《服役条件的影响》PPT课件.ppt

模具失效的影响因素,模具服役条件的影响,冷作模具,冷冲裁模具 冷挤压模具 冷镦锻模具 冷拉深模具,1、冷冲裁模具,A受力分析：冲头压力大于凹模。 在弹性变形阶段，压力集中于刃口附近狭小的范围； 在塑性变形阶段，刃口端面和侧面产生挤压和磨擦。 B失效形式：有塑性变形、磨损、疲劳断裂、折断和纵向开裂等，,最常见的是磨损。磨损使刃口变钝，棱角变圆，甚至产生表面剥落。 失效过程是：损伤损伤积累失效的过程。,C另外，冲头寿命与其直径及板厚存在影响关系 影响寿命因素： 模具材料和被加工材料的成分，组织及性能， 模具和坯料的表面状态及粗糙度， 模具的工作条件，如：冲裁力，冲裁速度，工作温度及润滑条件等。,2、冷挤压模具,A冷挤压凸模 受力分析：冲头承受三向压应力。如果坯料b=400MPA，则冲头压力=2500 MPA。 失效形式：可能有塑性变形、磨损、疲劳断裂、折断和纵向开裂等。 影响寿命因素：主要影响因素是模具材料和被加工材料的成分，组织及性能，模具和坯料的表面状态及粗糙度，模具的工作条件如挤压力，挤压速度，工作温度及润滑条件等。,B冷挤压凹模 受力分析：在凹模筒壁内将产生切向拉应力t和径向压应力r，且它们沿径向分布不均匀，,影响寿命因素：主要影响因素是模具材料和被加工材料的成分，组织及性能，模具和坯料的表面状态及粗糙度，模具的工作条件如挤压力，挤压速度，工作温度及润滑条件等。,3、冷镦锻模,受力分析：冲击力大、冲击频率高，冲击能量和冲击速度适中。 失效形式：冲头变形和折断；型腔模口胀大，棱角堆塌，型腔胀裂， 然而主要的是磨损失效（磨粒磨损、擦伤磨损和冲击磨损）和疲劳断裂失效。 影响因素及措施：模具结构、加工质量、润滑条件、维护保养以及工艺设计等因素综合作用。,4、冷拉深模,受力分析：模具工作时受冲击力很小，单位面积的压力也不大，主要是型腔表面承受剧烈的磨擦， 失效形式：主要是磨粒磨损和粘模磨损（即“小瘤”划伤或擦伤）。 粘模模具局部挤压力大，摩擦热积累大，局部表面与坏料发生焊合，使小块坏料粘着在模腔上，形成很硬的 “小瘤”即发生了粘模。,影响寿命因素：被拉深板材的强度、厚度、表面状况、材料成分和组织，影响模具承受载荷大小和粘着倾向的大小； 模具本身的硬度、耐磨性、型腔的结构、圆角半径和表面粗糙度影响粘着倾向； 润滑剂的种类和使用等影响粘着倾向。,2、热作模具,1、锤锻模,A模具的受力： 工作中主要负荷是冲击力和摩擦力。冲击载荷大，冲击力大；型腔表面承受很大的压力； 不同部位有不同的应力状态，某些部位承受弯曲力和多向拉应力作用，应力状态复杂。,B模具的受热： 工作中主要热负荷是交替受热和冷却。 使用前预热，使用中热料进一步加热， 另外，表面摩擦产生热量部分被模具吸收，不同部位温度分布不均导致热应力。,C模具的冷却： 通常在模具工作间歇对之进行冷却，用冷却空气、水、油、润滑剂等介质冷却模具型腔。 D型腔表面摩擦：热金属坯料在型腔中的热塑变流动，对型腔表面产生磨擦作用，,锤锻模基本失效形式：,早期脆性断裂主要是：模具型腔部分的断裂和机械热疲劳断裂。 早期脆性断裂：是在锤击次数较少时发生，裂纹呈人字花纹向外扩展。 机械热疲劳断裂：是在多次锤击时发生，断口呈疲劳断口特征，裂纹扩展区一般较小。,型腔表面的热疲劳：交替热应力的结果，通常模具锻压数千次或几百次就可能出现热疲劳现象， 热疲劳在模具表面可以呈条状、放射状、有的连成网状，故又称“龟裂” 。 