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            影響五金沖壓模具壽命和沖壓產品質量的主要因素

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            影響五金沖壓模具壽命和沖壓產品質量的主要因素

            作者:沖壓產品 來源:五金沖壓模具 點擊:

            模具的使用壽命與模具結構設計、模具鋼材選用、熱處理、表面處理、機械加工研磨、線切割工藝,沖壓設備、沖壓材料及工藝,模具潤滑、保養維修水平差等諸多因素有關。其中引起模具失效的各種因素中,模具結構不合理、選材不當約占25%,熱處理不當約占45%,工藝問題約占10%;設備問題、滑潤問題等因素約占20%。

            1.合理的模具結構設計模具結構對模具受力狀態的影響很大,合理的模具結構能使模具工作時受力均勻,不易偏載,應力集中小。模具設計的原則是保證足夠的強度、剛度、同心度、對中性和合理的沖裁間隙,并減少應力集中,以保證由模具生產出來零件符合設計要求。因此對模具的主要工作零作(如沖模的凸、凹模等)要求其導向精度高、同心度和中性好及沖裁的間隙合理。在進行模具設計時,應著重考慮的是:

            ①.設計凸模時必須注意導向支撐和對中保護。特別是設計小孔凸模時采用導向裝置結構,能保證模具零件相互位置的精度,增加模具抗彎曲、抗偏載的能力,避免模具不均勻磨損,從而延長模具壽命。

            ②. 對小孔、夾角、窄槽等薄弱部位進行補強,為了減少應力集中,要以圓弧過渡,圓弧半徑R可取3~5mm。

            ③. 整體模具的凹圓角半徑很易造成應力集中,并引起開裂,對于結構復雜的凹模采用鑲拼結構,減少應力集中。

            ④. 沖模的凸、凹模圓角半徑R不僅對沖壓件成形有較大的影響,而且對于模具的磨損及壽命也影響很大。設計時應從保證成型零件充分接觸的前提下盡可能放大,避免產生倒錐,影響沖件脫料出模,如圓角半徑R過小且沒有光滑過渡,則容易產生裂紋。

            ⑤.合理增大間隙,改善凸模工作部分的受力狀態,使沖裁力、卸件力和推件力下降,凸、凹模刃口磨損減少。一般情況下,沖裁間隙放大可以延長切飛邊模壽命。

            ⑥.模架應有良好的剛性,不要僅僅滿足強度要求,模座厚度不宜太薄,至少應設計到45mm以上。浮動模柄可避免沖床對模具導向精度的不良影響。凸模應緊固牢靠,裝配時要檢查凸?;虬寄5妮S線對水平面的垂直度以及上下底面之間的平行度。

            ⑦.模具的導向機構精度。準確和可靠的導向,對于減少模具工作零件的磨損,避免凸、凹??袀绊憳O大,尤其是無間隙和小間隙沖裁模、復合模和連續模則更為有效。為提高模具壽命,必須根據工序性質和零件精度等要求,正確選擇導向形式和確定導向機構的精度。一般情況下,導向機構的精度應高于凸、凹模配合精度。連續模具應設計4根導柱導向,這樣導向性能好。因為增加了剛度,保證了凸、凹模間隙均勻,確保凸模和凹模不會發生碰切現象。

            ⑧.排樣方式與搭邊值大小對模具壽命的影響很大,過小的搭邊值,往往是造成模具急劇磨損和凸、凹??袀闹饕?。從節約材料出發,搭邊值愈小愈好,但搭邊值小于一定數值后,對模具壽命和剪切表面質量不利。在沖裁中有可能被拉入模具間隙中,使零件產生毛刺,甚至損壞模具刃口,降低模具壽命。因此在考慮提高材料利用率的同時,必須根據零件產量、質量和壽命,確定排樣方法和搭邊值。

            2.合理選擇模具材料沖壓模具工作時要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負荷,甚至在較高的溫度下工作(如冷擠壓),工作條件復雜,易發生磨損、疲勞、斷裂、變形等現象。因此,模具材料的性能對模具的壽命影響較大,不同材質的模具壽命往往不同,對模具工作零件材料的要求比普通零件也高。

