摘要：不锈钢制品精美大方, 经久耐用, 在轻工、化工、民用、国防工业等部门获得广泛应用。但由于我国在这一领域起步较晚, 不锈钢制品拉伸模具材料一直沿用合金铸铁、球墨铸铁或合金钢等。这些模具材料与不锈钢有较大的互溶性, 容易在制品与模具之间发生粘着, 轻则降低模具寿命, 在工件表面产生滑痕划伤, 不仅严重影响不锈钢制品的表面质量, 而且提高产品的抛光成本, 重则使工件拉坏报废, 甚至有时由于工件与模具之间剧烈摩擦, 还会在工件与模具之间发生冷焊现象, 使模具报废。
关键词：铜合金模具材料；不锈钢；厚板冲压成形；
中厚板不锈钢冲压成型工件表面擦伤和模具寿命低等问题也随之而来, 成为困扰铁路货车制造企业的技术瓶颈。工件因表面擦伤质量无法保证, 模具因表面磨损寿命急剧下降,传统的冲压加工技术在不锈钢材料面前无所适从。究其原因, 一是不锈钢板材的冲压成型性能有别于普通的碳钢材料; 二是基于长期应用钢模的成功经验, 阻碍了技术人员在新型模具材料应用方面的视野; 三是面对较为昂贵的铜合金模具材料, 对其性能知之甚少, 甚至存在技术误区。
一、铜合金模具材料的特性
传统钢质模具材料由于其导热性差、耐磨性差,无法满足高品质的不锈钢成型和注塑成型, 铜合金模具材料正是在这样的技术背景下出现的。目前, 在欧美、韩国、日本等发达国家, 铜合金模具材料得到了广泛应用, 近年来我国轻工家电业、汽车制造业也开始尝试应用铜合金模具, 在提高成型件表面质量方面取得了较好的效果, 但诸多业内人士对铜合金模具材料的特性了解不甚全面, 影响了该材料的进一步推广应用。铜合金模具材料是以铜为基体, 适量添加铍、铝以及其它稀有金属元素和耐磨元素等, 分铜合金模具材料的热传导性能远远高于钢质模具材料, 良好的散热性可以避免因板材变形而产生的局部瞬间高温, 从而消除了工件和模具之间的冷焊擦伤现象。摩擦系数远远低于钢质模具材料, 极大地减少了工件和模具之间的摩擦损伤。铜合金是一种不需要热处理的可切削加工材料, 不存在热处理变形的问题。切削时宜采用合金刀刃加工, 速度比钢质材料低一些。精加工后, 表面镜面处理采用布轮抛光即可。铜合金模具材料的抗拉强度、硬度、冲击韧性等机械性能指标与钢质模具材料相比, 要低一些, 这正是多数技术人员选用时的疑虑所在。在设计选用钢质模具材料时, 强度、表面硬度是2 项非常重要的指标, 这是基于对钢质模具材料的传统认识。钢质模具的高强度、高硬度在某些工况下, 尤其是用于不锈钢成型时, 并不能解决工件大擦伤和模具寿命低的问题, 这是由于其抗咬合性差、导热性差造成的。实践证明, 抗拉强度在450～650 MPa、硬度在HRC42～HRC48 之间的铜合金模具, 完全适用于厚度10 mm以下、屈服强度在450 MPa 以下的中厚不锈钢板材冲压成型。铜合金模具材料用于中厚板不锈钢件的拉深、起伏成型、折弯等容易出现擦伤的工序中, 其良好的散热性、超耐磨性、超低摩擦系数, 除了能保证工件表面质量外, 在成型过程中能够减小板材成型流动阻力, 有效减小工件裂纹和起皱的趋势。通过同工况的对比试验, 铜合金模具比钢质模具的寿命至少提高3～7 倍。另外, 对于复杂的多工序拉深成型件, 采用铜合金模后可以明显减少拉深次数, 对于同一种多工序拉深工件, 与采用钢质模具相比, 拉深次数可以减少20%～30%, 从而达到提高工效, 降低生产成本的效果。
二、铜合金模具材料在不锈钢中厚板冲压成形中的应用
1.模具结构及工作原理。模具采用2 个对称布置的导向装置，压型凸模通过凸模座固定在上模板上，压型凹模则与下模板用止口定位，用凹模压板固定在下模板上。
