模具寿命与失效7

1、模具失效与寿命授课人：2009-2010（第1学期)1第五章 影响模具寿命的因素模具结构设计模具材料模具的热加工和冷加工模具的使用状况等。2022年9月21日2第一节 模具结构合理的模具结构，使模具在工作时受力均匀，应力集中小，也不易受偏载。模具种类多，形式和工作环境差别很大。各有特性，但在结构方面也有共性的问题，如：几何形状和刚度。影响模具寿命的因素2022年9月21日3一、模具的几何形状影响模具寿命的几何形状因素： 模具的圆角半径、凸模端面形状、凹模锥角的大小、凹模截面变化的大小等。模具结构2022年9月21日4（一）圆角半径采用圆角结构可以获得良好的工艺效果，同时，也可避免拐角处产生应力

2、集中。模具几何形状2022年9月21日5从应力图可以看出，不同拐角形式产生的应力集中源不同，圆角半径越大应力分布越均匀，越不容易产生应力集中，拐角为尖角结构时应力集中最严重。模具几何形状2022年9月21日6圆角半径分为:外(凸)圆角半径内(凹)圆角半径 模具几何形状2022年9月21日7凸圆角半径对工艺影响大过小的凸圆角半径在板料拉深中增加成型力；在模锻中，易造成锻件折叠缺陷。 模具几何形状2022年9月21日8凹的圆角半径对模具寿命影响大小的凹圆角半径会使局部受力恶化，在四角半径处产生较大的应力集中，易萌生裂纹导致断裂。大的圆角半径使模具受力均匀，不易产生裂纹。非工作部位凹圆角半径过小，在

3、使用过程中也易造成应力集中，使抗偏载、抗冲击的能力降低。模具几何形状2022年9月21日9从图中可以看出，在采用同一模具条件下，过渡半径R由2.3增大到3.2，模具寿命就从1.5万件提高到2万件。模具几何形状2022年9月21日10（二）几何角度 1.凹模的锥角和截面变化 模具的工作角度对成形过程中坯料的流动、成形力及模具寿命有很大的影响。 模具几何形状2022年9月21日11模具几何形状2022年9月21日121.凹模的锥角和截面变化以挤压为例：正挤压时，主要是凹模对挤压力产生影响，为了便于金属塑性流动和减小模具负荷，一般都将凹模出口部分设计成锥形，如图示。模具几何形状2022年9月21日1

4、3从图中看，挤压力的大小不仅与入口角大小有关，还与锥形进口正挤压凹模的截面变化量lnA0/A1有关。模具几何形状2022年9月21日141.凹模的锥角和截面变化冷挤压凹模的型腔截面变化越小，尺寸过渡越平缓，则挤压力越小，模具寿命越高。模具几何形状2022年9月21日152.凸模的端面形状 平底带锥台的凸模（图a），端部受力面积较大，因此单位面积承受的挤压力比平底凸模（图b）可降低20%，模具寿命也相应提高 模具几何形状2022年9月21日16当变形程度F不是很大时，以平底凸模所受的单位挤压力最大，半球面凸模的挤压力最小，平底带锥台凸模居中。1-平底凸模 2-平底带锥台凸模 3-锥角凸模a=12

5、0 4-半球面凸模 模具几何形状2022年9月21日17变形程度过大时，球面凸模的单位挤压力会急剧上升。平底凸模刃口处增加圆角半径，可降低挤压力；凸模端部设计成平底带锥台形，对减轻挤压力也有明显效果。1-平底凸模 2-平底带锥台凸模 3-锥角凸模a=120 4-半球面凸模 模具几何形状2022年9月21日18中心锥角为120130的凸模结构比较合理。锥角过大，对降低挤压力的作用并不明显，锥角过小易造成侧向分力不平衡，引起凸模偏斜、弯曲或折断。 1-平底凸模 2-平底带锥台凸模 3-锥角凸模a=120 4-半球面凸模 模具几何形状2022年9月21日19凹模锥角的最佳取值计算公式在此值下，模具承

6、受的力最小，寿命最高。变薄拉深 t0t变形比、摩擦系数模具几何形状2022年9月21日20对于锤锻模、压铸模、塑料模等型腔模，型腔结构常需要考虑脱模斜度以便制件脱模。型腔脱模斜度对模具型腔侧壁及底部的应力状态也有直接的影响。模具几何形状2022年9月21日21二、模具结构形式 （一）整体模具与组合模具整体模具不可避免的存在凹圆角半径，易造成应力集中，并引起开裂。模具结构2022年9月21日22组合式模具把模具在应力集中处分割为两部分或几部分，再组合起来使用。采用组合式模具 可避免应力集中和裂纹的产生。模具结构形式 2022年9月21日231.组合凸模结构 工作时，凸模前端小直径心轴部分先插入毛

