一、挤压工模具的使用寿命

　　挤压模具因磨损或其他失效形式，终致不可修复而报废之前所能承受的挤压的总次数或通过挤压铸锭的总个数(也可用通过产品的总长度或总品量表示)，称之为挤压工模具的使用寿命。

　　工模具在报废之前，可能出现早期失效。但在绝大多数情况下，通过合理的修正后还能继续使用。工模具在第一次修复之前，或两次修复之间所通过的挤压铸锭数(产品的质量或长度)称为中间寿命。

　　挤压工模具允许修复的次数是有限的，在生产实践中，挤压工具一般可修复2～3次(重复热处理一般只允许一次)；平面模和穿孔针可修复3～5次，甚至高达l0次以上；组合模最多可修复3～4次。工模具的中间寿命越高，允许修复的次数越多，则使用寿命就越长。

　　由于挤压工模具的形状复杂，结构各异，而且工作条件和用途各不相同，允许偏差标准(尺寸精度、表面状态等)也不一样。因此，要准确地、定量地定义出工模具的寿命是困难的。所谓工模具的使用寿命，实际上只是一个大致的总体的概念。

　　提高工模具寿命，实质上意味着与失效作斗争。按工模具失效发生时间的早晚，大致可分为早期失效和正常失效。一般来说，工模具的冲击破裂、塑性变形、粘附及过早的磨损和热裂、细颈或拉断、压弯等均属早期失效，而在工模具达到正常平均寿命水平之后的磨损和热裂，则属正常失效。表4—5—1为某厂轻合金挤压车间按磨损和裂纹计算模具使用寿命的实际情况。从表可看出，热挤压模具报废件中，磨损约占90%，裂纹占10%左右，空心型材模具的裂纹所占比例比实心产品模具的大，如以挤出总长度来表示模具的使用寿命，则空心件模具大约是实心件模具的一半。

　　二、影响挤压工模具使用寿命的主要因素

　　影响挤压工模具使用寿命的因素很多，概括起来可分为两大类。一类是外因，即工具工作时的外界的环境和外部条件。另一类是内因，即工模具本身的结构和使用性能。内因取决于工模具的设计、材料选择和整个加工工艺，包括冶金、锻造、热处理、机加工和电加工等过程。材料和所有的加工工艺因素，最终反映到工模具的加工精度、表面粗糙度、晶粒度大小、碳化物偏析、夹杂物含量及分布，以及硬度、强度、韧性、耐磨性、热稳定性和耐热疲劳性等指标上。这些指标决定了工模具的使用性能。

　　综合大量的资料和根据长期生产实践的经验，可将影响挤压工模具使用寿命的因素归纳为下列几个方面：

　　(1)工模具的结构设计与强度校核；

　　(2)工模具材料；

　　(3)冷、热加工与电加工工艺；

　　(4)热处理与表面处理工艺；

　　(5)挤压工艺与使用条件；

　　(6)维护与修理；

　　(7)挤压产品材料特性和形状、规格；

　　(8)科学管理。

　　其中(1)～(4)属于内在因素，(5)～(8)为外在因素。一般来说，只要上述几个方面基本处理得当，工模具的使用寿命就可达到正常水平。反之，如果有一个方面或几个方面处理不当，例如工模具结构设计不合理、选材不当或材质不佳、加工方法或加工工艺不合理、热处理或表面处理方法不当、模具的安装或设备精度差、使用维护不当、加工精度不够、表面状态不良、组合装配不合理等，则可能发生早期失效。同样，如果在上述所列各因素中，在某一方面或某几个方面通过采用新材料、新工艺、新技术，取得某种有意义的突破，则有可能使工模具的寿命大幅度提高，达到先进水平。

　　影响工模具的寿命的诸因素是互相影响，彼此制约又互为补充、互为促进的，一种影响因素又会涉及到其他方面的因素。因此，应把影响工模具寿命的诸因素作为一个有机的整体来看待，当作一个系统工程问题来进行讨论。

　　三、提高工模具使用寿命的主要途径

　　挤压工模具的使用寿命往往是决定某一工艺方法或某一产品是否经济可行的要素。因此，国内外许多学者都致力于提高挤压工模具寿命的研究。但是，如上所述，工模具寿命的影响因素很多，是一个复杂的多因素的综合性问题，所以，只有从理论上和实践上系统地深入地研究工模具的工作条件、失效特征和原因，掌握工模具材料的成分、组织、性能三者之间的关系，分析工模具设计、加工和使用的全过程，才能真正找到提高某种具体工模具寿命的措施。一般来说，为了提高工模具的使用寿命应从以下几个方面着手开展工作。

