高强度的金属加工成形工具

Liuhefei

没有高强度的钢材．就没有高强度的刀具
如果人们遇到“钢材”这个词汇，就如同遇到了“高强度”这个词汇。市场上，尤其是汽车工业，对于高强度钢材的需求越来越强劲，并需要更好的性能和经济性。但是，加工过程中产生的磨损却比较严重。加工高强度钢材的常规刀具的使用寿命需要多长？尽管这些刀具表面通常都有昂贵的涂层，但是其使用寿命却不够长。直到使用新式的工具钢才能确保刀具拥有比较经济的、较长的使用寿命。例如，经过热处理之后刀具上的“集成式涂层”还能继续用于加工。
& A5 f' f) C, N$ ^1 P为了不断减轻汽车重量就要对刀具制造和车辆的生产过程提出越来越新的要求。金属加工需要使用新的高强度材料和创新的刀具方案、从而实现可控的、物美价廉的生产流程。例如，如果人们对比新旧两代Volvo S40轿车所使用的高强度钢板的比例，就能很清楚地明白这一点。上一代的S40轿车总共使用了36.4%的高强度钢板，其余的都是常规的钢板。尽管新一代的S4O轿车中高强度钢板的使用比例降低为31.3%，但是使用的超高强度和特高强度钢饭的使用比例却达到了22.8%。也就是说，新一代S40轿车所使用的高强度钢板的比例总共已经达到了54.1%。不过需要指出的是，到目前为止对于高强度钢板和特高强度钢板还没有一个统一的定义。最常见的定义就基由Volvo汽车公司和SSAB联合发市的标准，根据这个标准高强度钢板的强度应为340～60OMPa，超高强度钢饭的强度应为600～800MPa，特高强度钢板的强度至少应为800MPa。加工这些钢板就意味着面临许许多多新的挑战。为了能够加工新的高强度钢材．首先就需要在压机上施加更高的压力，并相应改变刀具的设计。同时还要提高刀具的“进给”速度，以便减少工位的数量，提高经济性。另外还要减少“危险”的润滑剂的使用，或者干脆完全停止使用润滑剂。

