模具材料及表面强化技术课件

第一章

模具材料概述Page21.1模具及模具材料分类一、模具分类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类铸造模具冲压模具塑料成型模具压铸模具锻造成型模具Page31.1模具及模具材料分类一、模具分类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类经济模具粉末冶金模具玻璃制品用模具橡胶制品成型模具陶瓷模具Page41.1模具及模具材料分类一、模具分类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类(3)成型模具(1)冷作模具(2)热作模具根据工作条件Page51.1模具及模具材料分类二、模具材料分类图1-1模具材料分类Page61.1模具及模具材料分类二、模具材料分类图1-2模具钢分类Page71.2模具材料的主要性能要求一、模具材料的使用性能要求(二)耐磨性(一)硬度和热硬性(六)耐蚀性(三)强度和韧性(五)耐热性(四)抗疲劳性Page81.2模具材料的主要性能要求二、模具材料的工艺性能要求(一)可加工性(二)可锻性(三)淬硬性和淬透性(五)脱碳敏感性(四)热处理变形性Page91.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素一、模具的失效形式模具失效是指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修复方法(刃磨、抛磨等)使其重新工作的现象。Page101.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素一、模具的失效形式图1-3模具失效的基本形式补充模具失效的基础知识第一节

模具失效的形式和机理一、模具失效的种类1、按经济法观点对失效分类2、按失效形式及失效机理分类模具的使用时间已到寿命终止期，属正常失效，应由模具使用者自己负责。若模具制造者提供的使用说明书没有对使用寿命等作出明确规定，制造者也要承担一定责任。在这种分类中你得到什么启示？按经济法观点对失效分类(1)正常耗损失效(2)模具缺陷失效属于模具质量问题,应由模具制造者承担责任。(3)误用失效属于使用不当造成的失效，应由模具使用者承担责任。若模具制造者提供的使用说明书没有对有关操作作出明确规定，则制造者也要承担责任。按经济法观点对失效分类属于其它原因或自然灾害等不可抗拒的因素所导致的失效。按经济法观点对失效分类(4)受累性失效二、磨损失效的类型和机理由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。模具在服役时，与成形坯料接触，产生相对运动，造成磨损。当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使其不能继续服役时，叫磨损失效。这种失效使产品有什么变化特征?模具失效的形式和机理1.磨粒磨损的形成和特征外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象叫磨粒磨损。工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损也叫磨粒磨损。工件表面的硬凸物是哪来的?(一)磨粒磨损

磨粒磨损的形成过程用模具成形工件时，由于模具比工件硬度高，磨粒首先被压入软工件内，在模具与工件相对运动时刮擦模具，从模具表面切下细小的碎片。当模具表面存在沟槽、凹坑时，磨粒不易从凹坑中出来（或粘结在模具表面上）随着工件运动，磨粒将耕犁或犁皱工件。磨粒磨损

磨粒磨损的主要特征摩擦表面上有擦伤、划痕或形成犁皱的沟痕。磨粒磨损2.磨粒磨损机理的主要理论分析1)微观切削磨损机理磨粒在材料表面的作用力F可分为与金属表面平行的分力Fx和垂直的分力Fy。Fy使磨粒压入金属表面形成压痕；Fx推动磨粒与金属表面产生相对切向运动。磨粒磨损当磨粒棱角锐利，又具有合适的角度时：在金属表面切削出长而浅的沟痕，形成切削屑，在表面留下犁沟。这种切削形成的切屑很小，但在显微镜下观察，切屑仍具有机床切屑的特点，所以称为微观切削。磨粒磨损机理的主要理论分析当磨粒无锐利的棱角，磨粒棱角的棱边不是对着材料表面的运动方向时：磨粒和被摩擦表面之间的夹角太小；表面材料塑性很高时都不会产生表面切削。磨粒磨损机理的主要理论分析