　　1．合理设计工模具

　　只有工模具设计合理，才能充分发挥材料应有的效能，这是防止工模具早期失效的基础。如果工模具设计本身不能保证足够的强度和韧性，那么，必然会使工模具因过载而早期失效。正确设计的工模具结构，应保证在正常使用条件下，没有产生冲击破裂和应力集中的可能。工模具的强度和使用寿命首先是由足够的尺寸来保证的，但工模具的尺寸主要由产品尺寸所决定，受设备安装空间的限制和其他因素的影响。

　　在设计工模具时，应尽量使各部分受力均匀，注意避免尖角、内凹角、壁厚差悬殊、扁宽薄壁截面等，以免产生过大的应力集中，引起热处理变形、开裂和使用过程中脆性破裂或早期热裂。此外，还应考虑工模具的刚性。为了便于互换、保管和维修、标准化设计也是十分重要的。 

　　挤压模具的优化设计是获得经济而合理模具的重要手段。近年来，世界各国投入大量人力、物力和财力致力于挤压模具优化问题的研究。由于大型计算机的开发和应用，CAD/CAM技术的迅速发展，有限元分析理论和实用技术的不断完善以及各种数值模拟和物理模拟方法的进一步实用化，为挤压模具优化设计的理论和技术的开发开辟了道路。目前许多大型的、复杂的、重要的挤压工模具(如大型高比压圆挤压筒、优质多层组装式扁挤压筒、固定挤压垫片、多孔舌型模、大型空心壁板用平面组合模、异形空心型材的穿孔系统、流线模角等)等优化设计问题已获得了满意结果。挤压模具优化理论研究与实用技术获得了重大突破，取得了一大批成果，有的已规范化和系统化。

　　总之，合理设计工模具结构和进行可靠的强度校核，不断革新工模具设计理论和方法，采用电子计算机辅助设计等是改进挤压工模具设计和提高使用寿命的主要途径。

　　2．合理选择工模具材料和研发新型模具材料

　　根据工模具的工作条件和性能要求，正确选择其材料也是提高使用寿命和降低生产成本的有效措施。前人已做过大量工作，从化学成分、冶金过程、锻造与热处理工艺以及提高原材料本身的品质等方面进行了广泛的研究，并取得了很大的进展。但是，工模具材料的选择是一个十分复杂的问题，涉及面很广，所以至今尚未获得重大的突破。研究与实践证明，把研制新材料、提高材料本身的品质与研究新型的热处理工艺和表面强化处理工艺有机地结合起来，是解决这一课题的有效途径。

　　随着热挤压条件越来越严峻，对工模具的性能要求越来越高。为了满足这种越来越高的要求，世界各国近年来开发研制了不少有价值的新型挤压工模具钢，见表4—5—3。由表可见，由J·Rhollway等开发的A种钢，将含碳量降到0.25%～0.30%以下，用Ni提高基体的延性、韧性的同时，添加Mo、Co来促进微细碳化物析出。由于含Mo或Co 3%以上的钢的强度、耐磨损性有显著提高，但延展性却下降不大，所以添加3%Mo或Co的钢是最合适的。此外，由于Co的成本高，所以近来又开发了不含Co但具有高综合性能的B种钢和C种钢。在析出硬化型马氏体钢方面，开发了ASM标准的6F4钢，它含有(0.15～0.2)%C，为了提高淬透性，添加了3%的Ni和3.4%Mo。由于含量低，所以在淬火状态下硬度也较低，而延展性和韧性较高。在一般的预硬化状态(在400℃低温回火状态，40～44HRC条件下)下使用时，由于制品表面的温升而引起析出强化。此种钢适于制造大型挤压工具，但也可用作模具材料。最近开发的马氏体时效处理钢的特点是：以极低的C和高Ni作为基本成分，并添加剂了 Co、Mo、Ti、Al。以极低碳的马氏体作基体，和以前使用的热作工具钢的冶金特征完全不同，它是通过时效而均匀弥散地析出Ni3Mo、Fe2MoNi3Ti相达到强化，从而得到超硬高强度(≥2000 MPa)。由于这种钢具有非常高的强度和良好的韧性，所以适用于制造承载的挤压工具和模具。表4—5—3中示出的奥氏体钢A286具有良好的耐热性，如果在720℃时效，能产生γi(Ni13Ti)析出强化，则在高温下的强度比马氏体高。此外，最近又开发了利用由V碳化物的共格析出而引起强化的(0.5～1.0)C－13Mn－8Ni－10Cr－(2～4)V－0.1Ti－0.0005B钢，其强度高于Hl9和A286，很有希望用于制作热挤压铝合金型材模具。

