模具的失效分析

1、模具的失效分析 1一, 目的 1, 模具设计人员必须熟知如何保证模具设计正确,合理,提高模具寿命,降低成本. 2, 生产中模具失效时,能分析原因,提出改进措施,也是工艺员应掌握的技能.二, 模具的工作条件 1, 工装模具组成 凹模 - 冷镦, 正挤, 反挤, 冲孔, 锥形凸模, 切边凹模, 切边凸模, 孔类 螺母用凹模 等. 套 - 推出销套, 衬套 垫 - 带孔垫块 轴类 冲头 正挤, 反挤, 六方冲头, (螺母冲头), 推出销, 凸模销, 光凸模(无孔) 销, 轴, 杆. 板,块类型 - 垫块,切断刀,送料滚,刀体,钳片,夹子,弹簧板,弹簧片 螺旋弹簧 拉,压弹簧碟簧 板簧2, 易损件 (

2、服役期短,经常更换的件)冲头, 凹模重点分析易损件 冲头, 凹模.3, 模具工作条件 挤压冲头工作条件 以活塞销为例上冲头 向下运动, 下冲头 固定不动.挤压中,上冲头受力大于下冲头. 上冲头受力情况如下:A) 向下运动 反挤坯料,冲头受压应力. B)向上运动 脱离坯料,因摩擦力冲头受拉应力. C)可能因冲头偏心,产生弯曲应力.结论: 上冲头受力复杂,易导致失效. 上冲头最大名义压力可达2500 MPa.在尺寸过渡处,由于应力集中, 有时应力更大于此值. 冷挤压凹模的工作条件 2冷挤压过程中,凹模型腔表面受很大的压力,该压力使凹模产生巨大的切向拉应力.(以下插图) 三,模具失效的基本形式及原因

3、模具失效形式 模具丧失服务能力的某种损伤形式.大多数模具出现损伤后,不会立即丧失服务能力,仅在其中一种损伤发展到足以妨碍模具正常工作或生产出废品时,此模具才停止服役. 3(一)模具失效的基本形式 4形式现象及说明塑性变形凸模: 镦粗纵向弯曲凹模: 型腔塌陷棱角倒塌型腔胀大磨损刃口钝化棱角变圆平面下陷, 孔加大表面沟痕剥落粘模疲劳萌生细小裂纹小裂纹向纵深扩展裂纹扩展一定尺寸后,严重削弱模具承载能力引起断裂疲劳源 应力集中部位(尺寸过渡,刀痕,缺口,磨削裂纹)冷热疲劳多产生于热作模具断裂纵向断裂横向断裂(斜向断裂)龟裂(二)模具塑性变形失效原因分类具体原因影响因素模具材料超过模具材料抗压屈服应力模

4、具材料: 含碳量低 合金元素及含量不足 强度水平不高热处理热处理: 淬火硬度不够(凸模工作部分硬度不小于HRC60) 淬硬层深度不够 韧性偏高工艺工装设计 凸模单位压力值过大,合理排工序,使其单位应力值不超过凸模抗压屈服应力 凸模长径比超过所允许的界限,保证凸模纵向稳定性 提高模具导向精度,保证良好对中操作 操作不当 意外超载 凸模端面或毛坯端面不平整,使凸模受较大偏心载荷(提高毛坯下料精度或增加一道镦平工序来提高毛坯端面平整度)(三)模具磨损失效原因 5 凸凹模磨损失效是一种正常失效,但有时发生早期磨损失效值得研究. 1,模具磨损过程 磨损量 mg C 初期磨损阶段 A新模具B 刃口锋利(切

5、边模,冲切模),模孔形状误差 (不圆度等),与坯料接触面积小,局部压力大,A 以及产生塑性变形,导致磨损速度加快. 冲击次数 N 正常磨损阶段 B初期磨损阶段达到一定程度,刃口与工件接触单位压力减轻,不再产生塑性变形,进入摩擦磨损阶段. 在此过程中,由于反复冲击,而模具渐渐趋于疲劳. 过激磨损阶段 C刃口, 模孔呈现疲劳,模具急剧磨损,不能正常工作,甚至因冲击出现表面剥落,剥落硬粒子成为磨粒,加快了磨损速度. 2,模具磨损失效原因 基本原因是磨擦 6分类具体原因影响因素改进措施模具材料 选材不当硬度表面形态(表面处理)碳化物(性质,大小,分布数量)结构设计高速钢,高碳高铬钢,硬度相等下,耐磨性

6、最高.Cr12MoV 冷镦凹模型腔易出现剥落(麻点),沟槽.基体钢5Cr4Mo3SiMnVAl很少出现Cr12MoV现象低硬度易磨损处理得当冲击(冷镦)过多碳化物反而降低耐磨性,因为易表面剥落,成磨粒加快磨损.如反挤凸模工作带部分形状,尺寸不合格正确选用材料,特别关注模具用新材料合理设计,制造保证TiN 涂层提高寿命表面镀铬3-5m QPQ工艺(碳氮共渗+1次氧化+抛光+2次氧化)有良好耐磨及防腐性(如对W8Mo3Cr4VCo3N)合理锻造,热处理.选择合理的工作带长度及过渡圆角. 被加工材料化学成份机械性能表面粗糙度表面形态(表面处理)速度摩擦系数随变形速度的升高而降低,减少模具磨损. 金属

