冷挤压模具失效分析

冷挤压模具失效分析

1冷挤压模具技术冷挤压是一种先进的压力加工方法，其技术和经济都具有重要的特点。该工艺可以节省大量的原材料，有效的生产效率，易于加工复杂的零件。冷挤压件具有强度高、刚性好、重量轻、表面光洁和尺寸精度高等优点。因而，是航空、交通运输、通讯、家电、自行车等行业广泛采用的一种先进工艺技术。冷挤压模具是保证挤压件形状尺寸和精度的重要工装，是保证挤压件表面质量的重要因素之一。模具寿命长短直接影响产品质量和生产效率的提高。因此，提高挤压模具寿命对降低生产成本，提高经济效益有着十分重要意义。2模具失效原因冷挤压模具失效概括地说包含两方面：模具本身的损坏和生产出挤压件尺寸的超差。模具本身损坏又分为正常和非正常两种损坏形式，非正常损坏既无规律可寻，又可通过人为方法加以克服。本文主要讨论正常工作条件下的损坏，即冷挤压模具的失效。模具失效的主要形式有磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂。冷挤压模具失效原因：挤压工艺循环过程中，变形金属和模具工作表面之间的相对运动产生剧烈摩擦导致模具表面磨损；模具内部反复引起的高压应力，使模具工作时受到非对称的交变应力作用而发生塑性变形；挤压时金属的剧烈流动产生的热效应和摩擦热使模具工作表面温度升高（可高达400℃以上），当取出工件加润滑剂时这一工作间隙时间，这极易使模具表面散热降温。所以模具在完成一个工艺循环时，需经受一次热循环引起的交变应力作用，导致疲劳裂纹破坏。特殊的是挤压凸模比较细长，工作循环过程中，由于受侧向力和附加弯曲应力的作用，根部产生很大的交变弯曲应力，也易发生疲劳破坏。因此，弯曲应力对凸模的疲劳破坏不可忽视。3影响冷挤压制造的长期因素分析3.1模具材料选用不合理挤压工艺循环中，模具工作环境较差，要保证挤压模具能够长时间可靠工作，所选择的模具材料必须具备高硬度、高强度、高耐磨性和良好的韧性、足够的热稳定性、热硬性、耐热疲劳性。如果模具材料选用不合理，即使价格昂贵的模具钢其效果也难以奏效。例如，挤压铅、铝等软材料零件，选用高速钢（如W18Cr4V）来制作模具，其寿命并不理想。若选用优质碳素工具钢，可以达到理想效果。反之，挤压硬材料的钢件时，选择Cr12MoV这类高铬工具钢或W18Cr4V这类高速工具钢，热处理后，不仅强度高、硬度高、而且韧性、热硬性和耐磨性也好，完全可满足钢件挤压模具的要求。因此，根据挤压件材料种类和复杂程度、挤压方式、模具结构形式、模具实际工作条件、生产批量大小及设备类型综合考虑选择模具材料，是保证挤压模具具有高寿命的前提。3.2凸模抗弯力学法凸模的弯曲应力是由于凸模头部受到侧向力作用的结果，其来源主要有如下几方面：模具制造、安装误差或压力机静态精度不好，模具安装后，凸模中心线相对于凹模中心线发生偏斜，工作时，凸模就会受到侧向力作用；毛坯两端面不平行或与外圆不垂直，毛坯在凹模内因间隙大而放偏，挤压时凸模会受到侧向力的影响；模架中心与压力机中心不重合，或模具结构不对称，使压力机台面和模板弹性压缩变形不对称，压力机本身刚性和精度差等都是产生侧向力的来源；凸凹模紧固不牢靠，在上述侧向力作用下，模具发生“移动”使凸模中心错开。凸模在这些侧向力作用下，会发生弹性弯曲，在凸模弯矩最大处，弯曲应力最高，有：式中：MW———凸模抗弯截面模量。式中：αQ———侧向力；l———凸模杆部长度。如果σ设凸模的裂纹长度a，根据断裂力学Paris—Erdongan公式，有式中：da/dN———亚临界扩张速率（即a<裂纹临界长度a△K———应力强度因子振幅值；C、m———材料常数，查表或试验确定。