冲模材质、淬火硬度、制造工艺的搭配技巧
基于批量、寿命考虑的材质和硬度选择思路通常，设计人员对凸、凹模材质和淬火硬度的选择，是根据冲件批量、精度以及寿命来决定的。对凸、凹模的材质选择可粗分为三档，将碳素工具钢、低合金工具钢归为一类，如T10、T8A、9Mn2V等。将高合金工具钢归为一类，如Cr12Mo1V1、Cr12、Cr12MoV等。再将高速钢、硬质合金归为一类，如W18Cr4V、W2Mo9Cr4Co8、W6Mo5Cr4V2等。下面每档各举一例，说明材质、淬火硬度与对应冲模的选择关系。
2 采用凸模硬、凹模软的设计工艺技巧
有时，一味选择高档材质和高淬火硬度，反而很难满足冲件所需的精度加工要求。
例如电影胶卷冲孔模，一次冲压16个孔，上、下两排各8孔。精度要求在任意2孔之间或16个孔相互之间的间距公差，都小于2微米μm，即千分之二毫米mm，参照一般人的头发丝举例，也就是头发丝粗细的1/40那点微细公差，并且要求凸、凹模为无间隙配合，才能保证胶卷冲裁后无毛刺现象，达不到上述公差和间隙要求，冲后的胶卷会不合格，因电影放映时会抖动模糊，影响观看效果。
在微米制造公差和无间隙刃口配合的条件下冲16个孔，如选择凸、凹模都是高档材料，高淬火硬度的话，无论国产和进口设备都难有精度确保加工，即使有进口设备能达到上述的加工精度要求，也会因16个孔的加工效率和报废比率，使电影胶卷冲孔模价格高到难以承受的地步。
然而，采用凸模硬、凹模软的分步精冲制造工艺，就能解决这一难题。在低成本的加工工艺条件下，实现高精度、无间隙配合的电影胶卷冲孔模制造。
其中，凸模硬是指冲孔凸模采用W18Cr4V高速钢，淬火硬度HRc67。凹模软是指采用40Cr低合金结构钢，调质硬度到HRc28-30。40Cr含有Cr合金成分，精加工后表面不易生锈，也特别适宜做少量切削的精冲修整加工，可得到光洁的凹模刃口精冲表面。在采用电加工工艺加工凹模预冲孔后，用凸模分步精冲修光凹模孔，每次加工5丝左右精冲修光余量，经N道扩孔精冲修光后，达到凹模孔所需的尺寸和精度要求。
详见 图1A 分步精冲工艺制作的电影胶片冲孔模。
描述分步精冲的加工工艺概念很简单，但要用分步精冲工艺实际制造出合格产品，并不那样简单，因其牵涉到冲孔模整个加工工艺过程，牵涉到多门学科知识的集成应用。如对锻打、淬火、高温回火、定位基准面加工、电加工凹模预冲孔、分步精冲等，任何一个工艺环节脱离质量控制，都有可能否定分步精冲这一加工工艺的可行性。所以，设计的概念，不是简单画张图纸，标下制造尺寸和公差，而要集成模具材质、热处理、加工工艺等多门专业知识，设计质量控制的关键点，制定可供操作、检验的工艺规范，在实际生产中贯彻自检、互检的严格确认程序，才能使分步精冲的加工工艺，在紧扣各环节质量标准的共同努力下，最终达到理想的精度要求和实际使用寿命。
为使学习借鉴分步精冲加工工艺时不走弯路，特别对可能影响分步精冲工艺的关键环节，作重点的说明，以供参考。
2.1 冲孔凸模选用高速钢，兼顾硬度、韧性、防变形因素
冲孔尺寸以凸模为准，2微米制造公差能否实现关键点在于凸模，16个冲孔凸模由8块拼块组成(详见图1 B)。
拼合面除四紧固螺钉处受力外，其他面积部分可适当透空，既减少了研磨加工的有效面积，可提高加工效率，又便于控制小于2微米的制造公差精度。
凸模还要承担分步精冲调质硬度为HRc28-30的凹模孔，最后一道修光凸模与凹模一起提交用户使用。凸模是否刃口锋利和磨损对精度的影响敏感，故选择高硬度、耐磨性好的高速钢W18Cr4V做冲孔凸模，淬火硬度设置为HRc67。凸模淬火后即进行深冷处理，然后再作回火处理，经深冷处理的凸模变形充分，使之后的磨削、研磨加工，可忽略加工后再变形的因素，确保加工尺寸的稳定性，硬度也比不经深冷处理的更高一点。
只要掌控各道精冲的定位基准和修光余量，并把最后一道修光精冲凸模配对10副左右的凹模，一起提供给用户使用，就能从制造工艺上充分满足电影胶卷冲孔模的公差和间隙精度要求。
2.2 凹模选用合金结构钢，锻打质量事关修光效果