　　1)4Cr3M02V钢

　　4Cr3M02V钢是在消化吸收瑞典的ASSABQR080M热挤压模具钢的基础上开发出来的，其性能优于4Cr5MoSiVl钢，可取代4Cr5MoSiVl钢用于制作热挤压模，有广阔的推广应用前景。4Cr3M02V钢的化学成分为(0.35～0.42)%C；(0.22～0.42)％Si；(0.5～1.0)%Mn：(2.2～2.8)%Cr；(1.8～2.2)%Mo；(1.0～1.4)%V。当淬火温度为1100℃时，在600℃时的高温硬度HV为470～480 MPa。在1080℃淬火+600℃回火两次(各1 h)条件下，其高温硬度为HV525～535 MPa。生产试验证明，当4Cr3M02V挤压模具的硬度为470～480 HV，挤压筒温度为400～450℃，模具温度为400～440%，铸锭温度为450～500℃，挤压速度60 m/min的条件下，挤压铝合金型材的使用寿命为7～10 t/每模。

　　2)AE31高质模具钢

　　AE31是日本高周波钢业株式会社和神户制钢中央研究所在对0.4C－2Ni－3Cr－2Mo－0.3V的成分加以改良后研制成功的，是一种理想的铝合金型材模具材料，其常温性能、高温性能、回火稳定性，特别是氮化特性都优于SKD62钢。例如，1025℃淬火+575℃回火后，其 σb可达l800 MPa，σ0.2 ≥1500 MPa，HRC可达52以上，深冲率可达50％左右，δ≥10％，冲击功Ak大于39 J，在高温下仍具良好的KIC值。

　　3)ASSAB8407“组织优化”高温热作模具钢

　　该钢种由瑞典一胜百钢材有限公司研制，标准规格为AISIHl3MICRODIzED，主要化学成分：0.37％C、1.0%Si、0.4%Mn、5.3%Cr、1.4%M0、1.0%V。热处理后的室温强度为 HRC≥52、σb≥1820 MPa, σ0.2≥1152 MPa、ψ﹥45％、δ≥10%。其主要优点是：组织细密均匀，韧性高；含碳量低，不会发生热裂；抗高温热应力疲劳强度高等。

　　3．研发新型热处理工艺

　　1)预处理工艺研究

　　4CrSMoSiVl钢是合金元素含量较高的过共析钢，在冶炼、铸造时可能出现碳化物偏析，锻轧后形成粗大的碳化物带。碳化物的数量、大小及分布状态直接影响钢材的组织与性能。如残余碳化物数量多、粒度大、分布状态不佳(如呈明显带状或沿晶界分布)，则钢材的韧性和疲劳抗力将大大下降。为了改善模具最终热处理后的组织和性能，对4Cr5MoSiVl钢进行了系统的预期处理工艺试验。采用自动相分析技术对碳化物面积分数(A%)、平均粒径(d)和单位面积碳化物个数(Nc)定量测定，用拉伸法测定了常规力学性能。优化设计出了该钢种的预处理工艺制度，并与常规球化退火工艺的组织性能进行了对比。分析大量的试验结果，获得以下有价值的成果：

　　(1)预处理明显地改善了4Cr5MoSiVl钢的组织，全部消除了带状碳化物，大大减少了粗大碳化物的数量，可获得分布均匀、尺寸细小的碳化物组织。

　　(2)预处理方法与常规球化退火(860℃下退火)方法相比，具有节约能源，生产周期短等优点，在强度、晶粒度基本上相当的前提下，可提高钢材的塑性和韧性。

　　(3)推荐的预处理工艺为：ll00℃固溶，770℃或860℃高温回火，回火硬度为207～235HB。

　　2)热处理工艺研究

　　(1)普通热处理工艺制度的优化

　　为充分发挥4CrSMoSiVl钢的潜力，对其最终热处理制度进行了研究，通过大量的试验和生产实践，推荐4Cr5MoSiVl钢挤压模使用如下热处理制度：淬火前进行800～850℃预热，以防止加热速度过快、热应力增大引起模具开裂。淬火温度范围为1020～1070℃，加热后进行油冷淬火，淬火后必须立即进炉回火(时间间隙最长不超过6 h)以防因淬火后应力过大而导致开裂。回火温度范围为580～620℃，回火2～3次，每次l.5～2 h，回火的硬度为42～48HRC。经过大量的生产使用，证明优化工艺稳定可靠，可大大提高模具使用寿命和经济效益。