式中：Y———裂纹荷因子；σ将式（4）代入式（3），可得：因Y与a无关，积分后得：式中：a由式（7）可知：由上式可以看出，N与σ3.3真空热处理工艺模具的使用寿命在很大程度上取决于热处理的质量。热处理的目的不仅是为了提高模具的硬度，也是为了改善钢的组织和性能，以获得理想的热强度和韧性。为确保热处理质量，近年来普遍采用可控气氛和真空热处理工艺，对温度、温升和冷却速度、淬火介质、回火次数等参数进行大量研究，并取得良好的效果。例如：滚动触头零件冷挤压模具，模具材料为Cr12钢，采用普通的一次硬化热处理工艺，寿命仅为6000～8000件，主要失效形式为开裂；改为锻热固溶淬火（1050℃油淬）+等温淬火（780℃）双重热处理工艺方法，可使模具寿命提高1.5倍以上。采用双重淬火工艺，可使碳化物呈弥散析出，均匀分布于钢的基体中，最终组织为10%下贝氏体+回火马氏体和弥散分布的碳化物及少量残余奥氏体。硬度58～62HRC，这种组织细密，有高的强韧性、耐磨性和良好的断裂韧性。3.4避免了脱碳、降低热处理变形、表面脱碳等弊端电火花切割已广泛用于模具加工。由于线切割加工一般都是在热处理后进行，从而避免了热处理变形、表面脱碳等弊端。但由于线切割工艺大多采用快走丝方法，线切割后工件表面粗糙度R模具寿命低的原因主要是：线切割加工时，放电区电流密度很大（10000A/mm(1）白层层析热应力消除线切割加工后，用研磨的方法去掉表面20HRC的白层，再经160℃～180℃回火处理2h，则白层下面的高硬层可降低6～8HRC，线切割产生的热应力得以消除。从而提高了钢的韧性，延长了模具使用寿命。(2）低温退火处理线切割加工表面经研磨后，白层和高硬层基本去掉。再进行120℃～150℃下5h～10h低温时效处理（低温回火处理），或采取160℃～180℃下4h～6h低温回火处理，可消除淬火层内部的拉应力。而硬度降低甚微，却大大提高了钢的韧性，降低了脆性，挤压模具寿命可提高4倍以上。若挤压模具在生产若干零件后，内部应力已经积聚很高。也可用此方法消除内应力，提高韧性从而提高模具寿命。4提高压缩模的使用寿命方法4.1钢材料材质对模具寿命影响模具材料是影响冷挤压模具寿命的关键因素之一，模具制造周期长，成本高，材料费用仅为模具费用的10%～15%左右，因此，要尽可能选用品质优良钢材制造挤压模具。例如：(1)挤压形状较为复杂材质为20钢的支撑块零件时，选用3Cr2W8V材料，热处理硬度为48～52HRC，模具寿命仅为6000件左右，主要破坏形式为型腔角部破裂，模具工作表面磨损。改变工艺方法，进行气体碳氮共渗，模具表面硬度提高到60～62HRC后，模具使用寿命超过2万件；(2)挤压材质为Q235钢的轴挡和轴管类零件时，选用强度高，塑性和韧性好的7CrSiMnMoV(CH）材料。采用560℃预热+880℃油淬+200℃回火热处理工艺，其模具使用寿命可达到9000件左右。4.2减少挤压件壁厚差前述分析可知，侧向力的来源很多，它们之间又有复杂的交互作用。因此，σ设挤压件壁厚差为δ。则由式（8）可得：即说明挤压次数（模具寿命）与挤压件壁厚差的某一次方成反比，若其他情况不变，则减小挤压件壁厚差，凸模的疲劳寿命可得到很大提高。因此，壁厚差较小的挤压件不仅可提高挤压件精度，而且可大大地提高模具使用寿命。4.3表面改性处理为进一步提高挤压模具寿命，可对挤压模具工作表面进行碳氮共渗、离子氮化、渗碳、渗硼及局部刷镀、喷涂等表面处理方法，使模具工作表面生成一层高强度、有极好耐磨性的化合物，从而增加模具耐磨性，以提高挤压模具寿命。表面强化工艺中的PVD、CVD、PCVD技术均可用于模具工作表面处理，运用PCVD沉积工艺，可在