凹模选用40Cr材质，美国牌号;5140，日本牌号;SCr440，要想得到更好的调质质量，首先应重视凹模毛坯件的充分锻打。要合理选择坯料直径与锻锤吨位，如果坯料直径大，轧制时变形小，碳化物偏析就严重，碳化物颗粒也就粗大。要采用多向镦拨法，以锻透锻件中心的碳化物，使碳化物细碎且分布均匀，才能全面改善凹模材质的内部组织，就像多揉面团能增加韧性和柔性一样，充分锻打的操作工艺，能为以后分步精冲得到凹模孔光洁断面创造良好条件。
2.3 调质取决淬火和高温回火，温度控制的精准范围相当关键
淬火，40Cr材料淬火时，淬火加热温度精确定位点可选用AC3+10℃，这时能既保证充分奥氏体化，又使奥氏体晶粒刚处于细小状态，使淬火后得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。淬火加热温度精确定位点较难控制掌握，是否达到预期效果，不可能每件凹模都做金相分析，最有效的方法是直接检验凹模的淬火硬度，淬火硬度控制在HRC55～59范围为理想状态，若淬火硬度过分低于，说明实际淬火温度低于AC3的温度，此时40Cr材质尚未完全奥氏体化，存在部分尚未转变的铁素体，铁素体的硬度较低，淬火后铁素体仍保留在淬火组织中，会使淬火硬度达不到要求，影响调质凹模的力学性能，达不到凹模的理想冲压寿命。但，也不能过分保守提高淬火温度和保温时间，若取远高于AC3的温度淬火，则奥氏体晶粒会显著粗大，或在相变点上的保温时间过长，奥氏体晶粒也会长的越大，奥氏体晶粒粗大会破坏淬火后的凹模组织性能，对修光精冲断面和凹模寿命产生影响。
因此，要经多次严格试验后确定所使用的淬火炉温度表的取值范围，设计热处理操作人员的淬火操作行为动作标准，用读秒来规定操作规定动作的到位标准，并在工艺卡片上确认，从而达到控制淬火质量的最佳目标。
高温回火，通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。 目的在于消除凹模内应力，提高组织物理性能的稳定性，满足分步精冲的机械加工性能。回火时凹模件的摆放，要考虑加热的均匀性。为防止氧化脱碳，可在凹模坯料四周可填充一定量的铸铁屑，以达到防氧化的目的。
淬火和高温回火两道热处理工序都做好了，良好的凹模调质效果也就实现了，调质硬度的最佳值可控制在HRc28-30之间。
2.4 确保两平面一角尺，定位基准控制是一关键
分步精冲涉及电加工孔放余量是否正确、多道分步精冲修光的余量是否恰当。因此，凹模的定位基准加工，显得相当重要。
精磨对两平面一角尺的基准面后，电加工要以基准面为准，保证加工后均匀放对精冲加工的修正余量，可按每次5丝左右的分步精冲余量，分配到N道精冲加工后，达到最后的凹模孔尺寸。在每道精冲修光时，定位基准变得非常敏感，单边冲切会影响修光凹模刃口光洁度和满足设计精度的目的。
2.5 电加工放修光余量、分步精冲达到尺寸精度
机加工凹模外形后，凹模孔的反面加工透空孔，保留凹模的精冲有效刃口壁在3mm,对2×3mm凹模孔如何加工预冲孔，最简便可行的方法是采用电加工工艺加工对16个凹模预冲孔，可先在凹模孔中心钻冲油孔，然后用装夹16个电极的电加工装置，一次性加工对凹模预冲孔。
然后，用一组从小到大的冲孔凸模，每次放5丝左右精冲修光余量，分N次精冲修整加工，直到满足凹模孔尺寸和精度的需求。最后精冲对尺寸的凸模加工X副，每副凸模配以精冲的10副凹模的比例，成对提交客户使用。中间N道精冲修光的凸模，可在加工中不断重复使用。
当然，采用凹模软、凸模硬的加工工艺方案，并不局限于一种电影冲孔模上的应用。可以有更多同类型的应用。
如，对需要凸、凹模无间隙配合、外形又是非圆曲线的冲裁模，比方说为人物的侧面剪影的涤纶片冲裁，只要凸模按比例仿真加工对人物剪影，为确保凸、凹模冲裁中的无间隙配合，以利于涤纶片的冲裁分离，凹模可采用调质处理，设计成铆刀口的刃口形式，便于在冲裁中的对最佳间隙状态的按需修正加工。一旦刃口钝化或间隙大了不能保证顺利冲裁，可通过铆刀口的加工工艺，即在冲床上现场敲打间隙大的一面凹模刃口端处斜面，使凹模刃口变形后恢复成为无间隙的刃口配合形式，确保冲裁顺利进行。此方法的模具制造成本低，加工制造工艺简单，一次性试模成功率高，缺点是凹模的总体寿命不高，但可通过多加工几块凹模备件来弥补寿命问题。
