铍铜合金在汽车冲压成型模具上的应用(东风商用车)

1前言

在正常冲压作业环境下，车身覆盖件模具的主要失效形式是：模具表面黏结形成积瘤，划伤冲压件表面，频繁打磨丧失型面精度。在汽车的使用过程中，车身锈蚀先从拉毛划痕开始，尤其对一些骨架件或加强板件而言，划痕处的应力集中是导致破裂的主要原因之一。为了提高覆盖件质量，维修钳工不得不研磨模具表面除去积瘤，并且需抛光产品表面划痕。而频繁抛光打磨，既破坏了最初的模具形面，又降低了生产效率，最终导致冲压件精度降低，模具过早失效。

近些年，随着产量的增加，产品质量的不断提升，纵梁表面的拉毛拉痕问题，显得越来越严重，在生产时需要多次抛光处理，模具损伤严重。

车身厂纵梁拉痕数比例达到100％，覆盖全部产品，最深处拉痕为0.2毫米，拉痕密度为80条/米，拉痕高度布满整个侧壁，生产中为保证产品质量，模具需要多次的抛光处理仍难以满足产品的要求，拉毛痕迹较深的还需要打磨处理，这样不仅效率低下，辅料消耗大，而且产品质量难以保证。

2现状分析

2.1冲压件由冲压模具冲压成型工件在引伸（拉延，拉伸）、弯曲、翻边等成型过程中，很容易出现工件面的拉伤问题

汽车梁类零件往往由较厚的钢板制造，另外出于安全和节能的考虑，汽车零件越来越多地使用高强度（高张力）钢板，无论厚料板还是高强度钢板，其冲压成型的模具都承受极高的成形应力，工件表面拉伤问题更是严重。工件表面拉伤，模具表面也会出现拉伤，此时如继续生产，一方面工件表面质量进一步恶化，另一方面，工件可能会出现拉裂现象。解决问题的方法通常是停机对模具表面进行修磨、抛光，如此反复修磨使模具尺寸发生变化。因此拉伤问题的出现会带来以下问题：
难以满足批量连续生产的要求，降低生产效率，增加劳动强度，降低模具寿命和被加工产品尺寸的一致性，影响了产品外观，降低产品品质。

实践表明，在没有采取其他方法的情况下，由钢铁材料制作的模具用于钢铁件的成型，当成型力摩擦阻力较大时，无论模具如何热处理或淬火硬度有多高，拉伤问题无法避免。

2.2拉伤的实质及解决措施零件成形过程中拉伤产生的原因主要有以下两种，第一种是由于模具凸、凹模表面的宏观机械凹凸不平或被成形材料与模具凸、凹模面之间夹杂其他硬质颗粒，都会在零件表面或模具凸、凹模表面形成机械的磨损，解决方法是对模具凸、凹模表面进行仔细研磨加工，并加强生产环境的管理。第二种是由于零件表面与模具凸、凹模表面粘着磨损而形成的拉伤，也是生产中最常见的又不容易解决的一种状况，以下详细分析粘着磨损的产生及减少粘着磨损的一些基本措施。

零件成形时，模具凸、凹模与被加工材料表面相互接触并相对滑动，组成一对摩擦副。
由于材料表面不可能是完全平整的，总存在可以测到的粗糙度，所以真正的接触只发生在微观接触面上。分析表明，微观真实接触面积只是名义上的几何接触面积的一个小部分，在此微观接触面产生很大的机械应力，这些应力由于切向相对运动还会加强，以致受到负荷作用的粗糙面凸峰发生弹性或弹塑性变形，这样磨擦副双方表面的吸附层或反应层会遭到破坏，结果使暴露在表面的原子键联结或多或少地得到了加强，这种现象称为粘着作用（冷焊）。

当摩擦副发生相对运动时，这种原子键又会相互脱开，原子键脱开并不一定都在原始微观接触处断开，而有可能在摩擦副双方表面层附近断开，其结果是材料从磨擦副的一方转移到磨擦副的另一方上去，这就是所谓的黏着磨损。实验证明，出现黏着磨损的磨擦副的表面非常粗糙，并有拉伤，其程度与法向力、磨擦副之间相对运动速度以及温度等负荷参数有关。
当以上负荷参数超过了临界值时，粘着磨损突然加剧，出现所谓胶合现象，极端情况磨擦副间的相对运动停止，出现咬死现象。由上分析可见，零件成形时表面出现拉伤或咬死现象就是黏着摩损所引起的结果。

3主要做法

拉伤问题的实质是由于工件和模具表面局部出现黏着（或焊合，咬合）的结果。要解决或改善拉伤问题可以有很多种方法，其基本原则是必须改变模具与被加工零件这对摩擦副的性质，使摩擦副由不易粘着的材料代替，具体方法可以是：第一改变模具材料或对模具进行表面处理；第二对被加工零件的原材料进行表面处理（如磷化）；第三在模具与被加工零件之间加一层其他物质，使被加工零件与模具分离（如加大润滑或加特种润滑剂或加一层PVC之类材料）。