该套模具的压边采用弹簧箱体组成来完成，箱体自成一个可独立折卸的组件，箱体内有2 个对称的小导柱导套装置，以保证被压缩时不会错位，靠卸料螺钉将个弹簧预压并装配在一起，弹簧箱体的前后面还装有用橡胶板制成的安全挡板，防止弹簧碎裂后崩出伤人。此外在凸模座内还装有均布的顶料装置，每个顶料装置都有弹簧、弹簧压盖及推件杆，推件杆通过凸模的孔露出表面。模具的工作原理: 将圆坯料放在凹模表面靠挡定位，开动机床后压力机滑块开始下行，上模组成中4 个推件杆最先接触坯料并被压缩，接着压边圈开始接触制件，同时弹簧箱体下表面压住限位块，随着上模继续下行，压边圈不再发生移动，弹簧箱体内的弹簧不断被压缩而提供出压边力，接着凸模接触坯料上表面，并一点点将坯料压入凹模，当制件从凹模型孔中穿过后就完成了制件的拉深成形。这时制件在推件杆的作用下从凸模上退出，掉在接料板上，滑块开始回程，整个工作过程结束。
2.技术难点。( 1) 凹模设计根据业内经验，如果凹模采用常用模具钢制造，不仅制件表面非常容易擦伤，而且凹模的寿命也会降低。为此选择铜合金模具材料制做凹模，而铜合金模具材料具有良好的散热性、耐磨性及极低的摩擦因数，在成形过程中能减少材料成形流动阻力，同时也可以有效地减小工件裂纹、起皱的趋势。由于铜合金模具材料价格昂贵及其加工性能特点，凹模结构要尽可能简单、紧凑，避免在基体上设置螺孔，机加工完成后要对其工作表面进行镜面抛光，装配方式是用压板将凹模固定在下模板上。(2) 在设计凸模座及凸模之间的推件装置时，确定好弹簧力量至关重要，在初始设计时要留有余地，因为T4003 与凸模间非常粘滞，如果弹簧力量不足，则工件将粘在凸模上不易脱落。当然，顶件力也不能过大，否则会在制件表面顶出明显印痕，影响产品质量。
3.铜合金模具镶块结构设计。铜合金模具材料用于中厚板不锈钢件的冲压成形是可靠的。由于铜合金模具材料相对较为昂贵，因此，没有必要将所有模具工作部位均采用铜合金材料，宜采用镶块式结构，一方面可以降低首次模具制造成本，另一方面可以降低模具易耗部位的维护成本。对于拉伸、折压以及起伏成形，只需要将凹模工作部位采用铜合金材料。这是因为，对于常规成形模具而言，因凹模圆角处是关键承力部位，约束成形过程中的板料流动和迫使板料成形，因此受挤压力和摩擦力最大，而凸模的作用则是被板材包容而使工件成形，完全可以采用普通的钢模制造，这样既充分发挥了铜合金材料的优越性能，同时降低了模具制造成本。压嵌式镶块结构主要用于回转件拉伸成形模具，如圆筒形拉伸件、圆锥形拉伸件、半球形拉伸件等。凹模为圆环形回转结构，外部的固定压套采用钢质材料，配合采用过渡配合。嵌套式镶块结构的优点是镶块易于车削加工，尺寸精度高。通过外部的固定压套的紧密配合，可以有效提高铜合金凹模的抗压强度，定位安装准确、方便。紧固式镶块结构主要用于非回转件拉伸成形模具，如盒形件及非规则拉伸件等，具体结构件如图2所示。在铜合金镶块上加工紧固螺钉孔，螺孔到镶块边的尺寸应不小于孔径的2．5～3倍，镶块的外侧需用止推承载面定位，以提高铜合金凹模的抗压强度和定位精度。
铜合金模具材料用于中厚板不锈钢冲压成型是完全可靠的, 除了能够显著提高工件的外观质量, 模具的使用寿命也明显得到延长。当前, 随着国内铜合金模具材料生产技术的成熟, 其较高的性价比愈来愈得到冲压业内人士的青睐, 在冲压成型模具中科学合理地使用铜合金材料, 能为用户带来可观的经济效益。
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