大型镶块式修边模具的堆焊工艺及应用

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1  引言 
    随着汽车、拖拉机工业的迅猛发展，大型覆盖件冲模的加工制造越来越普遍。由于这类模具的尺寸比较大，结构又比较复杂，尤其是修边模具，其韧口形状很不规则，并且受到制件形状及尺寸的限制，若采用整体制造，一般需要复杂的机加工和热处理，工艺复杂、周期长、成本高，一般用于大批量、相对稳定的产品。而堆焊镶块模具只需在镶块刃口部位堆焊，不仅大大节省了优质合金工具钢，而且加工工艺简化、周期短、成本低，因而应用越来越广。特别是研制新型较大冲压件产品时，镶块模具更具有无可比拟的优越性，是企业追求低成本、高效益的重要途经。用铸铁镶块替代整体锻造和热处理的合金钢镶块，即采用堆焊工艺在铸铁基体上堆焊出冲模铸铁镶块刃口，上述优点更为突出。本文在铸铁基体上进行了大型修边模镶块刃口的堆焊工艺试验，为正确掌握大型铸铁镶块模具的堆焊制造工艺以及对使用过程中损坏模具的堆焊修复奠定了坚实的基础，并对堆焊制造的大型修边模具和堆焊修复的冲孔落料模具进行了生产应用考核。 
2  大型修边模铸铁镶块刃口的堆焊 
    2．1 镶块基体和堆焊焊条的选择  4 P1 S7 D' `: h. p1 \9 |. v, o
    根据大型修边模的工作条件，刃口堆焊层金属应具有较高的硬度及合理的硬度梯度分布；良好的冲击韧性；较高的强度；高的耐磨性能和抗疲劳性能。堆焊层金属应具备“马氏体+（或马氏体+下贝氏体）+弥散分布的碳化物+少量残余奥氏体”的组织；合金须具备良好的空冷淬透性，并且能在基体组织上形成一定数量和合理分布的碳化物，以保证堆焊层有足够的硬度和耐磨性能；同时还应有强、韧化元素，以保证堆焊层有良好的综合机械性能。新型冷冲模镶块堆焊焊条（该堆焊焊条的合金系为CrSiMnMoV），镶块基体材料为普通灰铸铁。  ! G% n# F! ~ |/ A, p# r- a
    2．2 堆焊铸铁镶块刃口的结构 
    大型修边模具的结构比较复杂，凸凹模刃口的形状很不规则。因此，在设计模具时，要根据具体情况，正确处理各部位的结构。采用堆焊刃口的模具，一般是将凸模（兼起到制件在模具中的定位作用）设计成整体型式，凹模设计成镶块式。这样处理对模具的设计及制造过程非常有利。坡口的形式为倒45度角，当冲切板料的厚度t<1mm时，堆焊刃口边长t=6mm；当1≤t≤4 mm 时，堆焊刃口边长t=8mm.  # R# `$ ^. s1 U5 t/ H
    2．3 铸铁刃口基体的加工 
    对刃口基体的加工是按产品主模型及设计要求，首先制做出工艺模型，在工艺模型上做出刃口的形状。然后，按工艺模型仿制凸模上的全部形状及刃口，但刃口的周边要比制件的外形尺寸在单边上小1~2 mm。最后，在沿刃口周边上倒坡口，坡口的形式及尺寸按设计要求加工。凹模镶块基体的加工方法与凸模基体基本一致。首先将凹模镶块镶拼固定在上模座上，只加工刃口基体的内形，但内形尺寸要比制件尺寸在单边上大1~2 mm。然后，与上模的压料装置装配在一起后进行仿形加工。最后，在沿刃口周边上倒坡口，坡口的形式及尺寸按设计要求加工。 
    2．4 堆焊工艺及措施  ' m7 b* o1 L0 [2 I7 X
    堆焊过程中采取的具体措施如下：  1 q$ |9 X* F4 Y" P3 E5 Y5 o
    焊接电流电弧电压焊接速度堆焊层数层间温度 
    120A20V100mm/min4≤1000C  & r; x: j& H% \6 o$ U
    （1）彻底清除基体上待施焊部位的杂质及油污； 
    （2）堆焊时，采用直流电源反接，电流不能太大，否则母材熔化过多而导致堆焊层金属的韧性下降，一般焊接电流控制在120A；  % S3 [, m6 R6 a8 b) e6 [+ V
    （3）焊接速度控制在100mm/min，施短弧，弧长控制在5mm左右，不要采用多层连续焊，不易摆动，以免产生气孔等缺陷； 