　　(2)真空热处理工艺研究

　　在研究了4Cr5MoSiVl钢和等温球化处理、预处理和双重处理的基础上，应用正交优化方法研究了其最佳的真空热处理工艺制度。根据理化检测的结果，分析了不同真空热处理制度与该材料的室温硬度、常规力学性能、高温硬度、高温力学性能以及特种性能(热疲劳与热磨损抗力)之间的关系。用透射电镜、扫描电镜、光学显微镜和体视显微镜分析了材料经不同真空热处理后的显微组织的热磨损、热疲劳裂纹的表面形貌。通过大量的研究工作和工业性试验，获得了以下成果：

　　①4Cr5MoSiVl钢铝型材挤压模具经1100℃/0.5 min·mm-1油冷+770℃或860℃/2.6 min·mm-1空冷预处理后，组织均匀，碳化物分布弥散且细小，为最终热处理作了良好的组织准备。

　　②4Cr5MoSiVl钢铝型材挤压模真空热处理最佳工艺优化结果是：l040～1080℃真空淬火，600℃ + 580℃×3h两次真空回火，真空度为10-3～l0-1Pa。

　　③4Cr5MoSiVl钢真空热处理后，其组织为回火马氏体(M)+下贝氏体(B)，且真空热处理后的马氏体(M)板条比非真空热处理的细小，碳化物形貌为圆球状。

　　④经真空热处理的模具，具有良好的综合力学性能、抗回火能力，其高温性能也优手普通热处理的模具。

　　⑤4Cr5MoSiVl钢经真空热处理后，模具变形小，仅为常规处理的l/3～1/10，一般在0.05 mm左右，模具的热疲劳抗力和热磨损抗力比非真空处理的高，且在1080℃油淬，600～580℃回火时出现最佳值。

　　⑥生产性试验结果表明，用上述真空热处理工艺处理的模具，耐磨性好、粘铝少、型材表面光洁度高、模具使用寿命比经普通热处理的模具提高2～3倍以上。

　　3)强韧化处理工艺研究

　　近十年来，3Cr2W8V钢的强韧化处理工艺又有了新的发展，主要的成果有：

　　(1)高温淬火+高温回火工艺。此工艺将3Cr2W8V钢的淬火温度提高到1150～1170℃，目的在于使碳化物更均匀。高温回火是将3Cr2W8V钢的回火温度提高到670℃左右。此工艺提高了材料的热疲劳性能和断裂韧度，对于因热疲劳龟裂导致的早期破断现象是十分有利的。但由于采用高温回火，材料的强度和硬度损失大，故对强度和耐磨性要求较高的铝挤压模尚待改进。

　　(2)组织预处理工艺，也称作双重处理工艺，即在最终热处理之前，以高温固溶(1150～1250℃)加高温回火(730～780℃)代替锻后退火工艺。其目的是通过高温固溶消除粗大碳化物和碳化物偏析，然后采用高温回火使碳化物均匀细小地析出，同时消除遗传性，从而提高材料的强度，尤其是韧性。最终热处理仍按常规工艺进行。据报道，用此法可使材料冲击韧度提高20%～30%。

　　(3)超高温淬火+中温回火工艺研究。采用1250℃以上超高温奥氏体，使合金元素充分溶入奥氏体，可以使3Cr2W8V钢的高温强度和抗回火软化能力显著提高，因而提高挤压模抗高温软塌和磨损性能。继高温淬火之后，若采用560℃左右回火，则冲击韧度会出现低谷，同时σb会大幅降低；若采用300～500℃中间回火，既避开了560℃回火所导致的KIC低谷，又防止了650℃回火所出现的冲击功低谷，可以使模具获得强韧性的配合。铝挤压模具的工作温度一般为400～500℃，模具表面最高温升一般在520℃左右，因此，即使是长时间使用后，原中温回火的组织仍是稳定的，不致产生二次硬化现象，这样可以避免特殊碳化物物析出和残余奥氏体的分解。因而模具在工作时可保持韧性不变。同时，模具在使用过程中回火软化倾向少，若采用500℃以下中温回火，不会引起模具热强性和耐磨性在使用过程中降低。可见，超高温奥氏体淬火+中温回火是铝型材挤压模具的一种可行的强韧化处理工艺。