热疲劳扩展断口部分为氧化物覆盖，呈深灰色，里面存在脱碳层。,型腔表面的磨损主要有： 表面剥落形成痘状麻坑 氧化磨损 热粘着磨损 氧化物磨粒加速磨损,锤锻模在机械负荷和热负荷作用下，其型腔表面的磨损非常复杂。 主要表现在：表面剥落形成痘状麻坑，氧化磨损，热粘着磨损和氧化物磨粒加速磨损等。 影响型腔表面的磨损主要因素是：模具温度，模具材料化学成分和硬度，模具型腔表面状况，以及模具使用条件等。,模具型腔塑性变形主要是：塌角和凹陷 模具型腔中的肋、凸台等突出部位吸热较多，温度较高，受力较大。 当其软化层深度较大时便会出现“塌角”即：棱角堆塌现象。 模具基体较软或热处理硬度偏低，易产生型腔“凹陷”现象。,模具的燕尾开裂：燕尾是安装固定上下模块的部位，燕尾根部凹槽有应力集中易于萌生裂纹，裂纹扩展造成断裂。,2、机锻模和热挤压模,工作条件 压力机加载速度低； 模具与坯料的接触时间长； 模具型腔的温度可达600800，经受急冷急热的交替作用； 冲击载荷很小，受静载荷很大； 摩擦要比锤锻模剧烈得多。,失效形式： 早期脆断， 疲劳断裂， 热疲劳， 型腔堆塌和磨损等。,3、热冲载模,工作条件：刃口承受挤压，摩擦和一定的冲击载荷，同时还受热升温 。 失效形式：热磨损，崩刃和断裂等。,4、压力铸造模,工作条件：型腔表面受液态金属的压力，冲刷，侵蚀和高温作用，承受急冷急热作用。 失效形式：粘模，侵蚀，热疲劳和磨损等。,3、塑料模具,塑料模具的工作条件：模具型腔表面直接与塑料接触，经受其压力、温度、磨擦和腐蚀等作用。 注射压力40140MPa， 闭模压力80300 MPa。 温度140300。,而制件对模具的要求是： 1、表面粗糙度低 Ra0.20.025m； 2、尺寸精度和配合精度要求高； 3、结构形状复杂，造成应力状态复杂。,塑料模基本失效形式：,模具型腔部分的断裂：型腔结构复杂，结构因素引起的应力集中可能使模具产生断裂失效； 相变内应力也是引起模具开裂的因素。 型腔表面的疲劳和热疲劳：塑料模具的机械载荷是循环变化的；热负荷也是循环变化的。 如：塑料注入温度是200，冷却硬化温度是50。,型腔表面的磨损和腐蚀：塑料熔体流动，塑件从模具中脱出，引起磨损。 塑料内的固体填料更加深了磨损。 腐蚀主要是热分解产生的HCL和HF气体使模具表面受到破坏。 模具型腔的塑性变形：模具型腔变形抗力不够，当表面受压、受热时，造成塑性变形。,第二节 模具结构对失效的影响,1冷作模具结构与防护措施,我们知道冷作模具： 冷冲载模具载荷较小、精度较高； 冷挤压模具承受较大静载荷； 冷镦模具承受较大冲击力，其毛坯材料是局部塑变。,冷作模具的结构防护措施如下： A优选冲载间隙， 刃口间隙一般为板料厚度的5%15%， 过小间隙模具制造难度大，产品截面质量高，模具使用寿命低； 过大的间隙产品截面质量低，模具钝化快，刃磨增加，同样模具寿命低。 总之，最佳间隙是综合考虑各方面要求而定，不是最好截面质量，也不是最高模具寿命。,B保证结构刚度： 合理设计凸模截面，尽量减小长径比， 适当加大固定部分长度和截面积， 加大垫板厚度和硬度， 对细长凸模可设置导向板等辅助支承机构。,C减轻工作载荷： 合理制定压力加工工艺， 合理设计模具形状结构， 注意特殊的减载结构。 D减少应力集中： 组合凸模结构， 组合凹模结构， 预应力镶套凹模。,2热作模具结构与防护措施,冷作模具主要是防止局部过载，热作模具同样也是， 另外，热作模具还要注意局部过热问题。