7、较高速度成形时,由于金属材料质量引起惯性力,将在轴向及径向上可继续充填型腔.温度冷成形消耗塑性变形功,一部分变成了热能,高速挤压热量来不及散失,局部地方温度可高达150-200,使金属塑性升高,称热效应,当40%时,热效应影响小,当40%热效应影响大,降低摩擦系数.润滑润滑不良,摩擦阻力过大,加快磨损选择好的润滑剂. (四) 模具疲劳失效原因 1,特征: 在模具某些部位 在模具某些部位,经一定的服役期,萌生了细小的裂纹,并逐渐向纵深扩展.裂纹扩展到一定的尺寸后,严重的削弱模具的承载能力,而引起断裂.疲劳裂纹萌生于应力较大的部位,特别是应力集中的部位(尺寸过渡,缺口,刀痕,磨削裂纹等). 模具通

8、常在高强度,低塑性状态下服役,在模具的微观疲劳断口处,很难观察到典型的疲劳条带,但是其宏观断口上,往往呈现出海滩状形貌. 高碳高合金钢模具,其疲劳断口往往出现粗糙的木纹状条纹.对宏观断口的形貌观察产生严重的干扰. 2,疲劳裂纹分析根本原因是循环载荷.疲劳失效过程分两个阶段, 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的扩展.1) 疲劳裂纹的萌生 位置 经常在尺寸过渡处, 刀痕处,磨削沟痕处,磨削裂纹处.萌生机理 见下图 模具表面某些微区域内,可先发生滑移,滑移随载荷变化反复进行,到达某一程度后,材料滑移抗力下降,可能从滑移带中挤出金属,成为挤出锋,与此同时形成凹槽.当循环应力较大或晶界相对弱化时,疲劳裂纹可萌生于

9、晶界.疲劳裂纹也可以萌生于粗大的第二相颗粒与基体的界面上.水介质(自来水,盐水等)显著加速疲劳裂纹的萌生和扩展,剧烈降低疲劳寿命.2)疲劳裂纹的扩展 分两个阶段 A,扩展第一阶段 : 形成滑移带裂纹源后,沿着与拉伸应力轴成45°角的滑移面扩展.这种切变式扩展称为第一阶段扩展.对钢铁材料,第一阶段扩展为数百微米.如疲劳裂纹萌生于夹杂物,第一阶段扩展的深度仅为数个微米以后就转向垂直于拉应力轴的方向扩展. B,扩展第二阶段 : 疲劳裂纹沿垂直于拉力轴的方向扩展,在此阶段有多种机制,有拉伸,有压缩. 3, 冷模具钢对疲劳裂纹萌生扩展的影响模具钢具有很高的屈服强度和很低的断裂韧性.高的屈服强度

10、 有利于推迟疲劳裂纹的萌生.低的断裂韧性 加快疲劳裂纹的扩展,使疲劳裂纹扩展循环数剧烈缩短. 7 4,模具疲劳失效原因 8根本原因是循环载荷,凡促使表面拉应力增大的因素均增加疲劳裂纹的萌生.分类具体原因影响因素模具结构1,尺寸过渡不当2模具尺寸过渡处R小3,表面粗糙度低制造1,缺口2,刀痕3,磨削裂纹4,淬火裂纹保存及运输操作(五) 模具冷热疲劳失效 1,失效形态在极冷,极热条件下服役的模具,锻压数千次或数百次之后,型腔表面出现许多细小裂纹,其形状有网状,放射状,平行状等,这些裂纹仅有数毫米深,不会向纵深扩展,冷热疲劳裂纹经常 萌生于刀痕及磨损沟槽,外观呈现直线状.2,模具冷热疲劳失效原因锻压

11、钢件的模具与坯料接触时,表面迅速升温到600-900 而内层尚处于较低的温度,表面层受热而膨胀,但受内层的约束,因而在表面产生压应力,压应力的数值一般均大于模具材料在该状态下的屈服强度,因而引起塑性变形.锻件脱模后,由于向模具表面喷洒冷却剂,使表面急剧冷却而收缩,当表面收缩受到约束时,便产生拉应力,模具表面层中的循环热应力是引起冷热疲劳的根本原因.高温氧化,冷却水的电化学腐蚀以及坯料的摩擦作用,加速了冷热疲劳过程.因此,冷热疲劳过程是极其复杂的物理化学过程. (六) 模具的断裂失效模具在服役过程中,突然出现大裂纹或分离为两部分或数部分使模具立即丧失服务能力,属于断裂失效.常见断裂失效形式有 :