            ①.根據模具的工作條件、生產批量以及材料本身的強韌性能來選擇模具用材,應盡可能選用品質好的鋼材。

            a.材料的使用性能應具有高硬度(58~64HRC)和高強度,并具有高的耐磨性和足夠的韌性,熱處理變形小,有一定的熱硬性。

            b.材料的工藝性能良好,具有可鍛性、淬硬性、淬透性、淬火裂紋敏感性和磨削加工性、熱穩定性和耐熱疲勞性等。通常根據沖壓件的材料特性、生產批量、精度要求等,選擇性能優良的模具材料,同時兼顧其工藝性和經濟性

            在大批量生產選用模具材料時,應選用長壽命的模具材料,如硬質合金,高強韌、高耐磨模具鋼(如SKD11,SLD,DC53等);對小批量或新產品試制可采用國產的45#、Cr12等模具材料;對于易變形、易斷裂失效的通用模具,需要選用高強度、高韌性的材料DF-2;熱沖模則要選用具有良好的韌性、強度、耐磨性和抗冷熱疲勞性能的材料( 如DAC)。

            ②.對模具材料要進行質量檢測,模板要符合供貨協議要求,模板的化學成份要符合國際上的有關規定。只有在確信模具材料合格的情況下,才能使用。

            ③.模具鋼材生產廠家采用電渣重熔鋼H13時要確保內部質量,避免可能出現的成份偏析、雜質超標等內部缺陷,要采用超聲波探傷等無損檢測技術檢查,確保鋼材內部質量良好,避免可能出現的冶金缺陷,將廢品及早剔除。根據碳化物偏析對模具壽命的影響,必須限制碳化物的不均勻度,對精密模具和負荷大的細長凸模,必須選用韌性好強度高的模具鋼,碳化物不均勻度應控制為不大于3級。

            Cr12鋼碳化物不均勻度3級要比5級耐用度提高1倍以上。如果碳化物偏析嚴重,可能引起過熱、過燒、開裂、崩刃、塌陷、拉斷等早期失效現象。而對于直徑小于或等于50mm的高合金鋼,其碳化物不均勻性一般在4級以內,可滿足一般模具使用要求。通過鍛造能有效改善工具鋼的碳化物偏析,一般鍛造后可降低碳化物偏析2級,最多為3級。

            3.合理選擇熱處理工藝熱處理不當是導致模具早期失效的重要原因,從模具失效分析得知,45%的模具失效是由于熱處理不當造成的。模具熱處理包括鋼材鍛造后的退火,粗加工以后高溫回火或低溫回火,精加工后的淬火與回火,電火花、線切割以后的去應力低溫回火。只有冷熱加工很好相互配合,才能保證良好的模具壽命。

            ①.模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限,以使殘留奧氏體量增加,使模具不致脹大??焖偌訜岱ㄓ捎诩訜釙r間短,氧化脫碳傾向減少,晶粒細小,對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。

            ②.對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好,淬火溫度低,回火溫度偏高,可大大提高韌性,盡管硬度有所降低,但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常Cr12MoV鋼淬火加熱溫度為1000℃,油冷,然后220℃回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次,即加熱至1100℃保溫,油冷,700℃高溫回火,則模具壽命能大幅度提高。

            ③.采用低溫氮碳共滲工藝,表面硬度可達1200HV,也能大大提高模具壽命。 低溫電解滲硫可降低金屬變形時的摩擦力,提高抗咬粘性能。使用6W6Mo5Cr4V鋼制作冷擠壓凸模,經低溫氮碳共滲后,使用壽命平均提高1倍以上,再經低溫電解滲硫處理可以進一步提高壽命50%。

            ④.模具淬火后存在很大的殘留應力,它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應力,模具淬火后應趁熱進行回火,回火應充分,回火不充分易產生磨前裂紋。對碳素工具鋼,200℃回火1h,殘留應力能消除約50%,回火2h殘留應力能消除約75%~80%,而如果500~600℃回火1h,則殘留應力能消除達90%。

            ⑤.回火后一般為空冷,在回火冷卻過程中,材料內部可能會出現新的拉應力,應緩冷到100~120℃以后再出爐,或在高溫回火后再加一次低溫回火。

            4. 合理的模具表面強化工藝模具表面強化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤滑性能。表面強化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、點火花表面強化法、滲硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面強化法、離子注入法、等離子噴涂法等。