　　4．表面强化处理新工艺研究

　　(1)离子硫、碳、氮三元共渗工艺研究

　　研究了不同预先处理、共渗气氛、温度时间和气压对共渗层的影响。结果表明，经淬火+ 回火处理的模具共渗层的硬度最高，氮气与二硫化碳之比以20～30:1为佳。用正交试验研究，确定了4Cr5MoSiVl模具钢的最佳三元共渗工艺为：在540～560℃渗氮2 h，三元共渗1 h。采用光学显微镜、显微硬度计、X射线衍射仪及改进的Tlttagia法和Uddehlom法研究了三元共渗后的金相组织、表层硬度、渗层深度、相结构、热疲劳和热磨损性能以及它们的表面形貌。结果表明，通过共渗气氛的工艺参数的合理控制可获得组织良好、层深适度、表面硬度高、热疲劳和热磨损性能好、自润滑性能良好的共渗层。大批量生产实践证明，经三元共渗的铝挤压模具，其使用寿命平均可达l5～20t/每模，最高可达51.4 t/每模，而且挤压出来的铝材平整、表面光洁、品质优良，获得了明显的经济效益。

　　(2)离子复合处理工艺研究

　　利用离子冲击装置对4Cr5MoSiVl和3Cr2W8V钢制铝型材挤压模具的离子复合处理工艺进行了全面的研究，经优选试验和检测定量分析，深入研究了离子复合处理的温度、时间、气压、气氛和离子场分布状态等因素与所得渗层相结构组成、渗入元素分布、显微组织、渗层深度、表面硬度以及耐磨性能之间的关系。确定了可使模具获得良好综合性能的最佳工艺参数：处理温度为520～560℃，时间4～6 h，工作气压1067～1333 Pa，工作气氛为N2、H2、Ar加含硫、含碳、含氧的混合气体。

　　系统地研究了窄缝窄槽模具的离子复合处理工艺，已使具有0.7 mm以上窄缝的薄壁型材模具达到了良好的处理效果。

　　经反复试验，研究成功了适合于离子处理工艺的表面涂覆屏蔽技术。该技术具有离子处理过程稳定、防渗性能好、涂覆层极易清除等特点，而且对防止局部过热和促使模具的均温化具有良好的效果。经大批生产证实，对3Cr2W8V挤压型材模，经离子复合处理后，其使用寿命由未经处理的平均3t/每模提高到l2 t/每模以上，型材产品的表面质量明显改善，获得了良好的经济效益。  

　　(3)离子氮化工艺研究

　　在辉光离子氮化炉上做了大量的氧化处理工艺研究，以壁厚为1.5 mm以上的挤压模孔进行试验取得了满意的结果，生产证明，提高了模具的耐磨性和型材表面品质。

　　(4)气体软氮化工艺研究

　　对气体软氮化工艺进行了大量的研究工作，结果表面，气体软氮化是一种低温碳、氮共渗方法，可使模具的抗咬合性、抗磨损性能提高。其最大特点是不受模具型孔宽度和复杂性的影响，而且氮化效果良好。

　　(5)脉冲等离子渗氮工艺研究

　　脉冲等离子技术是一种可准确控制的可多参数变化的渗氮法。可变化的参数有：时间、工件温度、外界热源温度、工件外界热源的温度梯度、电压、电流、气体混合物成分、气流速度、室内压力、脉冲重复次数、脉冲持续时间、控制方式等，由于可变参数多，应采用可编程微机控制。