其毛坯材料是整体塑变。,第三节 模具材料对失效的影响,2-3-1模具材料选用原则及影响,被加工零件的批量：小批量、中批量、，大批量。 被加工材料的性质：如变形抗力、磨耗作用、咬合倾向及腐蚀性等。 模具材料的性能及失效特点：通过分析模具的工作条件、失效形式，提出几方面的性能要求。,3模具材料工作硬度的影响,模具的早期失效，大多数是由于硬度过高而断裂，少数是由于硬度偏低而变形、磨损。 因而在一定条件下，存在着模具工作硬度的最佳值。 模具的最佳工作硬度和模具的材料种类及具体的服役条件有关。 对于无间隙冲载，生产上普遍采用“半硬凹模加全硬冲头”硬度匹配。（单向剪切机理）,3模具冶金质量的影响,非金属夹杂：可视为钢中的类裂纹缺陷，易于成为裂纹源，降低钢的疲劳强度和韧性，引起钢的早期断裂失效。 经锻造加工后，非金属夹杂物呈一定走向的流线分布。,碳化物偏析：过共析合金钢和莱氏体钢的组织中含有较多的合金碳化物。 碳化物在结晶过程中呈不均匀结晶和析出，形成大块状、网状或带状偏析，可能成为裂纹源。 经锻造加工后，可消除或改善。,中心疏松和白点：大截面模具中，易存在中心疏松和白点，易造成模具锻造开裂，淬火开裂及服役中脆断。,第四节 模具毛坯的锻造和预处理对失效的影响,1模具毛坯锻造缺陷,锻造的一般缺陷： 表面缺陷有，裂纹、鳞皮、凹坑和折叠等； 内部缺陷有，过热、过烧、疏松、组织偏析、流线分布不良等，可通过再锻造镦拔改善。 碳化物形态和分布均匀性不良：大锻造反复镦拔改善。 流线走向和分布不合理：再锻造镦拔改善。,2模具毛坯的锻造工艺,原材料的质量检验和备料：要求表面没有裂纹、折叠、内部没有气孔、疏松、裂纹，并对碳化物、非金属夹杂的分布进行评级。 锻锤吨位的选择：吨位过小锻打不透；吨位过大打击过重。 锻造温度区间和锻后冷却：结构钢锻造温度区间宽（400）；高合金钢锻造温度区间窄（200）。,模具毛坯的锻造方式： 基本锻造方式轴向镦拔、横向镦拔、多向镦拔； 精密模具锻造特点轴向镦拔、多向镦拔； 重载模具锻造特点横向镦拔、多向镦拔、压制型腔。,3模具毛坯的预备热处理,用于消除锻坯中的残余应力，锻造组织的某些缺陷，改善切削性能，冷压成形性能。,对切削加工的影响：取决于它的成分、组织和硬度。 对淬火质量的影响：很大程度取决于钢中碳化物的形状、尺寸、和分布的改善程度。 模具毛坯预处理工艺主要有：正火、球化退火、低温退火、调质处理。 高碳模具钢球化退火； 中碳模具钢完全退火； 低碳模具钢正火。,模具热处理缺陷对失效影响,2-5-1模具热处理的一般缺陷,2模具热处理的变形及控制,热应力及其所引起的变形： 热应力模具在加热和冷却过程中，尤其是淬火冷却时，由于表面和心部之间或不同截面尺寸和各部分之间的温度差而引起的胀缩量不一致，从而在不同胀缩区之间产生相互牵制的应力； 热应力变形当热应力的值超过材料的屈服强度时即产生塑性变形。变形结果表现为胀大。,组织应力及其所引起的变形： 组织应力模具钢在热处理时会发生相变，而不同的相组织有不同的比体积。 模具在加热和冷却过程中，尤其是淬火冷却时，由于不同部位达到相变温度的时间不一致，相变不同时导致瞬时各部位的相组织不同，体积变化不等，从而在不同相变区之间产生相互牵制的应力。,组织应力变形在组织应力作用下，塑变抗力较小的奥氏体组织区将会产生塑性变形。变形结果表现为收缩。,相变引起的体积变化：模具钢在热处理时会发生相变，相变前后组织的比体积不同从而引起相组织体积的不同。 