            ①. 氣體軟氮化:使氮在氮化溫度分解后產生活性氮原子,被金屬表面吸收滲入鋼中并且不斷自表面向內擴散,形成氮化層。模具經氮化處理后,表面硬度可達HV950~1200,使模具具有很高的紅硬度和高的疲勞強度,并提高模具表面光潔的度和抗咬合能力。

            ②. 離子氮化:將待處理的模具放在真空容器中,充以一定壓力的含氮氣體(如氮或氮、氫混合氣),然后以被處理模具作陰極,以真空容器的罩壁作陽極,在陰陽極之間加400~600伏的直流電壓,陰陽極間便產生輝光放電,容器里的氣體被電離,在空間產生大量的電子與離子。在電場的作用下,正離子沖向陰極,以很高速度轟擊模具表面,將模具加熱。離能正離子沖入模具表面,獲得電子,變成氮原子被模具表面吸收,并向內擴散形成氮化層。應用離子氮化法可提高模具的耐磨性和疲勞強度。

            ③. 點火化表面強化:這是一種直接利用電能的高能量密度對模具表面進行強化處理的工藝。它是通過火花放電的作用,把作為電極的導電材料溶滲進金屬工件表層,從而形成合金化的表面強化層,使工作表面的物理、化學性能和機械性能得到改善。例如采用WC、TiC等硬質合金電極材料強化高速鋼或合金工具鋼表面,可形成顯微硬度HV1100以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強化層,使模具的使用壽命明顯得到提高。點火花表面強化的優點是設備簡單、操作方便,處理后的模具耐磨性提高顯著;缺點是強化表面較粗糙,強化層厚度較薄,強化處理的效率低。

            ④. 滲硼:由于滲硼層具有良好的紅硬性、耐磨性,通過滲硼能顯著提高模具表面硬度(達到HV1300~2000)和耐磨性,可廣泛用于模具表面強化,尤其適用于處理在磨粒磨損條件下的模具。但滲硼層往往存著較大的脆性,這也限制了它的應用。

            ⑤. TD熱處理:在空氣爐或鹽槽中放入一個耐熱鋼制的坩堝,將硼砂放入坩堝加熱熔化至800℃~1200℃,然后加入相應的碳化物形成粉末(如鈦、鋇、鈮、鉻),再將鋼或硬質合金工件放入坩堝中浸漬保溫1~2小時,加入元素將擴散至工件表面并與鋼中的碳發生反應形成碳化物層,所得到的碳化物層具有很高的硬度和耐磨性。

            ⑥. CVD法(化學氣相沉積):將模具放在氫氣(或其它保護氣體)中加熱至900℃~1200℃后,以其為載氣,把低溫氣化揮發金屬的化合物氣體如四氯化鈦(TiCI4)和甲苯CH4(或其它碳氫化合物)蒸氣帶入爐中,使TiCI4中的鈦和碳氫化合物中的碳(以及鋼表面的碳分)在模具表面進行化學反應,從而生成一層所需金屬化合物涂層(如碳化鈦)。

            ⑦ PVD法(物理體相沉積):在真空室中使強化用的金屬原子蒸發,或通過荷能粒子的轟擊,在一個電流偏壓的作用下,將其吸引并沉積到工件表面形成化層。利用PVD法可在工件表面沉積碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等多種化合物。

            ⑧. 激光表面強化:當具有一定功率的激光束以一定的掃描速度照射到經過黑化處理的模具工作表面時,將使模具工作表面在很短時間內由于吸收激光的能量而急劇升溫。當激光束移開時,模具工作表面由基材自身傳導而迅速冷卻,從而形成具有一定性能的表面強化層,其硬度可提高15~20%,此外還具有淬火組子細小、耐磨性高、節能效果顯著以及可改善工作條件等優點。

            ⑨. 離子注入:利用小型低能離子加速器,將需要注入元素的原子,在加熱器的離子源中電離成離子,然后通過離子加熱器的高電壓電場將其加熱,成為高速離子流,再經過磁分析器提煉后,將離子束強行打入模具工作表面,從而改變模具表面的顯微硬度和粗糙度,降低表面摩擦系數,最終提高工作的使用壽命。

