冲模CAD中非圆凸模和凹模的自动生成

图1 指针

常用仪表的指针零件如图1所示，该零件上的孔径尺寸较小为?0.5mm，对冲孔的凸模及凹模有特殊要求。这类小孔冲模的损坏主要是磨损失效及小孔凸模折断。

成形指针的模具零件磨损失效部位主要存在于冲小孔凸、凹模刃口部位、凸模端面、凸模圆柱面以及凹模型孔表面。

模具的冲裁过程：凸模与凹模组成上、下刃口，板料放在凹模上，凸模在压力机的滑块带动下下行，将板料压入凹模中，板料在经过弹、塑性变形后发生断裂分离。模具零件的磨损主要发生在冲裁过程中及冲裁结束阶段。凸模在将板料压入凹模的最初阶段，凸、凹模刃口部位受到拉压交替的应力，随着冲裁次数的增加，模具零件刃口处易出现疲劳裂纹，进而造成模具零件刃口磨损。同时，凸模端面与板料接触面之间的摩擦也会造成凸模端面磨损。在继续将板料压入凹模的最终阶段，一般凸模伸进凹模深度为一个料厚t，随后凸模随压力机滑块上行脱离板料。但此时未被冲入凹模孔内的板料会紧紧套在凸模上，因为在冲裁时材料受到了凸模的挤压，发生了沿凸模径向向外的挤压弹性变形，冲裁一结束材料将回弹紧抱凸模。卸下板料则需卸料力，约占冲裁力的8%左右，在卸料过程中会造成凸模外圆柱面磨损。

随着模具使用次数增加，凸、凹模刃口磨损、端面磨损以及圆柱面的磨损都从微量磨损逐渐累积成过量磨损，最后导致凸、凹模间隙变大及刃口钝化。如果凸模尺寸小，强度本身不足，在刃口变钝和间隙变大的情况下很容易造成凸模受力偏载，从而造成小凸模过早折断，这是成形指针?0.5mm孔的小凸模容易折断的主要原因。

如何降低指针模具零件的磨损量是提高凸、凹模刃磨寿命的关键因素，除了优化结构设计减缓模具零件磨损，还应选择合适的模具零件材料。当前，指针模具常采用Cr12MoV钢制作凸、凹模，但Cr12MoV钢材料韧性不足，在使用凸模冲制?0.5mm孔的过程中易折断、刃磨寿命短。对于小尺寸凸、凹模材料的选择首先应注重材料的韧性，7Cr7Mo2V2Si钢经热处理后具有较好的硬度、耐磨性，关键还具有较好的韧性。如果选择7Cr7Mo2V2Si钢制作成形指针小孔的凸、凹模有可能提高刃磨寿命，降低小孔凸模的折断率。

因此，对Cr12MoV钢和7Cr7Mo2V2Si钢制作的模具零件磨损量、刃磨寿命、小凸模折断情况进行比较，以验证7Cr7Mo2V2Si钢提高冲小孔模具使用寿命的可行性。

一 试验准备

1 试验材料

Cr12MoV钢的化学成分如表1所示，具有高的含碳量和含铬量，Cr与碳形成Cr23C6型碳化物能极大程度地提高钢的耐磨性、淬透性及回火稳定性；Mo与碳能形成（Fe、Mo）6C型碳化物，能提高钢的淬透性、细化晶粒、提升共晶碳化物的均匀度和强化二次硬化效果；V的主要作用是细化晶粒，提高回火稳定性，强化二次硬化效果，增加钢的耐磨性。Cr12MoV钢是目前常用的模具零件材料，指针模具零件也常选用此冷作模具钢。

Cr12MoV钢热处理工艺采用油淬加回火处理，加热保温阶段采用3次分步预热处理：①预热温度650℃，升温在30min内完成，保温时间2h；②升温至850℃，升温时间为20min，保温时间2h；③升温至1000℃，升温时间在20min内完成，保温时间1.5h。淬火冷却采用油冷至油温，回火选择二次回火温度190℃，每次保温4h，最终硬度经测定为60HRC。