　　用脉冲等离子渗氮技术的气～固界面反应为：

　　①产生被电离物氮原子和中性氮原子，N2=N++N；

　　②溅射净化工件表面，渗到工件表面的N+=从钢表面溅射的铁和溅射的污物；

　　③氮化铁的形成，溅射的铁+氮=氮化铁(Fe2N)；

　　④相应的渗氮过程

　　FeN-→Fe2N+N

　　Fe2N-→Fe3N+N

　　Fe3N-→Fe4N+N

　　Fe4N-→Fe+N

　　脉冲离子渗氮技术的主要特点是：

　　①降低过程的温度，特别适用于温度敏感性钢和几何敏感性模具的渗氮处理；

　　②温度梯度可编程控制；

　　③过程的氮耗、气体能耗、离子能耗都低；

　　④可用飞溅法净化模子；

　　⑤环境好，无污染，无辐射；

　　⑥操作人员少，操作维护费用低；

　　⑦渗氮层均匀细密，冶金质量易于控制；

　　⑧电参数、温度参数、力学参数均由微机控制，易于实现过程自动化。

　　脉冲等离子技术处理的模子冶金品质均匀，模具品质高，减少了修模时间，提高了效率，降低了成本，可获得明显的经济效益。

　　   (6)低温渗硼法的研究

　　对铝挤压模具的渗硼技术进行了大量的热力学计算和分析，采用了新活化剂和添加剂，研制成一种价格低廉、熔点适中的高硼酸盐，突破了常规的低温(700℃)渗硼温度界限，使液体渗硼温度降到600℃以下，同时还对4Cr5MoSiVl和3Cr2W8V钢模具进行了不同的渗硼正交实验，得出了低温电渗硼的最佳工艺，并在国内外首次用低温渗硼法处理形状复杂的型材模取得了满意的结果。由于渗硼层硬度高达1500HV以上，具有极高的耐磨、耐蚀、耐高温和抗粘铝的能力，使得模具寿命大幅度提高，挤压型材表面品质远优于其他表面处理，处理的模具窄缝可达0.68 mm。用光学显微镜、扫描电镜、X光衍射仪和各种物理－化学分析测定法研究了渗硼层组织组成和形态，经生产考核，模具使用寿命可提高3～4倍，型材表面粗糙率可达Ra 0.4цm以上，具有良好的经济效益和社会效益。

　　(7)PVD－TiN涂层工艺研究

　　近年来，新研制的物理气相沉积氮化钛(PVD—TiN)涂层技术首次用于铝材挤压工模具超硬耐磨涂层。在PVD过程参数、涂层结构和性能关系方面进行了大量工作。特别是对涂层/基底界面结构和涂层极点密度与性能之间进行了较深入的研究，提出PVD涂层模具钢耐磨损性三要素观点，用涂层表面显微硬度HV、实际膜基结合力Lch和临界饱和结合力Lch等参数改进了Holm定律表达式。大幅度提高3Cr2W8V和4Cr5MoSiVl钢PVD涂层后的使用性能。

　　多组正交性能实验结果表明，各沉积参数对HV、Lc、W和沉积速率的影响权重从大到小顺序为P∑、β、t、Vb、I、Ts……。轰击条件和某些特殊技术对结合力和薄膜生长也有明显影响，在分析的基础上给出了优化工艺条件。

　　系统地研究了3Cr2W8V和4Cr5MoSiV钢的氮化处理和它们经PVD涂层后的室温与高温力学性能，包括抗弯强度盯αW、αb、α0.2、δ%、ψ%和E，并且对断口形貌及断裂特征进行了观察对比。结果表明，PVD涂层不仅使表面硬度提高5～6倍，且使力学性能保持原型基底材料的高水平，较氮化处理的强度高20％，塑性高70%～80%，即使在面缩率达50％以上情况下杯锥口附近涂层仍不剥落。用研制成的装置和工艺制备的挤压穿孔针进行试验，结果如下： HV为3500；Lc为50N；αb为1600MPa；δ为10%；ψ为45%；E为201GPa及耐磨性提高l50倍以上。

　　研制成铝管材挤压穿孔针批量处理系统，涂层均匀度高，方便可靠，重复性好，无公害且易于控制，经大批生产验证，可显著减少管材内壁划伤废品，成品率可提高2.6%以上，可节能降耗，减少砂磨等工序，改善环境，减轻劳动量，得到了明显的经济效益和社会效益。

　　5．制模与修模新工艺新方法的研究

　　1)制模新方法新工艺的研究

　　(1)Hobson制模法

　　该法是1984年英国Hobson公司设想出的一种制造铝挤压模的新方法。其工艺设想是：根据金属塑性流动原理，当金属质点均匀流动时，通过挤压模孔时的阻力与流量成反比。假设某塑性介质挤入模孔时，挤入量(挤入模孔内的深浅)与模孔对金属挤人量的阻力有关，由此，若按塑性介质挤入模孔内的深浅作为模具工作宽度，就正好能使金属均匀流动。若能选择一种既与挤压金属塑性流动特性相同，又能耐腐蚀的工作介质，用挤压方式压入模孔内，不经设计计算就能确定该原工作带宽度，然后，采用化学腐蚀的方法加工出模子的空刀部分。该法能完全模拟铝合金的流动特征，因此能获得使金属流动均匀的最优化的模子设计，加工工艺简化，设备简单，是一种多快好省的制模新方法。据报导，英国、日本等国已在模拟介质、腐蚀液、加工工艺等方面获得了了突破，并已进入大批量工业试验。

　　(2)“一步法”制模新工艺的研究

　　开展了大量的实验工作，解决了技术关键，基本上确定了满足“Hobson”工艺的介质成分，并在“Hobson”工艺的基础上开发了“上步法”制模新工艺。其主要成果有：

　　①选择工作介质。根据塑性加工中的相似理论即相似条件来选择工作介质。目前国内外常用的模拟金属塑性变形的材料及其n、m、ц值列于表4—5—4中，由表可知，蜡泥塑性流动特性值范围宽，其流动特性随主要成分含量变化而变化，因此，选择了蜡泥作为制造挤压模的工作介质。