8 d( v# `1 n. |. V在金属成型加工工具方面投入的资金通常超过了工具所属的机床方面的投资．在对高强度钢板进行成型加工的时候，只要进择了正诵的工具材料就可以较好地降低成本。当人们认真考虑成型工具的时候，就需要大幅度提高摩擦力、切削力和成型加工力．这样就会在成型加工过程中对常规钢村产生很高的压力。统计一下刀具用钢材的使用情况就可以发现，最近十年来主要使用的是1.2379钢；质量要求较高的场合可以使用粉末冶金，最常用的就是1.3344PM。但是这两种材料能否比较经济地加工高强度钢板呢？
答案很复杂，需要考虑加工批量和零件几何尺寸之间的关系，因为高强度钢材对刀具制造提出了新的要求，也就是需要一种容易成型的创新性材料涂层能够延长刀具的使用寿命，只有通过不断“调试”刀具才能够获得刀具、润滑剂和工件材料之间更加匹配的新“系统”。尽管这种系统能够用于很多场合，但是却不能作为广泛便用的问题解决方案。即使在大众高尔夫里面安装最新的发动机也不可能赢得F1方程式汽车比赛，因为这部车永远都是大众高尔夫，永远都不可能变成赛车，尽管大众高尔夫无疑是所在级别当中非常优秀的车型。谈到超高强度钢板和特高强度钢板成型加工的时候，就好象谈到刀具制造业的F1比赛。
另外需要说明的是，涂层在任何时候都只能作为提高刀具性能的优化手段，而且涂层的制作过程需要额外增加比较大的投资。市场上当然还能提供不需要涂层的刀具材料。例如瑞典刀具生产商Uddeholm公司(www.uddeholm.com)利用这种不需要涂层的材料生产的“Vaneron 40”刀具可以成倍提高加工过程的总体经济性，因为除去旧涂层、打磨、抛光、制作新的徐层等过程会产生额外的费用。
  H- H: a+ @' u7 i% a1 M刀其生产商应对新的要求的时候能够提供哪些可能性呢？用于加工高强度钢板的标准钢材1.2379(D2)有两个主要的故障原因：冷态堆焊(积屑瘤，附着磨损)和切削刃崩裂(疲劳破损)。不过有不同的解决方法。针对不同的情况必须制定合适的加工方法，因为诸如零件复杂性、加工批量、刀具尺寸以及其他决定性因素都会影响刀具。在这一点上应该提供其他方面的支持。
: S8 Q2 Y# @; X4 D; ?, r如今，借助于诸如PVD、CVD 或者TD的涂层技术可以控制冷态堆焊的产生，因为在有涂层的情况下刀具表面和工件材料之间的摩擦可以得到减小。这种技术的缺点在于不能加工任意几何尺寸。另外——正如已经提到的需要对涂层进行“维护”，这也会产生较大的费用、因此需要开发一种不需要涂层的钢材。
2 w' O7 p- m1 d& I% t
避兔喷溅现象．冲压夸曲工作的特性参数经常作为衡量工具钢抵抗喷溅现象产生的反力的标准。本图以四种工具钢为例：橙色为Caldie，深蓝色为Vanadis 4 Extre，灰色为Vancron 40，淡蓝色为常规工具钢1.379。横轴坐标为洛氏硬度，纵轴为冲压弯曲工作反力。刀具金属中将集成硬质材料
1 J: X* i6 d, K# @. C. t, f& Y人们现在谈到了一种集成的涂层。其思路是在生产粉末冶金材质工具钢的时候单独增加一道加工工序，在工具钢里面加入氮元素，其作用和碳元索类似。这样可以得到碳氮共渗体，而不是碳化物；与碳化物相比，其优点在于这神材料具有了一种“陶瓷性能”，硬度更高，抗附着能力也更强。同时这种材料还具有一种与涂层类似的特殊的表面特性。由于这种特殊的表面特性，润滑剂可以更好地附着在刀具表面，并减少附着磨损的产生。许多实验都已经验证了这种材料的效果，其应用范围可以从特高硬度钢板一直到非常耐磨的镍质冲模。添加了集成徐层的刀具材料不仅可以降低成本．还具有很多其他的优点。用这种材料制造的刀具在热处理之后还能改变的尺寸(而常规涂层不允许在热处理之后再进行尺寸加工)，并且还能对其表面进行抛光，从而提高表面质量。此外，集成涂层不会崩裂，因此也不会中断生产。
: `- r3 S% M7 a1 V3 y
/ c1 f$ J0 A( j  c: r良好的结果：钣金件的实例，Herzing+schroth公司(www.herzing-schroth.de)生产的双作用离合器(左图)，Wemers Schmid公司(www.wemers-schmid.de)生产的压力表外壳(中图)以及油箱装填物(右图)，目前的工具钢不仅典有较高的品质保证加工量和良好的可制造性而且还能够确保工具的磨损最小化。利用刀具基材表而的疲劳现象可以减少切削刃的崩裂。这也是为什么常规涂层并不能单独解决加工高强度钢板时产生的所有问题的原因。基材的特性具有决定性意义．这样才能使整个刀具达到较高的延展性和抗压强度。接下来才是刀具的耐磨性，耐磨性对于大批量生产具有很重要的意义。因此．就刀具材料角度而言我们目前找到了两个解决方案。如果仅仅是与延展性问题相关，那么Uddeholm 公司利用“高压电熔炉渣工艺”(DESU)生产的一种名为“Caldie”的材料是解决这类问题的首选。这种金属的延展性比低合金度的粉末冶金钢要高。生产商可以通过改善钢材的化学化合过程来达到较高的延展性。从冶金学角度而言、Uddeholm公司的Caldie材料是一种工具钢组合。这种材料当然要有较高的耐磨性。在这一点上，两种方案都已经做好了准备，将现有的“Vanadis 4”钢材继续开发为代号为“Vanadis 4 Extre”的钢材。这种材料具备了适用于高强度钢板成型加工的特性组合。这种工具钢具有很高的延展性、很好的抗压强度和轻微的磨损；不仅仅具有较高的强度，而且在许多特性组合方面都具备优势。
$ h" J, E8 p1 A6 b4 c4 L两种钢材都可以进行涂层加工，这样就可以满足不同特殊的技术要求。由于考虑到可以使得材料具有较高的疲劳强度，因此涂层加工依然具备较高的总体经济性。
; i( x( b. z3 t0 A5 W5 ~+ Y. w3 S总而盲之，技术先进的成型加工工其钊造商可以尽可能地满足“加工高强度钢材”的设定巨标，在这个过程当中——通常是与钢铁企业合作——可以为不同的应用场合提供完整的材料解决方案。
文章关键词： 金属加工 材料