7、坯孔内，以控制挤压件孔径的位置。但心轴根部应力集中严重，受力时容易折断。若将凸模设计成图b及图c所示的组合形式，则可避免应力集中，显著提高寿命。模具结构形式 2022年9月21日242.组合凹模结构 模具结构形式 2022年9月21日25(a)、(e)整体式 (b)、(c)、(f)、(g) 纵向分割式 (d)、(h)横向分割式模具结构形式 2022年9月21日263.预应力镶套凹模 为了防止模具胀裂，冷镦、冷挤压凹模通常要求具有高的硬度和耐磨性，同时还要求具有高的强度和韧性。采用整体结构很难同时满足这两方面的性能要求。 模具结构形式 2022年9月21日27可采用预应力镶套结构，即用高强、韧材

8、料制造凹模体，工作部分采用淬硬的高速钢或硬质合金等高硬度、高耐磨性材料，通过压力将工作部分镶入凹模体成为组合式模具，以满足型腔表面高耐磨性和整体高强、韧性的要求。 模具结构形式 图（b）是一组合冷镦模2022年9月21日28模具结构形式 图示组合冷镦模，原采用高速钢整体式，常发生早期胀裂失效，寿命不到碳素工具钢凹模的1/4。改为预应力镶套结构，模体采用结构钢，工作部分为高速钢，二者过盈配合使工作部分预先产生切向压应力，以抵消一部分工作时产生的切向拉应力，使模具寿命提高，高出碳素工具钢凹模的810倍。2022年9月21日29（二）模具的工作间隙 冲裁模凸、凹模的刃口间隙是工作间隙也叫冲裁间隙，不

9、仅影响冲裁过程和冲裁质量，也影响模具的寿命。 模具结构形式 2022年9月21日30当刃口间隙由板料厚度的5加大到15时，模具的一次刃磨寿命显著增加。 1-Q235钢，厚度6；2-Q235钢，厚度10 3-Cr18Ni9Ti钢，厚度8模具的工作间隙 2022年9月21日31当间隙过大（15）时，板料的弯曲变形增大，凸、凹模端面与板料的接触面积减小，冲裁力集中作用于刃口处，使刃口塑变钝化。刃口变钝又导致冲裁力增大，使模具的刃磨寿命降低。 模具的工作间隙 2022年9月21日32注 意! 实际中，获得高质量冲裁断面的最佳间隙值和保证模具较高寿命的最佳间隙值不是完全一致的，设计时应综合考虑做出最优选

10、择。模具的工作间隙 2022年9月21日33（三）模具的结构刚度1模具的导向装置导向装置可以保证模具具有足够的刚度，保证凸、凹模或型芯、型腔间的相互位置精度，增加模具的抗弯曲、抗偏载的能力，避免不均匀磨损和凸、凹模相互卡死、啃伤或型芯、型腔的错位，从而保证模具的正常工作并延长其使用寿命。模具结构形式 2022年9月21日34导向结构对冲裁模具寿命的影响例如在2mm厚的08钢板上冲裁M3螺母的冲裁模，模具材料为T10，硬度为HRC5559无导向板：冲头的平均寿命为778件；有导向板：冲的平均寿命为3.85万件。模具的结构刚度2022年9月21日35导向结构对塑料模具寿命的影响 具有细小推杆推出系

11、统的塑料注射模的推板采用四导柱导向机构，可以避免由于顶出系统的顶杆受力不均衡，弯曲变形而造成塑料表面划伤、推杆磨损，甚至造成顶杆卡死或折断等现象。 模具的结构刚度2022年9月21日36导向精度对模具寿命的影响在其他条件相同的情况下，模具的导向精度愈高，模具的寿命愈高。冲压模、注塑模的寿命比锤锻模高的原因，除了工作条件不同的因素之外，导向精度的不同也是影响模具寿命的重要因素。模具的结构刚度2022年9月21日372凸模刚度设计要点1）合理设计凸模的截面形状和尺寸，尽量减小其径长比，使之具有足够的强度、刚度和抗压稳定性。2）适当加大凸模柄部的承载面积和固定长度，可以提高其刚度。模具的结构刚度20

