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温锻模具冷却系统设计

不同温度下的塑性成形技术对模具的要求也是不同的。冷挤压时,因坯料与模壁的接触应力非常大,对模具进行充分的润滑是必不可少的,这也是冷挤压,特别是黑色金属冷挤压得以进行的必要条件,而对模具的冷却一般不予考虑。

在热锻时,模具的工作环境非常恶劣,除了要承受较大的载荷外,还要受到交变温度的影响。模具会因工件成形温度高而迅速升温,此时对模具进行充分的冷却是使模具维持正常使用寿命的必要条件一般情况下润滑较少考虑

温锻成形兼具了冷、热成形的特点,因此,温锻时不仅要考虑模具的润滑,也必须充分考虑模具的冷却。实践证明:温锻,特别是中高温温锻时,模具的冷却系统设计不合理或冷却不充分,将导致模具的早期失效。当温锻成形温度在600℃以上时若冷却不充分即使采用了较好的模具材料,在锻造加工高温、高载荷的连续作用下,也会导致模具,特别是凸模的回火软化,不能发挥模具的潜在寿命。

 

1.温锻模具的冷却方法

温锻时坯料的加热温度一般在800℃以下而且国内普遍采用通用型曲柄压力机进行成形速度较慢。从坯料入模至锻件成形一般需3-5s的时间模具的受热时间也相对较长温升就较快。这时若采用大量冷却水喷射冷却,势必造成坯料过冷,同时也会冲刷或稀释模壁与坯料间的润滑剂。使变形抗力急剧上升,温锻不能正常进行。再者,温锻往往与热锻不一样,一火加热后数道工序连续成形,如果冷却不当,至最后一道成形工序时锻件已低于终锻温度,甚至处于金属的蓝脆区域,会影响锻件的成形性能和力学性能。

在温锻时如何使模具充分冷却,又不使坯料过度降温这是设计温锻工艺和模具结构时必须认真考虑的问题。特别是在中高温温度下的温锻成形,模具冷却系统的设计显得尤其重要。

1.1凸模冷却方法

在成形模具中凸模因锻件形状和使用性能不同其结构可分为型腔式凸模(上模)和压入式凸模。

型腔式凸模的内形与凹模基本接近,其外形也相对较大可以参照凹模冷却方法在模具中布置循环冷却水槽。压入式凸模主要用于成形带孔的锻件或挤压件。凸模除了传递压力外,还起到控制金属流动的作用,所受的单位压力相对较高。受锻件外形尺寸和本身结构的限制压入式凸模的外形一般较小且呈轴杆形。若在该凸模上开循环冷却水槽会使其强度大大下降如果采用冷却水喷射冷却冷却水会顺势滴入凹模或直接滴在凹模内的坯料上使坯料过冷温锻无法进行。我们在设计温锻模具时,对压入式凸模采用了喷雾冷却。

冷却喷雾是冷却水和压缩空气混合而成的一种水汽,此装置安装在凸模上方,呈环形布置。当开模时,雾汽从若干个喷嘴喷出,对凸模进行冷却。它的优点在于:(1)冷却雾汽遇到凸模后在对凸模冷却的同时马上会蒸发,因此不会造成坯料的过冷。(2)通过调节汽、液阀门可以控制冷却水和压缩空气的比例,以达到最佳的冷却效果。(3)冷却喷雾通过铜管上若干个喷嘴喷出所以对凸模的冷却均匀,不会形成较大的温度应力,从而延长凸模的使用寿命。

1.2凹模冷却机构

凹模冷却机构是在预应力圈(外圈和内圈)的内壁开设若干圈环形水槽,并凿通竖槽和开通出水孔使水在外圈和内圈内部分别环绕数周带走凹模的热量再流入冷却装置。为了便于安装冷却系统并且不影响预应力圈的强度在设计预应力圈时,外形尺寸应根据实际生产中的经验进行调整,取推荐值的上限。

在温挤压时,冷却水由外圈的进水口注入,在压力的作用下经外圈环绕水道,到达内圈的下部水孔处并流入内圈水槽;在内圈,冷却水通过两圈环形水槽环绕凹模两周带走凹模的热量再通过内圈上部的水孔流回外圈水槽;经外圈水槽再次循环一周后,从外圈的出水口流出,经管道输入冷却装置,进行循环使用。这里值得一提的是,冷却水必须是闭路循环,即冷却水管道要保证封闭,由于冷却水通道是开在预应力圈上,在预应力圈压合后可以保证管道的密封性所以对于凹模冷却采用这种冷却水循环的方法是可取的。

 

2.模具冷却与模具寿命

在生产实际中,采用前述凸、凹模冷却装置的温锻模具在挤压材料为GCrl5,直径27mm、高度59mm的圆锥轴承滚子,成形温度在700℃,使用模具材料为3Cr2W8V时,启用冷却装置,模具工作数小时后,其温升不足100℃。经批量测试,模具的平均寿命可以达3x102件以上。而在同样的工况下,不启用凸、凹模冷却装置,模具在连续成形了数百件锻件后,凸模就出现了软化墩粗,而凹模则出现了模膛拉毛出模困难的现象。凸、凹模均早期失效。

值得一提的是,不同的模具材料开启冷却装置的时机是不同的。对于一些对温度特别敏感的材料,如高速钢Wl8Cr4V,W6Mo5Cr4V2等,在模具工作前必须先进行预热,预热温度一般在200℃左右。成形后模具温升至250℃-300℃时,再开启冷却水装置。否则,过早开启冷却水装置会影响模具的预热温度,成形时模具易出现裂纹。合理控制高速钢的预热和冷却时机,可使高速钢模具的使用寿命得到较大提高。

 

3.结束语

综上所述,温锻模具的冷却装置在模具设计时必须予以高度重视。对于不同材料和尺寸的锻件及不同的模具材料,应通过控制冷却水的水量、开启时机来调节模具的冷却程度,以最大程度地发挥模具材料的潜在寿命。