2)多次塑变磨损机理当磨粒的棱角不太尖锐，突出部分高度较小时，磨粒不发生表面切削摩擦，而是以较大的力沿金属表面滑行，表面金属被推向磨粒运动的前方或

两侧，产生堆积，这些堆积物没有离开金属基体，但使表面产生很大塑性变形。这种不产生切削的犁沟称犁皱。磨粒磨损机理的主要理论分析

2)多次塑变磨损机理在随后的磨粒继续作用时，有可能把堆积物重新压平或使已变形的沟底材料再次被犁皱变形。如此反复塑变，导致金属表面产生加工硬化，最终剥落而成为磨屑。磨粒磨损机理的主要理论分析多次塑变后被磨损的磨屑呈块状或片状，金属表面可以观察到反复塑变和辗压后的层状折痕以及一些台阶、压坑及二次裂纹等。

2）多次塑变磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析多次塑变磨损后产生金属表面分离的磨屑是因为材料表层微观组织受磨粒反复作用的应力超过材料表面的疲劳极限所造成的。

3）疲劳磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析对于脆性材料，在压痕试验中可以观察到材料表面压痕伴有明显的裂纹根据这一现象，微观断裂磨损机理认为：脆性材料在磨粒磨损时会使横向裂纹互相交叉或扩散到表面，造成材料剥落。

4）微观断裂磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析从以上分析可知，各种机理都可以解释部分磨损特征，但都不能解释所有的磨粒磨损现象所以磨粒磨损过程可能是这几种机理综合作用的反映，而其中的某一种损害可能起主要作用。磨粒磨损机理的主要理论分析3.影响磨粒磨损的因素1）磨粒尺寸与几何形状

磨粒尺寸越大，金属表面的体积磨损量越大。但当磨粒的尺寸超过一定值后，体积磨损量增加的幅度明显减小。当磨粒的棱角尖锐且凸出较高时，金属表面磨损率较大。当磨粒棱角不尖锐且凸出较小时，磨损率较小。磨粒磨损2）磨粒硬度

磨粒磨损与磨粒硬度Ha和金属硬度Hm之间的相对值的大小有关。Ⅰ区为低磨损状态：Hm＞1.25Ha，金属表面产生轻微磨损，磨损率较小。曲线上升平缓。Ⅱ区为磨损过渡状态：0.8Ha＜Hm＜1.25Ha，磨损轻、重转化阶段，磨损率急剧增加，曲线上升很陡。影响磨粒磨损的因素Ⅲ区为高磨损状态：Hm＜0.8Ha，金属表面产生严重磨损，磨损量大，磨损率小。曲线平缓。影响磨粒磨损的因素试验结果表明：要减小磨粒磨损量，金属的硬度Hm应比磨粒的硬度Ha高。实际经验：只要求满足Hm≈1.3Ha，就可达到减小磨损量的目的。因为Hm高到一定时，不会再得到更显著的改善。3）模具与工件表面压力

模具与工件之间的表面压力越大，磨粒压入金属表面的深度越深，则磨损量越大。但当压力达到一定值后，磨粒棱角变钝，使磨损量的增加减缓。4）工件厚度

工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。影响磨粒磨损的因素

1.粘着磨损的形成和特征

工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨损。(二)粘着磨损磨损失效的类型和机理磨损的四种类型接触表面发生粘着以后，根据运动产生的切应力、接触处的粘合强度、金属本体强度三者之间的不同关系而产生的不同破坏现象，可以把粘着磨损分为：1）涂抹；2）擦伤；3）撕脱；4）咬死

粘着磨损磨损的四种类型1）涂抹

当较软金属的剪切强度小于接触处的粘合强度，也小于外加的切应力时，剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属层内，被剪切的软金属涂抹在硬金属表面上的现象。粘着磨损磨损的四种类型2）擦伤