12、 崩牙,崩刃(冲头,搓丝板,滚丝轮等)劈裂,折断(冲头),胀裂等1,模具断裂(折断)失效过程 可分一次性断裂和疲劳断裂两类 一次性断裂模具在冲压时突然断裂,称为一次性断裂.主要原因是严重超载或模具材料严重脆化(如过热,过烧,回火不足,严重的应力集中及严重的冶金缺陷等) 疲劳断裂模具在服役中，在应力最大或应力集中处，萌生微裂纹，在冲击力作用下，微裂纹慢慢扩展，模具有效承载面积逐渐缩小，直至外加应力超过模具材料的断裂强度，模具发生断裂或是随裂纹逐渐扩展裂纹尖端的应力强度因子不断增大，直至超过材料的断裂韧性值时，裂纹发生失稳性扩展，模具发生脆性断裂。 疲劳断裂全过程其寿命长短不一，通常冷作模具从萌生

13、疲劳裂纹直到最后断裂只需较短时间。这是由于冷作模具材料的断裂韧性较低所至。 模具的工作条件极为复杂。因此，一个模具上可同时出现多种损伤形式，这些损伤又相互促进，加速了模具的失效。 2，模具断裂失效原因 可分四大类分类具体原因影响因素模具结构应力集中（危险断面处应力超出凸模材料许用应力）尺寸过渡差别过大；圆角半径过小；凸模长径比过大，凸模处于非稳定状态工作，降低了许用应力。强度不足承载面积过小模具材料选材不当材料韧性太低；材料强度太低。材质不良材料有冶金缺陷制造工艺应力集中圆角半径不合格；残留刀痕；磨痕；磨削裂纹；锻造裂纹；热处理裂纹等。组织缺陷晶粒粗大；表面脱碳；流线分布不合理；网状碳化物；带

14、状碳化物；碳化物分布不均偏析；热处理硬度不当；回火不足等操作方法啃模冲床精度不符合要求；模具安装不正确。超载坯料放置不正确；冲床刚度低模具表面出现拉应力模具冷却不当；工作温度太高，发生回火转变其他偏心负荷较大热疲劳裂纹 反复承受冷热交变应力产生龟裂还有其他许多原因，在生产实践中需加以总结毛坯端面不平；毛坯与凹模间隙过大（一般0。1mm以下）；凸模与凹模对中不好；模具安装导向精度不好。低温回火预防四，提高模具使用寿命的措施1， 提高模具钢的质量国外一些发达国家用冲模（凸模，凹模）与我国采用的基本一样，多为高碳，高铬合金工具钢及韧性较好的高速钢。 德国，瑞士等国使用的模具钢是经过二次精炼的。而我国

15、用的模具钢很少经二次精炼，造成模具钢坯质量差。如铸锭头部缩孔，疏松，铸锭边缘与心部之间碳化物的混合物及夹渣，在钢锭的断面上有颗粒大小不匀的碳化物，有严重的宏观偏析与显微偏析。钢的杂质多，纯度差。这样铸锭或锻压成材在质量上得不到改善。锻坯中碳化物不均匀及网状碳化物超标，热处理后会产生硬度不均，微裂纹，冲压中造成崩刃，掉块等。因此期待钢厂生产出钢锭边缘，锭心无夹杂碳化物的混合物，使钢锭任意断面上碳化物颗粒大小均布，无纤维偏析。 92，模具厂提高凸，凹模锻坯质量 10凸凹模锻坯要求锻造技术较高,锻造理想的几何形状,清除锻件内疏松及非氧化孔洞,细化晶粒及紧密组织,选择合理锻造比,打碎钢中碳化物粗大晶粒

16、及偏析,使其均布于钢中,改进机械,物理性能及热处理工艺.3,提高冲模制造工艺水平冲模制造方法(凸凹模)冲模制造方法改进措施电火花线切割法 居多凸凹模尺寸精度 0.01粗糙度 0.4 0.1线切割保不了,国外在线切割后,增加喷砂,研磨及超声波清理等后序加工,以提高表面质量. 国内大多数模具厂无后序加工工序, 造成 Ra - - 磨损 - 寿命 崩刃, 掉块线切割表面产生有害电蚀层,不仅表面粗糙,且有纤维裂纹,所以必须磨去,否则模具寿命降低. 增加喷砂,研磨,精密磨削后序工序.磨削法制造 较少压印法和手工锉磨法 .较原始中,小模具厂,乡镇企业仍在用4,采用推荐的热处理工艺 如Cr12MoV凸,凹模

17、, 加热650 消除内应力退火 800820预热保温3小时 1020 淬火 500回火 (高温回火,彻底消除坯件内应力,减少裂纹危险) 990淬火 200 回火 (防变形及尺寸变化) 5,表面强化处理增加抗磨能力, 方法分三类: 改变基体表面化学成分如 渗金属,渗碳,渗硼,渗硫,氮化.气体软氮化,TD处理,离子氮化等 不改变基体化学成分如 激光,电子束,真空热处理,低温和超低温处理等. 基体表面形成硬化层如 镀硬铬,电镀沉积,热喷涂,电火花强化,等离子喷涂,熔烧法涂复,碳化钛复层,化学沉积(CVD), 物理沉积(PVC) 等. 6,冲模的润滑及润滑剂 普通冲裁用润滑剂A) GB443-64 20号机械油 100%B) 对有色金属冲裁 GB486-65 轻质锭子油 100%C) 不锈钢冲裁