            5. 消除線切割產生的應力線切割機加工前,原材料內部因為淬火呈拉應力狀態,線切割時產生的熱應力也是拉應力,兩種應力疊加的結果很容易達到材料的強度極限而產生微裂紋,從而大大縮短沖壓模具壽命,因此要提高沖壓模具的壽命,需要消除線切割產生的應力。

            ①研磨去掉白層 通常模具線切割后,經過研磨去掉表面硬度低的灰白層后便可進行裝配使用。但這樣做沒有改變線切割造成的應力區的應力狀態,即使增大線切割后的研磨余量,但因高硬層硬度高(達70HRC) ,研磨困難,過大的研磨量容易破壞零件幾何形狀。

            ②.回火處理 在線切割后,研磨去零件表面的白層,再在160℃~180℃回火2h ,則白層下面的高硬層可降低5HRC~6HRC,線切割產生的熱應力亦有所下降,從而提高了沖模的韌性,延長了使用壽命。但是由于回火時間短,熱應力消除不徹底,沖模壽命并不十分理想。

            ③.磨削加工 線切割后磨削加工,可去掉低硬度的白層和高硬層,提高沖模壽命。因為磨削時產生的熱應力也是拉應力,與線切割產生的熱應力疊加,無疑也會加劇沖模損壞。若在磨削后,再進行低溫時效處理,則可消除應力影響,顯著提高沖模韌性,使沖模壽命提高。因為幾何形狀復雜的沖模大多數是采用線切割加工,所以磨削形狀復雜的沖模必須采用價格昂貴的坐標磨床和光學曲線磨床,而這兩種設備一般廠家都不具備,故推廣困難。

            ④.噴丸處理后再低溫回火 噴丸處理可使線切割切口的殘余奧氏體轉變為馬氏體,提高沖模的強度和硬度,使表面層應力狀態發生變化,拉應力降低,甚至變為壓應力狀態,使裂紋萌生和擴展困難,再結合低溫回火,消除淬火層內拉應力,可使沖模壽命提高10~20倍。噴丸處理受設備條件和沖模零件形狀(內表面) 限制,難以普遍應用。

            ⑤.研磨后再低溫時效處理 線切割表面經研磨后,高硬層已基本去掉,再進行120℃~150℃×5~10h低溫時效處理(亦稱低溫回火處理) ,亦可經過160℃~180℃×4~6h 低溫回火處理。這樣可消除淬火層內部拉應力,而硬度降低甚微(后者硬度降低稍大),卻大大提高了韌性,降低了脆性,沖模壽命可提高2倍以上。這一方法簡便易行,效果十分明顯,易于推廣。

            消除線切割加工產生的應力,提高韌性,最佳方法是噴丸+ 低溫回火,其次是磨削后+ 研磨+ 低溫回火,再次是研磨+ 低溫時效處理,各單位可根據自己的具體情況選擇。

            6.合理的機械加工工藝和良好的加工精度機械加工工藝要能消除加工后的加工變形與殘留應力,盡量采用磨削、研磨和拋光等精加工和精細加工,獲得較小的表面粗糙度值,提高模具使用壽命。

            ①.粗加工時表面粗糙度Ra<3.2μm,模具工作部分轉角處要光滑過渡,減少熱處理產生的熱應力。

            ②.模具表面加工時留下的刀痕、磨痕都是應力集中的部位,也是早期裂紋和疲勞裂紋源,因此在沖模加工時一定要刃磨好刀具。模具人雜志微信公眾平臺,引領行業前沿。平面刀具兩端一定要刃磨好圓角R,圓弧刀具刃磨時要用R規測量,絕不允許出現尖點。

            ③.在精加工時走刀量要小,不允許出現刀痕。對于復雜零件要留一定的打磨余量,即使加工后沒有刀痕,也要再由模具鉗工用風動砂輪打磨拋光,但要注意防止打磨時局部出現過熱、燒傷表面和降低表面硬度。