软金属表面产生细而浅的划痕；有时硬金属表面也有划伤的现象。3）撕脱

剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处，有较深划痕的现象。4）咬死

摩擦副之间咬死，不能相对运动的现象。粘着磨损

粘着磨损的主要特征金属表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成交替的裂口、凹穴。摩擦副之间有金属转移，表层金相组织和化学成分均有明显变化。磨损产物多为片状或小颗粒，在金属表面形成大小不等的结疤。粘着磨损2.粘着磨损机理的理论分析在大气中的金属表面都存在氧的吸附层。图3-6表示了经过机械加工后，金属表层的结构。第一层为氧的物理吸附层、第二层为氧的化学吸附层。这两层是金属与周围空气中的氧交互作用而形成的。第三层为塑性变形层，是机械加工所引起的。粘着磨损在干摩擦情况下，两摩擦表面直接接触。粘着磨损机理的理论分析在边界摩擦情况下，边界膜的厚度比两摩擦表面的粗糙度之和要小，所以两摩擦表面之间仍有局部接触区。粘着磨损机理的理论分析在液体摩擦情况下，润滑油膜的厚度大于两摩擦表面粗糙度之和，两摩擦表面之间不直接接触。粘着磨损机理的理论分析实验证明：当两块新鲜纯净的金属接触之后再分离，经过检测发现金属能够从一个表面转移到另一个表面的现象，这是原子间键合作用的结果。在空气中，摩擦副之间相对运动，在接触载荷较小时，金属表面吸附的一层氧化膜能起到防止纯金属新鲜表面直接接触而产生粘着现象。粘着磨损机理的理论分析由于加工的影响，模具和工件表面存在一定的微观不平度，相互的接触表面只有少数微观凸起的部位，实际的接触面积远远小于理论接触面积。接触载荷较大时，接触处就会产生很高的应力，以致超过材料的屈服强度而引起局部的塑性变形。粘着磨损机理的理论分析塑性变形和摩擦过程会产生很高的热量，接触处的高温，可以使表面润滑油烧干，同时摩擦也可以使氧化膜破裂而显露出新鲜的金属表面。当裸露金属的新鲜表面直接接触，相互之间的原子产生吸引和渗透而发生熔合粘着。粘着磨损机理的理论分析在随后的滑动中，刚形成的粘着点被剪断、拉开，并转移到工件表面或脱落形成磨屑。然后又在其他地方形成新的粘着点，然后再被破坏，如此循环过程就构成粘着磨损。粘着磨损机理的理论分析

3.影响粘着磨损的因素（1）材料性质（2）材料硬度（3）模具与工件表面压力（4）滑动摩擦速度粘着磨损

1.疲劳磨损的形成与特征两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。（三）疲劳磨损磨损失效的类型和机理疲劳磨损的形成过程在线、面接触的摩擦副中，在承受力和相对运动的情况下，接触表面有多变的接触压力和切应力；这些外力反复作用一定周次后，表面就会产生局部的塑性变形和加工硬化；疲劳磨损疲劳磨损的形成过程在某些组织不均匀处，由于应力集中，形成裂纹源，并沿着切应力方向或夹杂物走向发展。当裂纹扩展到表面或与纵向裂纹相交时，形成磨损剥落。疲劳磨损

疲劳磨损的种类模具疲劳磨损的外载有机械载荷和热载荷。因此疲劳磨损可分为：机械疲劳磨损、冷热疲劳磨损。疲劳磨损

2.疲劳磨损的特征接触表面出现许多痘状、贝壳状或不规则形状的凹坑，有些凹坑较深，底部有疲劳裂纹扩展线的痕迹。疲劳磨损疲劳磨损的特点疲劳磨损裂纹一般产生在金属的表面和亚表面内，裂纹扩展的方向平行于表面，或与表面成10°～30°的角度，只限于在表面层内扩展。疲劳磨损没有一个明显的疲劳极限，寿命波动很大。疲劳磨损疲劳磨损的特点疲劳磨损除受循环应力作用外，还要经受复杂的摩擦过程，可能会引起表面层一系列物理化学变化以及各种力学性能与物理性能变化等，所以工作环境比整体疲劳更复杂更恶劣。疲劳磨损

影响疲劳磨损的因素1）材料的冶金质量2）材料的硬度3）表面粗糙度

疲劳磨损气蚀磨损金属表面产生的气泡破裂，在瞬间产生的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损。哪来的气泡？（四）其他形式磨损

气蚀磨损的形成过程当液体与模具接触处的局部压力比液体蒸发压力低，就会形成气泡。同时溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡。如果这些气泡承受的压力超过气泡内压力时，气泡就会破裂。哪种模具表面可能与液体接触?