7Cr7Mo2V2Si钢是一种高强韧性、高耐磨性冷作模具钢，其化学成分如表2所示。与Cr12MoV钢所含成分比较，7Cr7Mo2V2Si钢碳含量少了近1/2，Si元素含量增加了0.53%。碳含量减少，共晶碳化物含量也会减少，Si元素含量增多，钢材的回火稳定性将得到提升。经过热处理的7Cr7Mo2V2Si钢在强度、韧性、耐磨性都比Cr12MoV钢好。7Cr7Mo2V2Si钢更适合制造承受高负荷的冲模零件。

7Cr7Mo2V2Si钢热处理同样采用油淬加回火处理，具体淬火加热保温阶段也采用3次分步预热处理：①预热温度大约为650℃，升温在30min内完成，保温2h；②升温至850℃，升温时间为20min，保温时间2h；③升温至1100℃，升温时间在20min内完成，保温1.5h。淬火冷却采用油冷然后冷却至油温。回火与Cr12MoV钢不一样，选择二次回火温度240℃，每次保温2h，最终硬度经测定为59HRC。

选择1040℃作为最终淬火温度，在加热过程中，大量的碳和合金元素充分溶入奥氏体中，淬火后，马氏体中含碳量增加，提高马氏体硬度，同时由于加热温度不高，能降低淬火马氏体的热应力。选择240℃低温回火主要是为了消除淬火应力，稳定尺寸，减少热处理变形。经过热处理的凸、凹模零件，可获得较高的硬度和耐磨性。

2 模具设计方案及冲压设备

图2 冲孔落料级进模

针对图1所示的指针零件，模具设计方案选择为冲孔落料级进模结构，所用模架为对角导柱式标准模架，如图2所示。采用这种导向模式的模具便于操作，最大限度规避因导向问题而引起模具偏载、模具凸模弯曲等问题，进而避免模具零件的非正常磨损。关键模具工作零件凸、凹模的制造采用线切割加工，为避免线切割加工变质层，对相关零件采用再次回火处理。

根据试验采用的指针模具结构，按照压力机的装模高度、所能提供的最大冲裁力、试验操作方便3个原则选用机型为开式可倾压力机JN23-40A。该压力机最大装模高度为280mm，最大冲裁力为400kN。

3 试验方法

分别采用Cr12MoV钢和7Cr7Mo2V2Si钢制造凸、凹模零件，模具其他零件材料及结构不变，在相同润滑条件下，在同一设备JN23-40A上进行冲裁试验。统计在相同时间内冲裁同样数量制件后，工作零件凸、凹模的磨损量以及每副模具的最终刃磨寿命和小孔凸模折断的次数，根据结果验证7Cr7Mo2V2Si钢制造指针小孔冲裁模的实用性。

二 试验结果及分析

1小孔凸模磨损量

图3 7Cr7Mo2V2Si钢和Cr12MoV钢小孔凸模磨损量比较

图3所示为7Cr7Mo2V2Si钢和Cr12MoV钢在相同时间内冲裁一样多的指针情况下，小孔凸模的磨损量比较统计图。由图3可见，7Cr7Mo2V2Si钢和Cr12MoV钢在冲裁的最初1h内，磨损情况差别不大，因为新模具凸、凹模间隙小，此时润滑不足，凸、凹模摩擦剧烈，2种钢材在此种情况下磨损情况相差不大。随着时间的推移，用7Cr7Mo2V2Si钢的凸模磨损量比Cr12MoV钢小，因为冲裁初始阶段过后，模具凸、凹模间隙变大，润滑情况变好，7Cr7Mo2V2Si钢抗磨的优势逐渐体现，当连续工作约5h后，可明显的发现用Cr12MoV钢的凸模磨损急剧变大，而7Cr7Mo2V2Si钢还是维持在较低水平。

2 模具零件刃磨寿命及折断次数

模具零件的刃磨寿命情况如表3所示，从统计数据看，在相同润滑条件下，用7Cr7Mo2V2Si钢的凸模平均刃磨寿命约30000件，而用Cr12MoV钢的凸模平均刃磨寿命约20000件，使用寿命延长了50%。

凸模折断的原因在于模具材料韧性不足，从表4中统计数据看，以同样冲裁5万件指针的情况下，用7Cr7Mo2V2Si钢的凸模折断次数为0，但用Cr12MoV钢的小孔凸模已出现3次折断。

声明：本文摘选自《模具工业》2017年第01期 作者：李文平 （四川信息职业技术学院）