            ④.模具電加工表面有硬化層,厚10μm左右,硬化層脆而有殘留應力,直接使用往往引起早期開裂,這種硬化層在對其進行180℃左右的低溫回火時可消除其殘留應力。磨削時若磨削熱過大會引起肉眼看不見的與磨削方向垂直的微小裂紋,在拉應力作用下,裂紋會擴展。對Cr12MoV鋼冷沖壓凹模采用干磨,磨削深度為0.04~0.05mm時,使用中100%開裂;采用濕磨,磨削深度0.005~0.01mm時,使用性能良好。消除磨削應力也可將模具在260~315℃的鹽浴中浸1.5min,然后在30℃油中冷卻,這樣硬度可下降1HRC,殘留應力降低40%~65%。對于精密模具的精密磨削要注意環境溫度的影響,要求恒溫磨削。

            ⑤.沖模粗加工時要為精加工保留合理的加工余量,因為所留的余量過小,可能因熱處理變形造成余量不夠,必須對新制沖模進行補焊,若留的余量過大,則增加了淬火后的加工難度。

            ⑥.沖?;瑝K或浮塊的平行度超過要求時,會使沖模鎖扣啃壞或打裂,重者會打斷頂桿甚至損壞模具,所以在沖模加工中除對模腔尺寸按圖紙要求加工外,對其它各部分外形尺寸、位置度、平行度、垂直度都要按要求加工并嚴格檢驗。

            ⑦.沖模模腔的粗糙度直接影響沖模壽命,粗糙度高會使沖件不易脫模,特別是中間帶凸起部位,沖件越深,脫料越困難,最后只能卸下沖模用機加工或氣割的方法破壞沖件。由于粗糙度值高會使金屬流動阻力增加,嚴重時會將模壁磨損成溝槽,既影響沖件成形,也易使沖模早期失效。工作表面粗糙度值低的模具不但摩擦阻力小,而且抗咬合和抗疲勞能力強,表面粗糙度一般要求Ra=0.4~0.8μm。

            ⑧.模具的制造裝配精度對模具壽命的影響也很大,裝配精度高,底面平直,平行度好,凸模與凹模垂直度高,間隙均勻,亦可獲得相當高的壽命。

            7.沖壓原材料的選用①沖壓件的材料有金屬和非金屬。一般來講,非金屬材料的強度低,所需的成形力小,模具受力小,模具壽命高。因此,金屬件成形模比非金屬成形模的壽命低。

            ②.實際生產中,由于沖壓原材料厚度公差超差、材料性能波動、表面質量較差(如銹跡)或不干凈(如油污)等,會造成模具工作零件磨損加劇、易崩刃等不良后果。為此,應當注意:

            a.盡可能采用沖壓工藝性好的原材料,以減少沖壓變形力;

            b.沖壓前應嚴格檢查原材料的牌號、厚度及表面質量等,并將原材料擦拭干凈,必要時應清除表面氧化物和銹跡;③根據沖壓工序和原材料種類,必要時可安排軟化處理和表面處理,以及選擇合適的潤滑劑和潤滑工序。

            8.針對工作溫度的良好潤滑沖壓模具的工作溫度可分為低溫、常溫或交變溫度等幾種狀態,溫度對鋼的耐磨性有相當大的影響。通常在250度以下時主要為氧化磨損,即沖壓模具對接件或沖壓模具與工件之間相對摩擦,形成氧化膜并反復形成和剝落,磨損量較??;250度到300度之間時轉變為粘著磨損,磨損量達到最大值;高于300度又轉化為氧化磨損為主,磨損量趨向減小,但溫度過高時,沖壓模具硬度明顯下降,粘著現象加重,甚至形成較大面積燒結和熔融磨損。

            沖壓工作時,模具因受熱而升溫,隨著溫度的上升,模具的強度下降,易產生塑性變形。同時,模具同工件接觸的表面與非接觸表面溫度有差別,在模具中造成溫度應力。潤滑模具與坯料的相對運動表面,可減少模具與坯料的直接接觸,減少磨損,降低成形力。同時,潤滑劑還能在一定程度上阻礙坯料向模具傳熱,降低模具溫度,對提高模具壽命都是有利的。