气蚀磨损的形成过程在这种气泡的形成和破裂的反复作用下，模具浅表面将萌生疲劳裂纹，最后扩展至表面，局部金属脱离表面或气化，形成泡沫海绵状空穴。哪种模具表面可能与液体接触?其他形式磨损

冲蚀磨损

液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损。其他形式磨损冲蚀磨损当小滴液体以高速(100m／s)落到模具表面上，会产生很高的应力，一般可以超过金属材料的屈服强度，甚至造成局部材料断裂。但速度不高的反复冲击会萌生疲劳裂纹，形成麻点和凹坑。气蚀磨损和冲蚀磨损是疲劳磨损的一种派生形式，在注塑模具与压铸模具中易出现。其他形式磨损

腐蚀磨损在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象叫腐蚀磨损。其他形式磨损腐蚀磨损形成过程当一对摩擦副在一定的环境中发生摩擦时，在摩擦面上会产生与环境介质的反应，并形成反应物；表面反应物在两摩擦副的相对运动中被磨掉；反应物被磨掉，就会暴露出未反应表面，就又开始形成反应物。其他形式磨损腐蚀磨损形式常发生于高温或潮湿的环境中，在有酸、碱、盐等特殊条件下最易发生。模具常见的腐蚀磨损有：氧化腐蚀磨损和特殊介质的腐蚀磨损。其他形式磨损在摩擦过程中，由于金属表层凸峰的塑性变形，促使原有的氧化膜破裂，新的材料暴露，又与氧结合形成脆而硬的氧化膜。新生成的氧化膜因摩擦作用而剥落，由此造成的磨损称为氧化磨损。模具服役时一般都会出现氧化磨损。

氧化磨损其他形式磨损在腐蚀性环境中，金属表面与酸、碱、盐等特殊介质发生化学反应，形成化合物。在摩擦力的作用下，引起表层化合物的脱落，由此引起的磨损称为特殊介质腐蚀磨损。

特殊介质腐蚀磨损其他形式磨损

微动磨损模具的嵌合部位或过盈配合处，在循环载荷或振动的作用下，虽然不产生宏观的相对位移，但却

产生微小(2～20μm)的相对滑动，在配合面上有氧化物磨损粉末产生，而且不易向外排出。其他形式磨损

这时，该处的磨损兼有氧化磨损、磨粒磨损和粘着磨损的特征，并逐渐在嵌合部位形成磨痕蚀坑，对于钢材，蚀坑处有大量褐红色氧化物(Fe2O3)聚集。这种磨损称为微动磨损，又称咬蚀。咬蚀引起严重的应力集中，最后导致疲劳断裂。其他形式磨损在模具与工件(或坯料)相对运动中，摩擦磨损情况很复杂，磨损一般不只是以一种形式存在，往往是多种形式并存，并相互促进。（五）磨损的交互作用其他形式磨损三、过量变形失效

材料受到力的作用就会产生变形。随着力的增加，材料的变形总是要经历弹性变形阶段、塑性变形阶段、出现裂纹到裂纹扩展直至断裂阶段的过程。模具失效的形式和机理变形失效是逐步进行的，一般属于非灾难性的，因此不易被人关注。当变形量超过了模具的精度要求，成型的工件成为次品或废品时，也会造成模具的失效。另外，过度的变形最终也会导致断裂。过量变形失效模具在使用过程中，产生的弹性变形量超过模具匹配所允许的数值，使得成型的工件尺寸或形状精度不能满足要求而不能服役的现象，称为过量弹性变形失效。判断过量弹性变形失效比较困难，因为在工作状态下引起的变形导致失效的模具，在剖析和测量尺寸时，变形已经恢复。过量弹性变形失效过量变形失效2．塑性变形失效模具在使用过程中，由于发生塑性变形改变了几何形状或尺寸，而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效。塑性变形失效的主要形式有塌陷、镦粗、弯曲等。