12、22年9月21日383）加大凸模垫板厚度或采用多层淬硬垫板，避免由于垫板面积大、厚度薄或硬度不足而出现变形、凹坑等损伤，以导致凸模产生附加弯曲应力。模具的结构刚度2022年9月21日39 4）对细长凸模可增加导向板等辅助支承。导向板位置应尽量减小凸模悬臂部分的长度，且使凸模始终不脱离导向板，并保证导向精度。模具的结构刚度2022年9月21日403塑料模的刚度结构塑料注射模结构设计时，可以采用高精度的导向或支撑结构来保证模具的刚度。图中所示是注射模支承垫板承受注射压力的变形情况。 模具的结构刚度2022年9月21日41小型模具可通过增加垫板厚度来提高刚度，大型模具可以采用加支撑的方法，如图5-1

13、9所示。 模具的结构刚度2022年9月21日42在定模板和动模板四周作出斜面配合，利用定模板和动模板的刚性来加强对凹模 壁的约束也可起到减小凹模壁变形的作用。模具的结构刚度2022年9月21日43为了避免细长杆变形，常采用阶梯形顶杆，来提高顶杆的刚度。为了防止应力集中源的产生 台阶顶杆的拐角部位可采用圆角过渡截面等结构，或采用组合式结构。模具的结构刚度2022年9月21日44（四）减轻工作载荷模具的工作载荷对模具寿命有决定性的影响。以正挤压35钢工件为例：图示为冲头单位面积的压力和冲头寿命的关系曲线。模具结构形式 2022年9月21日45由图可知，随着变形量F和冲头单位压力的减小，冲头的寿命明

14、显提高。1500 MPa减小至1000MPa时，冲头寿命可提高1倍以上。减轻工作载荷2022年9月21日46为了使模具的工作载荷尽可能减轻，模具设计中，应根据合理的成型工艺确定模具的结构，因为不同的压力加工工艺直接影响模具的工作载荷。减轻工作载荷2022年9月21日47例如，利用反挤压模成型图a示工件，模具的工作载荷较大。在情况允许时，将工件改为图b示的形状，则可以采用复合挤压工艺。利用复合挤压模具来成型工件，使模具的工作载荷得到减轻，寿命得到相应的提高。减轻工作载荷2022年9月21日48根据挤压量随变形量的变化规律，合理采用变形量及相应的预成型工艺，可减轻每套模具的工作载荷，如图a示的工件

15、，若采用一次挤压成型，不仅模具的载荷很大，而且也难以满足工件形状和尺寸的要求。减轻工作载荷2022年9月21日49若先挤压成如图b示的形状，再最后挤压成型，则不仅能满足工件设计要求，而且使模具载荷大为减轻。减轻工作载荷2022年9月21日50为了减轻载荷，还应注意其他工艺环节。例如选用被挤压材料的变形抗力应尽可能低，所含杂质尽可能少；坯料的切割加工应保证端面的平整、不带斜度，以免造成凸模偏载；坯料直径应比凹模孔径小0.150.20，以防止挤压力急剧上升时使凹模胀裂；但间隙也不能过大（如反挤压时不应大于0.20），以保证同轴度，避免凸模偏载。减轻工作载荷2022年9月21日51针对特殊结构的模具

16、应防止模具过载，例如：1）定行程锻压设备使用封闭式挤压模，必须设计足够的飞边空间，以免余料过载引起模具损坏。2）在封闭的冷镦模或冷挤压模的适当部位开设排气孔，以使被挤压在模具和坯料之间的空气顺利排出。否则，挤压的高压气体不仅影响坯料充型，还易使模具过载失效。减轻工作载荷2022年9月21日52图a是用冷挤压成型的梭芯零件，在冷挤压凹模的相应部位应设计排气孔（图b）。减轻工作载荷2022年9月21日533）对于承受较大冲击载荷的模具应设计足够大的承击面，以利吸收多余的冲击能，减少模具单位面积的冲击力，防止发生早期断裂。4）对塑料压制模要设置足够大的承压环，以防止型腔、型芯过早变形或开裂。减轻工作

17、载荷2022年9月21日545）图示的细型芯侧进料注射模，将细型芯由悬臂结构改为两端支撑结构，可有效的防止侧向弯曲过载。减轻工作载荷2022年9月21日55第二节 模具工作条件 一、成形件的材质和温度 1、材质1）非金属材料、液态材料的强度低，所需的成形力小，模具受力小，模具寿命高。2）金属件成形模比非金属件成形模的寿命低。影响模具寿命的因素2022年9月21日563）固态金属件强度越高，所需变形力越大，模具所承受的力则越大，模具的寿命低。4）铝、铜等有色金属件模具比黑色金属成形件寿命高。5）工件材料与模具材料的亲合力愈大，在成形过程中愈易与模具产生粘着磨损，模具的寿命愈低。模具工作条件202