            9.沖壓設備的選擇與安裝運行

            沖壓設備的精度與剛度,結構特征,安裝環境以及沖壓速度都有將對模具壽命有很大的影響。

            ①.設備的精度與剛度 沖壓設備的精度與剛性對沖壓模具壽命的影響極為重要。沖壓設備的精度高、剛性好,沖模壽命大為提高。模具成形工件的力是由設備提供的,在成形過程中,設備因受力將產生彈性變形。復雜硅鋼片沖模材料為Crl2MoV,在普通開式壓力機上使用,平均復磨壽命為1-3萬次,而新式精密壓力機上使用,沖模的復磨壽命可達6~12萬次。尤其是小間隙或無間隙沖模、硬質合金沖模及精密沖模必須選擇精度高、剛性好的壓力機,否則,將會降低模具壽命,嚴重者還會損壞模具。

            ②.沖床本身堅固的框架結構和地基隔離帶可以分解沖壓過程中的沖擊力。在沖床地基周圍設置高濕度的隔離帶,使用地基可以保持沖床的水平度,而水平度影響模具的壽命。

            ③.控制滑塊的導向精度。 大多數沖床只靠導軌來控制滑塊的垂直運動,導軌不但控制驅動輪的運動而且承載機構產生的力?;壉仨毝ㄆ诟鼡Q,但如果安裝一個導向套,將延長滑塊和導軌的壽命。這種帶導向套的滑塊吸收偏心輪產生的側向力,并將其分解。在雙重導向的沖程中,導軌的作用是引導承受模具反作用力的滑塊,因此必須充分利用導軌的全部長度,使滑塊在整個行程中被充分導向。這種導向套與導軌的組合導向比單獨由導軌導向的導向面積要大1倍多。使用導向套再加上潤滑油(而不是脂潤滑),可使導軌間隙(0.0015英寸)比無導向套更?。?.008-0.015英寸)。使用小間隙導向可精確的控制滑塊運動,盡管這種結構比無導向套初期的成本要高,但它可以使模具的壽命延長30%。

            ④.降低落料時或沖裁力很大時的沖擊力。 當切刃剪切至板料厚度的20%-30%時,板料開始斷裂,并釋放能量,促使滑塊高速下行。在行程末端滑塊速度的突然增大會對沖床和模具產生巨大的沖擊,滑塊在材料斷裂點的速度與生成的反作用力直接相關。為減小這種沖擊,在相同的生產節拍下使用一種驅動連桿將滑塊在行程末端的速度減小到用曲柄沖床的40%?;瑝K對于模具的接觸速度和沖擊力也將降為曲柄沖床的60%。這種速度降低意味著減小了上下模的沖擊,從而延長了模具的壽命。

            ⑤.沖壓速度 沖壓速度愈高,模具在單位時間內受的沖擊力愈大(沖量大);時間愈短,沖擊能量來不及傳遞和釋放,易集中在局部,造成局部應力超過模具材料的屈服應力或斷裂強度。因此,沖壓速度越高,模具越易斷裂或塑性變形失效。

            10.日常保養與刃磨維修為了保護正常生產,提高沖壓件質量,降低成本,延長沖壓模具壽命,必須對模具進行日常保養,確保正確使用和刃磨維修。

            ①.做好沖模的日常保養、維護工作, 注意保持棋具的清潔和合理的潤滑,嚴格執行沖?!叭龣z查”制度(使用前檢查,使用過程中檢查與使用后檢查)。

            ②.模具的正確安裝與調試: 嚴格控制凸模進入凹模深度;控制校正彎曲、冷擠、整形等工序上模的下止點。

            ③.沖模刃磨修理: 凸、凹模表面粗糙度值越低,耐疲勞強度越高,粗糙度值每降低1級,壽命可提高1倍。板料在沖裁時,隨著凸模進入板料深度的增加,材料向凸、凹模刃口流動,直到凸模刃口和凹模刃口之間產生的裂紋重合時為止。在材料流動時,凸、凹模端面產生很大的摩擦力,摩擦力大小在很大程度上取決于凸、凹模端面粗糙度的高低,因此,研磨凸、凹模端面有利于提高沖模壽命,特別是形狀復雜而精度要求高的中小型沖模。因此,研磨凸、凹模時,必須研磨側面后再研磨端面磨削后。

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