过量变形失效当模具的某些部位所承受的应力超过工作温度下模具材料的屈服强度时，就会产生过量的塑性变形而造成模具的失效。过量变形失效四、断裂失效

模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。材料的断裂是力对材料作用的最终结果，意味着材料的彻底失效。模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。模具失效的形式和机理断裂失效断裂失效1.韧性断裂断裂前产生明显的宏观塑性变形，断裂过程中吸收较多的能量，一般在高于材料屈服应力条件下的高能断裂。韧性断裂断口的宏观特征为断口截面尺寸减小，有缩颈现象。断裂失效2.脆性断裂断裂前的变形量很小，没有明显的塑性变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般在低于允许应力条件下的低能断裂。脆性断裂断口的宏观特征为断口截面尺寸无明显变化，不产生缩颈。韧性和脆性两种断裂用肉眼或10～20倍放大镜就可分辨出其断口特征。断裂失效3.沿晶断裂

裂纹沿多晶体晶界扩展分离产生的断裂,也称为晶界断裂。当晶界上存在着脆性相、热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等引起的断裂为沿晶断裂。沿晶断裂在室温下往往是脆性断裂，断口的微观形貌显示出多晶体的外形，呈“冰糖块”状。断裂失效金属材料在高温下的蠕变断裂往往是韧性沿晶断裂，由于晶界滑动和晶粒发生塑性变形，微观断口上有大量韧窝。断裂失效4.穿晶断裂裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。当材料韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲击载荷时，易产生穿晶断裂。穿晶断裂可能是韧性断裂也可能是脆性断裂。断裂失效韧性穿晶断裂破坏时，常以夹杂物或第二相粒子为核心，形成大量的显微孔洞。在应力作用下，这些显微孔洞发生微观塑性变形而逐渐长大、聚合，直至断裂。断裂失效韧性穿晶断裂断口的微观形貌呈韧窝状。韧窝越大、越深，则微观塑性变形量越大。断裂失效脆性穿晶断裂也称为解理断裂，解理断裂是沿一定晶面(称为解理面),迅速发生晶体分离的脆

性断裂。其断口的微观形貌特征是由若干解理台阶相汇合形成的“河流花样”。断裂失效根据河流支流合并为主流的方向，可以确定裂纹在微观区域内扩展的方向。解理穿晶断裂常在低温、冲击或三向拉伸的应力状态下，发生在体心立方或密排六方晶格的金属材料中。断裂失效5.混晶断裂

当裂纹的扩展形成既有穿晶型也有沿晶型时，则称为混晶断裂或准解理断裂。准解理断裂是由解理断裂和微孔聚合断裂组成的混合型断裂。断裂失效准解理断裂形成过程：断裂失效在准解理小平面内有向四周放射的河流花样，小平面间存在大量短而弯曲的撕裂棱。多晶体金属的断裂多数属混晶断裂。断裂失效6.一次性断裂模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂称为一次性断裂或快速断裂。一次性断裂的断口呈结晶状。断裂失效7.疲劳断裂

疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后,由裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象。疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成。断裂失效

疲劳断裂形成过程

模具内部受力不均时，在局部范围内就会出现较大的应力集中，在循环载荷的作用下，应力集中处最先出现裂纹，裂纹的前沿形成尖锐的缺口，造成新的应力集中区，并在模具工作的过程中，裂纹不断扩展直到模具发生破坏。