　　②工作介质成分范围。用正交法，选用L9(34)正交表，确定工作介质的主要成分范围为(20～30)%石蜡，(30～40)％填充剂，(10～30)%粘结剂，(2～10)%添加剂。

　　⑧工作介质和6063铝合金的n、m、ц值的测定。Gleeble－1500热力模拟机上测定了工作介质(室温)和6063铝合金(495±5℃)的n,、m值；用圆环镦粗法测定了摩擦系数ц。

　　④腐蚀液的选择。经反复试验，配制了一种混合酸作为腐蚀加工模子空刀的腐蚀液，其成分为15%H2S04，20%HN03，10%HCl，15%H3P04，40%H20。

　　⑤确定了“一步法”工艺流程。

　　(3)凝固控制铸造法制造挤压模

　　20世纪80年代后期，日本发明了一种制作铝挤压模的新方法，即凝固控制铸造法。该法是一种各向匀速成长，可提高材料强度的新工艺，用此法制造的挤压模质量稳定，而力学性能可与锻造法相媲美。用此法制造的挤压模已通过日本富山轻金属公司生产考验，结果表明，制模时间可缩短40%，材料的成品率达80％以上，而且性能稳定。近几年来，日本ッ一ヶ一金属(株)和富山金属工业株式会社又开发一种CK铸造模，其力学性能(HRC≥46.7，αs﹥995 MPa，αb≥1166 MPa，δ≥10.8%)达到或超过了铸造法制模的水平(HRC≥47.4，αs≥982 MPa，αb≥1170 MPa，δ≥9.5%)，使用寿命也超过了锻造模。

　　(4)特大型热挤压平面分流组合模的制造新工艺

　　大型卧式挤压机(125MN以上)上用的特大型分流模的主要特点是：

　　①外廓尺寸大。外径+700～1500 mm，厚度为l50～300 mm；质量500～3000 kg，为中小型模子的10～100倍。

　　②型孔十分复杂。一块模子上开有多个异形孔腔，各切面的厚度变化急剧，相关尺寸繁杂，圆弧拐点很多。

　　③尺寸精度要求严，粗糙度有严格要求。

　　④由于工作应力高，要求采用高强耐热合金钢制造，经热处理后其硬度应均匀、适中，既有高的高温强度，又有良好的韧性。

　　为了满足上述要求，简化工艺，缩短周期，提高寿命，降低成本，对特大型平面分流模的选材、机加工工艺、电加工工艺和热处理及表面处理工艺进行了一系列研究和改进工作，并取得了重大成果。

　　①选择合适的模具材料，必经严格的复验和超声波检验。严格控制改锻的始锻温度、终锻温度、冷却速度和冷却方法。

　　②根据模子的尺寸大小、形状和所选用的钢材，每个模子都应按新型的工艺流程单独编制工艺，并掌握和控制各工序的具体操作细节。

　　③应根据具体情况单独编制热处理工艺。淬火前应尽量消除直角和尖角部分。为消除表面应力，应进行预处理。淬火加热分段进行，可采取多次回火，并把补充回火作为模具制造的最后一道工序。

　　④采用整体电极加工多孔异形型槽，但在电火花加工过程中电流不能过大。

　　⑤模子在进行氮化前一定要进行抛光处理，以获得良好的氮化效果。

　　⑥制作复杂结构的模具除了采用先进的数控电加工技术外，还必须配有钳工的精雕细刻。除了严格单独加工上、下模之外，要特别注意上下模配合面的研磨加工。上、下模要有可靠的定位和严格的对中。

　　大批量生产实践证明，用上述新工艺制造的特大型平面分流组合模，在重型挤压机上的使用寿命长、性能稳定、产品的表面和尺寸精度高、具有较大的经济效益。

　　2)建筑铝型材挤压模具制造工艺路线的改进研究

　　传统的挤压模加工工艺路线存在工序多、工艺流程长及加工周期长，以钳工手工锉修、手工抛光为主，难以保证尺寸精度和表面粗糙度，而且粉尘大，污染环境；组合模的上、下模尺寸难于保证，上下模配置不合理易错位、难同心；模子制作过程产生迂回运动，生产周期长，不便于生产管理，模子表面硬度低，磨损快，模子使用寿命低，而且挤压出的型材表面易出现拉毛、划伤现象，氧化上色后表面易出现不均匀的光泽和挤压条纹。显然，这种模具加工工艺路线是极不合理的。为了改进，进行了大量的研究试验工作。在吸收、消化国内外先进设备和技术的基础上，结合近年来的研究成果，研制出了一套新的挤压模具加工工艺路线(图4—5—40、图4—5—41)。该新工艺路线与传统的工艺路线相比，简化了工艺，减少了工序和设备，缩短了加工周期，提高了模具的精度、表面光洁度和表面硬度，可大大提高生产效率和模具品质，提高模具使用寿命和使用质量，降低材料消耗和能耗，改善劳动条件和环境，降低成本，具有明显的经济效益。

