工序中典型圆形轮廓冲裁进行分析。由于模具间隙为板厚的 0.1~0.15 倍时，磨损最小。冲压速度设置在 10~50 mm/s[12]。选用的摩擦模型为剪切摩擦模型，因为在塑性成形中，正压力一般大于制件材料的屈服应力，采用库伦摩擦模型求得的摩擦应力往往偏高。试验因素的设置见表 1。

将所得试验数据和模拟所得的模具磨损量利用Spass 软件进行正交分析，得到模具间隙、冲压速度、模具硬度、摩擦因数对模具磨损的影响趋势，见图 5。可知，冲裁间隙和速度对磨损量影响的趋势不是非常明显，这是因为在不同间隙和速度下以不同的磨损形式产生。当冲裁速度较低、间隙适当时，主要发生磨粒磨损；冲裁速度中等、间隙较小，主要发生粘着磨损；冲裁速度较高、间隙较小时，主要发生冲击磨损；冲裁速度较高、间隙较大时，主要发生疲劳磨损[14]。适当增大模具间隙对减小磨损量是非常有效的，在一定条件下，模具硬度越大，磨损越小。摩擦因数的选取需和实际结合，并不是越小越好。当模具磨损达到最小时，其冲压工艺参数中，模具间隙为 0.05 mm、冲压速度为 10 mm/s、模具硬度为 HRC66、摩擦因数为 0.30。利用此参数进行数值模拟分析，得到的磨损量均小于试验中的磨损量。当然冲压参数的选取不仅仅只考虑这些，如模具的冲压速度的选取需考虑生产效率的问题，模具硬度要考虑热处理的成本等。

2.3 模具刃口圆角及模具寿命的预测随着冲压次数的增加，模具表面与工件本身的接触次数增多，使模具之间的接触型面发生变化，影响下一次冲压过程的磨损。板材进行冷冲压时，其成形零件尺寸精度受许多因素的影响，模具磨损量也受到了相应的限制。在模具的使用过程中，凸模、凹模磨损后刃口尺寸发生变化，引起冲裁间隙的变大，当冲裁间隙达到最大极限值时，此时达到模具的允许磨损量。相关数据表明，厚度为 1.5~2 mm 的低碳钢、有色金属进行冲裁时，凸模、凹模允许磨损量为0.10mm；厚度为 2~3 mm 的低碳钢、有色金属进行冲裁时，凸模、凹模允许磨损量为 0.15 mm；厚度为 1.5~2mm 的中、高碳钢进行冲裁时，凸模、凹模允许磨损量是 0.12 mm；厚度为 2~3 mm 的中、高碳钢进行冲裁时，凸模、凹模允许磨损量是 0.2 mm。坯料冲裁厚度为 2 mm，材料为 DX52D+Z140 镀锌（中等强度钢），可知该模具允许的磨损量为 0.12 mm。随着模具的不断磨损，刃口逐渐磨钝，形成一定的圆角。圆角与磨损深度的几何关系见图 6。Ri, Ri+1分别为第 i次及第 i+1 次冲裁后的凸模圆角半径；Wi+1为第 i+1 次冲裁时的模具磨损深度值。di, di+1分别表示第 i+1 次冲裁前后凸模圆角的轮廓线上距离最大的两点，两者间的距离近似等于刃口处的最大磨损深度。即｜didi+1｜=Wi+1。由图 6 中的关系，可以得到式(5)。

初始时模具无圆角，达到模具允许磨损量时，模具圆角约为 0.3 mm。由于各冲裁工序单次磨损量已求得，假定每次冲裁过程中模具的磨损量相同，则当模具磨损量超过 0.12 mm 时，需要进行修模以确保不会冲压出尺寸不良的产品。从而计算得到各冲裁工序中需要修模时的极限冲压次数分别为 44 万、27 万、41 万、68 万、28 万、78 万。

3 结论利用 Archard 磨损模型，借助 Deform 软件对多工位级进模中的冲裁工序进行模具磨损分析，并对模具寿命进行了预测，从中得到了以下结论。

1） 对多工位级进模中的冲裁工序进行凸模模具磨损分析，表明模具冲裁磨损区域主要集中在模具凸模圆角处，各冲裁工序的凸模单次最大磨损量为2.71×10–7, 4.30×10–7, 2.87×10–7, 1.76×10–7, 4.24×10–7,1.52×10–7 mm。

2） 通过正交试验，对各试验进行数值模拟，表明对磨损量的影响从大到小分别为模具硬度、冲压速度、模具间隙、摩擦因数，并得到了最优的工艺参数组合，通过数值模拟，验证了正交试验法对冲裁级进模磨损工艺优化的正确性和有效性。3） 模具达到允许磨损量时，模具磨钝后形成的圆角半径约为 0.30 mm，根据磨损累计法，可知在模具达到极限冲压次数 27 万后，需要进行第 1 次修模。

作者：熊英超、夏琴香、叶福源、陈志平