其变化量与相变前后组织中相的组成、成分及相对量有关。,其变化与应力变形有本质不同。 应力变形有明显的方向性，体积变化在各个方向上的尺寸变化率相同，没有明显的方向性； 应力变形随着内应力重复作用（热处理操作）的次数而增加，体积变化则不因重复相变而改变。 变形结果表现为各向异性。,畸形变形：模具结构的不规则和不对称，在加热或冷却时会造成热处理应力不平衡，从而引起畸形变形。它是复杂应力综合作用的结果。,热处理变形影响及其控制措施,低碳钢C小于0.25% 中碳钢C0.250.6% 高碳钢C大于0.6%,控制措施 1合理设计和选材， 2合理锻造和预热处理， 3合理调整冷、热加工工序， 4合理制定热处理工艺。低温回火150250，中温回火350500，高温回火500600。,1、碳素结构钢的变形规律及变形控制,变形规律45钢、50钢，淬透性差，需要激烈的淬火冷却，产生变形和开裂的倾向大。 随着含碳量的增加变形规律为：主导方向先增大、后缩小。 Wc%=0.450.50%主导方向胀大最高峰； Wc%=1.0%主导方向胀缩接近零； Wc%1.20%主导方向趋收缩。 其它方向伴随着主导方向的胀大而收缩或收缩而胀大。,变形影响因素模具的截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方法以及淬火后的回火处理等。 控制措施： 1模具的截面尺寸， 2淬火加热温度， 3淬火冷却方法， 4淬火后的回火处理， 5加工余量和预处理。,2、碳素工具钢的变形规律及变形控制,变形规律T8A、T10A、T12A，属于低淬透性模具钢，在激烈的淬火冷却时，表现出热应力变形的特征。即在模具变形的主导方向产生收缩。,影响因素模具的截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方法以及淬火后的回火处理等。可利用影响因素来控制热应力变形的影响。 控制措施： 1模具的截面尺寸（对过共析钢T10A、T12A；对共析钢T8A）， 2淬火加热温度（T10A、T12A较低的淬火温度；T8A适当提高淬火温度）， 3淬火冷却方法， 4回火。,3、低合金工具钢的变形规律及变形控制,变形规律CrMn、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15等，淬透性好，淬火时不需要强烈冷却，因而淬火应力变形明显减小，相变体积变化相对突出，淬火变形最终表现为在主导方向上趋向胀大。 影响因素模具的截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方法以及淬火后的回火工艺等。,控制措施利用以上影响因素改变淬火组织中马氏体的比体积和残余奥氏体的量，是控制变形的主要措施。 1淬火加热温度，不宜高， 2淬火冷却方法，分级淬火或等温淬火， 3淬火后回火处理，,4、高碳高铬钢的变形规律及变形控制,变形规律高碳高铬钢Cr12、Cr12MoV、Cr6WV、Cr5Mo1V、Cr4W2MoV等具有很高的淬透性，淬火时不需要很高的快速冷却。产生的内应力小。 这种钢含有大量的碳化物，可通过调节淬火加热温度使奥氏体中的碳和合金元素浓度在较大的范围内变化，淬火后得到不同比体积的马氏体和不同量的残余奥氏体，从而能控制热处理变形，因而称这类钢为微变形模具钢。,影响因素及控制措施： 1淬火加热温度，提高淬火温度， 2淬火