模具材料方面，硬质合金是大家公认的耐磨抗咬合材料，但该材料加工困难，成本高，由于烧制大型硬质合金困难，大型模具无法成型，所以大型汽车配件模具很难采用该材料。

模具表面处理方面，目前国内应用较多也是较熟悉的是各类氮化和镀硬铬，这两种表面处理方法的抗拉伤性能较高，但由于表面硬化效果有限，HV仅有1000左右，表面硬化层磨损后拉伤又会出现。此外，镀硬铬的镀层与模具母材机械结合，在成型力较大时容易脱落，而镀层一旦脱落抗拉伤性能也就失去。所以氮化和镀硬铬在汽车覆盖件上虽然有应用，但其效果是有限的。PVD或PCVD的镀层如镀钛层也具有良好的抗拉伤性能，由于镀层硬度可以高达HV2000-3000，甚至更高，因而也具有优异的耐磨性能，只是镀层与母材结合力较差，在拉伸类模具上使用时很容易使镀层脱落，发挥不出其抗拉伤和耐磨的效果，有时根本就无效果，所以这类技术在成型类模具上应用也很有限。

通过对成型类模具进行TD覆层处理，一般情况下也可以解决模具表面的拉伤问题，该技术在生产中应用需要较长时间的周期，对于我厂大批量生产的模式，普遍采取这种方法会有一定的制约。

通过以上分析对比，我们决定采取一种铍铜合金材料（CB-2H），取代模具上原有的T10A的材料。

车身厂现用的模具材料是T10A优质炭素工具钢，一直使用多年，该材料具有良好的耐磨性及韧性，但摩擦系数、自润滑性、导热性差，纵梁在模具拉延成形，被挤入型腔的瞬间由于摩擦大量生热，因为导热性无法及时将热量传导，降温，导致纵梁材料受热，脱落，在镶块表面粘接、冷焊，产生积削瘤，这种硬的质点是导致拉痕的主要原因，随着积削瘤的越来越多，拉痕深度、长度将越来越大。

经分析，同传统使用的优质炭素工具钢材料相比铍铜合金有以下优点：

1、摩擦系数低（0.006-0.01，远远低于优质炭素工具钢），极大地减少了工件与模具摩擦产生的热量，提高了模具的使用寿命和产品表面质量。

2、热传导性能好：100W/m.K-110W/m.K(22℃-300℃)。可以保证工作中整体模具温度分布均匀，不会因局部高温使模具产生裂纹，也不会使被加工产品表面出现冷焊、脱痕及起皱现象。

3、机械加工容易，硬度高，不用热处理（毛坯出厂硬度为HRC42－48°左右），避免了后续的热处理变形。

耐磨、耐蚀、光滑、延长模具使用寿命。铍铜合金材料，可以有效地解决板料成形时由于积削瘤堆积而产生的拉痕问题。

T10A与CB-2H综合性能比较

4铍铜合金模具的维护和保养

4.1模具表面清洁

每冲压1500～2500件，用专用的清洗液冲洗模具工作表面，除净油污、铁屑和砂粒等异物，用压缩空气吹干.

5.2抛光模具表面

铍铜表面经过1500～2500次拉延作业，表面会发现轻微黏结点，产品表面有细划痕，作业完成后，用超细油石（800～1200目）轻推这些有手感的黏结点，直到手感光滑不发涩为止，油石抛光时最好沿走料方向反复推切忌用粗油石或砂砖、砂轮抛打，否则会破坏周围正常的光洁表面。

这些细小的黏结点或黏结线，实质不是上述真正意义的冷焊黏结现象，铸件精加工后有细微的凹坑，坑的边缘像一把刀刃，材料在模具曲面变形区受挤压挤入凹坑，流动时微孔口边缘铲下一层，再冲压再铲一层，直至填满微孔，凸出微孔口缘，状如积瘤，大到一定程度被板料带走，因此这些小凸点不会有过大的，所产生的划伤约为0.02～0.04mm。

4.3钢板表面清洁

从钢板开卷下料到冲压作业现场，要优化物流环境，每天擦洗地板，防止灰尘污染；板料使用的器具托盘等定期清洗；存放板料垛用专用防尘罩覆盖、遮蔽，转运料垛用塑膜包封。

4.4冲压润滑

适当润滑是必要的，尤其是人工送取件冲压线，冲压润滑取决于冲压件结构、材质、压力机速度及板料清洁程度。自动冲压线用板料经过冲洗涂油则另当别论。硬质颗粒一旦划伤模具，再好的润滑油膜也不能阻挡拉毛。铍铜合金材料能减轻润滑频次，同等润滑条件，产品表面无需抛光。

6结论

汽车覆盖件冲压作业是整车制造四大工艺之一，是车身制造中的首要环节，冲压件质量水平奠定了车身质量的基础。铍铜合金材料广泛应用于由于各类磨损所引起的模具与工件或工件与工件之间的拉伤或磨损超差的问题.其中因咬合或黏结而引起的拉伤或拉毛问题，铍铜合金目前是解决梁类零件的最好的解决方法之一.
因磨损而引起的工件尺寸超差等问题，采用铍铜合金材料后，减少了模具抛光频次提高使用寿命上十倍是很正常的.工件拉伤问题是粘着磨损结果，解决工件拉伤问题的方法较多，应根据情况具体予以选择。一般情况下，采用TD覆层处理和采用铍铜合金材料是解决工件及模具凸、凹模表面拉伤问题最有效最经济的方法。