18、2年9月21日576）冲表面光亮、性能均匀的钢板时，冲头受力均匀，寿命较高；7）冲表面粗糙的相同厚度热轧钢板时，寿命较低。例：某冲压件采用冷轧钢板，模具寿命为3万件，采用热轧钢板，寿命只有1.7万件。模具工作条件2022年9月21日582、温度1)成形高温工件时，模具受热量而升温，随着温度上升，模具强度下降，易产生塑性变形；2)模具与工件接触的表面和与工件非接触表面的温度差很大，造成模具内的温度应力；模具工作条件2022年9月21日593)成形过程中，模具与工件间断接触，受连续不断的热冲击，模具易萌生裂纹，造成疲劳磨损及断裂；4)在高温下，模具与工件表面原子活性增加，增加相互粘结、发生粘着磨损

19、的可能，也加速氧化磨损。 模具工作条件2022年9月21日60二、设备特性 （一）设备的精度与刚度1）设备的精度影响设备运动部分的导向精度高，上、下模不易错移，不易出现附加的横向载荷和转矩，模具磨损均匀，模具寿命高。注塑机，机械压力机，模锻锤，导向精度是逐次下降的，其相应的模具的寿命也是逐次下降的。模具工作条件2022年9月21日612）设备的刚度影响设备的刚度大，在成形过程中的弹性变形小，模具上、下模可较好地保证正确的配合状态。模具工作条件2022年9月21日622022年9月21日63设备刚度与冲裁力设备刚度愈差，弹性变形量愈大，上、下模抖动愈大，愈加速模具的不均匀磨损。为克服设备弹性变形

20、对模具工作精度的影响，冲裁力的确定原则：精密冲裁时，冲裁力应小于设备吨位的50；普通冲裁时，冲裁力不应超过设备吨位的80。模具工作条件2022年9月21日64（二）设备速度模具在单位时间内受的冲击力越大；受力时间越短，冲击能量来不及传递和释放，易造成局部应力超过模具材料的屈服应力或断裂强度 。模具越易断裂或塑性变形失效。模具工作条件2022年9月21日65液压机、曲柄压力机、螺旋压力机、气锤、高速锤它们的加载速度逐次变高；在其他工艺条件相同的情况下，这些设备上所用的模具寿命依次下降。 模具工作条件2022年9月21日66三、模具润滑与冷却（一）润滑润滑模具与工件相对运动的表面，可减少模具与工件

21、的直接接触，减少磨损，降低成形力；润滑剂在一定程度上能阻碍坯料向模具传热，降低模具温度，这对提高模具寿命是有利的。模具工作条件2022年9月21日67例如：1)拉深时，润滑毛坯与凹模的接触面；2)模锻时，润滑模膛；都有利于工艺的顺利进行和提高模具寿命。3)不锈钢表壳挤光模用机油润滑，寿命只有80件，用二硫化钼加油剂，寿命可达1万件。模具工作条件2022年9月21日68（二）模具冷却冷却方式内冷内冷的冷却方式较缓和，模具温差小，冷却效果好，模具寿命高。但模具结构复杂。外冷外部冷却的冷却效果显著，但模具内外温差大，且模具表面经受较大的急热急冷，易产生疲劳磨损或疲劳断裂，模具寿命低。模具工作条件20

22、22年9月21日69第三节 模具材料性能 一、模具材料的基本性能（一）使用性能 （二）工艺性能影响模具寿命的因素2022年9月21日70（一）模具材料的使用性能 1强度（1）屈服强度s： 材料抵抗塑性变形的能力。 （2）抗拉强度b： 材料抵抗断裂破坏的能力。 （3）裂纹临界应力强度因子KIC ： 材料抵抗裂纹扩展的能力（断裂韧度）。 模具材料的基本性能2022年9月21日712冲击韧性ak： 材料承受冲击载荷或冲击能量的能力。3耐磨性： 材料抵抗磨损的能力。 4耐蚀性： 材料抵抗周围介质腐蚀的能力。模具材料的基本性能2022年9月21日725硬度： 材料抵抗外部物体压入的能力。 6热稳定性： 材料在高温下，保持其组织、性能稳定的能力。7耐热疲劳性： 高温下，材料承受应力频繁变化的能力。模具材料的基本性能2022年9月21日73（二）模具材料的工艺性能1锻造工艺性能 材料对锻造工艺的适应性。2切削加工工艺性能 材料切削加工的难易程度。3热处理工艺性能 材料在热处理时，获得所需组织、性能和形状尺寸的难易程度。4淬透性 材料在一定条件下进行淬火，获得淬透层深度的能力。模具材料的基本性能2022年9月21日74注意：以上性能中，有的已有测量规范和指标，可用试验