    （4）焊层温度控制在不超过1000C，否则会使降低堆焊层的硬度；  * N: z! d$ j/ {- J; g
    （5）堆焊原则是一次堆满，不能出现刃口打磨后由于没有焊满而导致的补焊现象；堆焊层不能过高，否则，即浪费焊条和工时，又造成焊接变形过大；  : T( l _1 K2 k! G0 z, I
    （6）收弧时注意弧坑填满，每焊完一道趁红热状态用榔头锤击焊缝，锤打不宜重但要密集，以清渣和消除应力； 
    （7）焊接后在室温自然冷却。 
    2．5 堆焊后的加工  % ]" c3 v# g7 s- i
    堆焊完成后，用风动或电动砂轮对堆焊刃口进行初步打磨。然后，借助于样板精修凸模，当认为凸模达到理想状态后，按凸模配修凹模，并保证要求的冲裁间隙。如果具备条件，可以在数控坐标磨床上，靠程序控制精修凸、凹模。这样可以大大的提高模具的精度。 
    2．6 模具的修补 
    对于模具在使用过程中出现崩刃或损坏现象时，将其损坏部位用机械的方法（用风动或电动砂轮机）去掉一层，然后用新型冷冲模镶快堆焊焊条进行焊补。操作方法和焊接工艺与上述堆焊刃口时一致。焊接后经打磨恢复原样，再经适当精修即可。  $ U# l$ u3 x, N: B: E' J0 n
3  堆焊层金属的化学成分、硬度以及金相组织  * c! Z2 E( S* H9 z7 s
    从堆焊堆焊镶块外观看无明显缺陷，做断口分析未发现气孔、夹杂、未熔合等缺陷。堆焊层化学成分用美国DV-4型光电分析仪测试，测试结果表明堆焊层金属的化学成分满足铸铁镶块堆焊焊条所设定的化学成分。 
    堆焊层与铸铁基体熔合良好，互相渗透，结合强度较高。堆焊层金属的显微组织为马氏体+贝氏体+残余奥氏体+弥散分布的碳化物，该组织具有良好的耐磨性能。理由是铬与铁能形成固溶体，与碳形成多种碳化物，该元素明显提高了堆焊层的强度、硬度和耐磨性。而V、Mo等元素的细化作用使堆焊层晶粒较细 ,从而保证了工件的韧性及强度，钒对碳的亲和力比铁对碳的亲和力大得多，防止碳与铁生成渗碳体，生成的碳化钒弥散于马氏体基体上，使刃口具有一定的耐磨性却不致于抗裂性变差。此外少量残余奥氏体的存在，提高了堆焊层金属的抗裂性。过渡区组织为贝氏体+铁素体，其硬度虽有所降低，但硬度梯度分布合理，提高了堆焊层金属的抗开裂性能。  # @1 s* a+ V& f
4  生产应用考核试验 
    为考察所选堆焊材料以及上述堆焊工艺在实际生产中的应用可行性，并与传统堆焊焊条D322进行比较，分别选用新型冷冲模堆焊焊条和D322焊条，采用上述堆焊工艺在普通铸铁基体上进行了实际模具的堆焊制造和损坏模具的堆焊修复。结果表明，选用的新型冷冲模镶块焊条的堆焊工艺简单，堆焊过程中未出现堆焊层剥落和开裂现象，而D322焊条对堆焊工艺要求较高，在采用相同堆焊工艺的堆焊过程中出现了堆焊层开裂现象。  ( n, C6 V5 v6 f
    切边模冲孔落料模  1 t6 Z6 \% Q& ~: o
    使用时间6400小时5600小时  ! Y2 a3 S7 ] j7 e- u+ U
    加工零件25000件21000件  , n4 ~; _; G3 i) K9 h
    结果表明用本文研制的新型堆焊焊条在灰铁毛坯上堆焊制造修边模镶块是可行的，镶块的使用寿命与工具钢镶块的使用寿命相当，可达25000件，比用D322焊条修复的冷冲模的使用寿命提高30~50%。  ( q( W" b+ v4 d5 `) O b
5  结论  4 u+ U2 y3 ^ M2 r$ K
    （1）经实验和生产实践证明，以普通铸铁为基体堆焊制造修边模或修复损坏的模具，具有制造和修复工艺简单可行，工艺简单可靠，经济实用，明显优于传统工艺。使用寿命与工具钢镶块经热处理后的使用寿命相当，可达25000件，比用D322焊条修复的冷冲模的使用寿命提高30%~50%。 
    （2）采用新型冷冲模堆焊焊条在灰铸铁基体上堆焊制造模具和修复损坏模具时，堆焊层金属平均硬度约为HRC60，且具有良好的抗裂性能。