详见附图2 确保凸、凹模为无间隙冲裁的铆刀口凹模形式。
又如，新产品试制，数量要求不多，零件尺寸可能改动，凹模软、凸模硬的工艺方案思路，也能帮助低成本制造简易模，凹模采用有硬度的钢片制作，可用线切割工艺加工对凹模尺寸，在钢片下面再垫以一块45﹟钢的淬硬垫板HRc45-50，起到衬垫凹模刃口的作用，就可对薄片零件进行冲压加工，也是一种凸模硬、凹模软加工工艺应用的形式。当然还可能有更多。
3 采用凹模硬、凸模软的设计加工技巧
3.1 小冲头、小间隙的凹模硬、凸模软设计理念
曾制作整体凹模的高速级进模，冲压材料是薄磷铜片，间隙很小，其中有小孔的冲压，会碰到冲孔废料回跳造成叠片冲压等现象，使刚性强度稍差的小冲头易与凹模发生碰刃口的损伤。其中，尤当凹模发生崩刃口时，损失最大，因为，要磨去0.5 mm凹模崩掉的刃口缺口的话，可能几十万冲次的模具寿命也就磨掉了，损失巨大。
因此，如何对这类有问题隐患的冲头和凹模的保护，就显得大有学问所在。根据冲头和凹模意外咬合两害取其轻的思路，应首先保护凹模不要被损坏，让损坏发生在冲头一方，因调换一个冲头相对简单，不会因此影响模具的整体寿命。
所以，在满足高速冲压的条件下，对小间隙的小孔凹模应选比冲头高一档材质和淬火硬度，例如冲头为Cr12，凹模可取高速钢，淬火硬度HRc67，强度和耐磨性比冲头要更高，优先保护凹模不至于受损坏，并尽可能选用凹模为镶钢珠凹模的结构形式，镶钢珠凹模的好处是，即使镶钢珠凹模材质不是高速钢，镶钢珠的形式也便于调换损坏的冲孔凹模，避免凹模崩刃口要整体磨薄凹模的折损寿命的尴尬。
此类冲孔凸模可相对选择比凹模低的淬火硬度，例如HRc58.以便在小间隙的意外碰撞咬合中，损坏较容易调换的冲孔凸模，调换冲头相对比较方便。
正确的凸、凹模材质、硬度选择，可方便模具的制造维修，有效延长模具的实际使用寿命。
详见图3 镶钢珠凹模、更硬材质的凹模寿命保护措施
3.2 重载拉深中的凹模硬、凸模软设计理念
曾制作不锈钢洗碗机内胆拉深模，在拉深不锈钢材料中易出现拉深粘模现象，虽可在易粘模的R圆角处涂润滑油缓解粘模现象，但，采取这种措施会给后道工序的清洗增加难度和成本，不加润滑油又会加快引起模具粘模的失效损坏。
避开拉深是否应该使用润滑剂的讨论，单就模具工作部件的粘模发生的起因，看如何采用凹模硬、凸模软的设计理念，解决粘模磨损失效的可行性。
拉深初，凸模圆角半径处的板料被弯曲拉伸并作微小的相对运动，摩擦力会使凸模圆角半径处受到磨损，之后材料与凸模的相对磨擦运动大大减弱，摩擦力变得很小，所以，拉深凸模的磨损失效因素相对较小。
但，在整个拉深过程中，凹模圆角半径R处，尤其凹模型腔圆弧R弯角处的端面以及压边圈的相应部位始终与不锈钢拉深板料作剧烈的摩擦运动，(详见图4凹模拼块格子影表示部分)在凹模的型腔圆弧R弯角处拉深材料要发生起皱褶、压平、变薄拉深的多重复合变形，使凹模该处的压应力和摩擦力相对极大，极易产生粘合磨损现象。
为防止拉深模的粘附磨损失效，关键要在凹模的型腔圆弧R弯角处，提高凹模表面光洁度、淬火硬度以及耐磨性能。使拉深模凹模的型腔圆弧R弯角处不易出现粘附磨损，避免拉深模的粘模磨损失效。
因此，大的拉深模凹模可设计拼块结构，对易产生粘模磨损的凹模型腔圆弧R弯角处的凹模拼块，最好采用高一档的高速钢材质做凹模拼块，直线部分的凹模拼块和凸模拼块，采用Cr12高合金钢即可。
详见附图4 拉深易粘附磨损部位用更耐磨材质拼
又如，衣服钦纽的拉深级进模，凹模采用硬质合金，有效解决凹模的粘附磨损问题。凸模采用高速钢、或Cr12MoV合金钢，且凸模在固定板中的安装模式采用浮动式，即凸模的轴向没有松动，凸模的径向有几丝间隙的任意浮动，起自动导向最佳拉深间隙的作用。凹模比凸模更硬一档，有效解决拉深凹模粘附磨损的问题。
上述是拉深模中的凹模硬、凸模软的设计理念，这种硬与软都是对凸、凹模相对而言，软，并不是不淬火的软，硬，只是为避免粘附磨损，提高一档材质的硬，使凹模在重载拉深中更具耐磨性。 taihaola !
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