　　3)修模新方法、新工艺的研究

　　近年来，挤压模具的维护与修理作为提高使用寿命的一种重要手段而被广大挤压工作者所重视，除了不断提高修模技巧以外，还就修模原理与修模方案设计、修模方法与修模工具等问题进行了一系列深入的研究。研究表面，即使用最佳的设计和最合理的工艺制造出来的模子，在试模和挤压过程中仍不可避免地会出现磨损失效问题。使这种失效降低到最低限度或尽可能延长模具使用寿命的最有效的方法是通过具有丰富的实践经验的修模工，在挤压生产的现场对模具不断地进行观察和分析，与设计人员一道制订修模方案，并采取有效的措施，对模子进行调整和修正。因此，挤压模具的修正，对提高产品品质，延长模具寿命，提高生产效率，降低成本具有重大的意义。现场修模的作用主要是：调整金属流速，修正尺寸，矫正形位，改善模具的表面状态，提高模具的使用寿命。在修模前应对模子工作带和工作平面等处进行仔细观测和检查，并用不润滑和正常的温度一速度规范进行试模，准确判断产生缺陷的原因，以利于确定最佳的修模方案。在修正模孔尺寸时，应考虑模孔弹性变化引起的尺寸变小；模孔下塌、尺寸超负差；模孔弹塑性变形和整体弯曲所引起的尺寸变化；金属填充不满引起的尺寸超负差；金属供流不足引起的中部尺寸超负差；流速不均引起的尺寸超负差；多孔挤压时制品长短不齐；设计或磨损引起的尺寸超正差等情况。在改变金属流动特征方面采用加速、阻碍、补焊、综合修理等方法取得了良好的效果。抛光工作带表面的修模方法主要研制了新法锉修；锉修 + 细砂布抛光法；布砂轮抛光法；挤压珩磨机抛光法；锉修 + 超声波二合一抛光法；锉修 + 超声波 + 电解三合一抛光法以及喷砂或喷丸抛光法等。此外在修模工具方面除了开发研制了异形金刚石组锉、喷丸机、二合一和三合一抛光机等外，还试制成功了多种电动修模器、显微测微器、多维测量机和X—Y，坐标测微机等，为修模创造了条件。

　　6．改进设备结构和挤压工艺条件，改善工作环境

　　工模具的装配与安装的方法和精度，所用设备的类型、能力和精度以及挤压坯料的成分、性能和规格，挤压工艺方法和工艺参数、工作条件与工作环境等直接影响挤压产品的质量和工模具的使用寿命。因此，在挤压前，认真拟订挤压方案，选择最佳的设备系统与坯料规格，制定最佳的挤压工艺参数(如挤压温度、挤压速度、挤压系数和挤压压力等)和改善挤压时的工作环境(如采用水冷或氮化冷却工模具、充分润滑等)，减轻工模具的工作负担(如降低挤压力，减少激冷激热和交变载荷等)，建立与健全工艺操作规程和安全使用规程，实行全面质量管理，及时分析事故原因和工模具失效原因并及时采用有效措施等，可保证有效地提高工模具的使用寿命。

　　7．合理使用与维护工模具

　　工模具的合理使用与维修对于提高其使用寿命有着重大的意义。合理的使用可大大改善工模具的工作条件和工作环境，减轻工作负担；合理的维修可大大提高中间寿命。因此，制订和执行合理可行的使用规程，提高生产工人的操作技术水平，使用先进的修模方法、修模技术和修模工具，把修模与氮化处理有机地结合起来，尽量采用大改小、小改大、废模复活、旧模翻新等措施，是大幅度提高工模具使用寿命的有效途径。

　　8．加强全面质量管理，建立健全工模具的科学管理制度

　　为了提高工模具的使用寿命，在采用先进技术的同时，还必须实行科学管理办法。作为科学管理方法重要内容的全面质量管理(TQC)，也同样适用于工模具管理，在实行全面质量管理时，必须把设计、加工、检验以及生产使用和维修人员组织起来，让每个人明确职责，做好本职工作，主动搞好工序间的配合，认真贯彻设计与生产过程中的各项规章制度和科学管理办法，积极推动PDCA循环向前运动，不断提高工模具的质量和使用寿命。采用实用模具管理软件，用微机联网动态管理所有工模具的设计制造、生产、修理和库存情况，使之经常保持良好状态。