断裂失效

疲劳断裂的特征

疲劳断口特征分为：疲劳扩展区(光亮区)：是裂纹自裂纹源向纵深逐渐发展形成的，具有光亮的“贝纹”状痕迹。最后断裂区(粗糙区)：是裂纹发展到一定程度失稳快速扩展的结果。断裂失效8.正断和切断断口的宏观表面垂直于最大正应力或最大正应变方向的断裂称为正断，断口的宏观表面平行于最大切应力方向的断裂称为切断。断裂失效五、多种失效形式的交互作用1）磨损对断裂的促进作用磨损沟痕可成为裂纹的发源地。当由磨损形成的裂纹在有利于其向纵深发展的应力作用下，就会造成断裂。模具失效的形式和机理模具局部磨损后，会带来承载能力的下降以及易受偏载，造成另一部位承受过大的应力而产生塑性变形。2）磨损对塑性变形的促进作用多种失效形式的交互作用塑性变形后，模具间隙不均匀，间隙变小，必然造成不均匀磨损，磨损速度加快，进而促进磨损失效；塑性变形后，模具间隙不均匀，承载面积变小，带来附加的偏心载荷以及局部应力过大，造成应力集中，并产生裂纹，促进断裂失效。3）塑性变形对磨损和断裂的促进作用多种失效形式的交互作用第二节模具的工作条件与失效形式不同种类的模具，由于其工作条件不同，它们在服役中发生失效的形式和特点也各不相同。下面将分别介绍各种模具的工作条件和失效形式。一、冷作模具的工作条件与失效形式冷作模具主要包括：冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。相同点：都是常温下对被加工材料施加压力，使其产生分离或变形，获得零件。不同点：技术要求不同，具有不同的工作条件，因此失效形式各有不同之处。1．冷冲裁模的工作条件

主要工作部位：凸模刃口和凹模刃口在冲压力作用下，凸模引入凹模时，对板料施加一定压力，通过锋利的刃口使板料

产生弹性变形、塑性变形，直至被剪裂。（一）冷冲裁模冷冲裁模的受力过程在板料弹性变形阶段冲头端面的中央部位与板料脱离接触，压力集中于刃口附近的狭小范围内，使刃口上的单位面积压力增大。冷冲裁模冷冲裁模的受力过程在板料塑性变形和剪裂阶段凸模切入板料，板料挤入凹模内孔，使模具刃口的端面和侧面产生挤压和摩擦。冷冲裁模冷冲裁模的受力性质模具在工作过程中刃口受到的力主要有：正压力、侧压力、摩擦力和弯曲力等。模具刃口受力的大小与板料的厚度和硬度有关。冷冲裁模2．模具寿命与受力大小、板料厚度的关系

冲头受到的压力通常大于凹模，尤其是在厚板上冲制小孔时，冲头的单位面积的压力很大。设冲头工作部分的直径为d，板料厚度为t，则比值d/t越小，冲头受力越大，其寿命就越低。冷冲裁模冲头寿命与直径、板料厚度的关系

冷冲裁模3．冷冲裁模的失效形式

模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损和崩刃。磨损的部位：刃口磨损、侧面磨损、端面磨损。冷冲裁模失效形式与板厚的关系冲裁不同板料厚度的模具负荷的大小不同，失效形式也有所不同。冲裁模可分为：薄板冲裁模(t≤1．5mm)厚板冲裁模(t＞1．5mm)。冷冲裁模失效形式与板厚的关系薄板冲裁模受力较小，其失效的主要形式是磨损。厚板冲裁模受力较大，其失效形式除了磨损外,还可能发生局部断裂(崩刃)。当比值d/t较小时，还会引起冲头的宏观塑性变形或折断。冷冲裁模冷冲裁模4．模具刃口的损伤过程

模具在服役中的磨损过程，可分为初期磨损、稳定磨损和急剧磨损三个阶段。冷冲裁模1）初期磨损阶段刃口锋利，与板料接触面积小，单位面积压力大，易造成刃口局部塑性变形，所以初期磨损阶段的磨损速度较大。冷冲裁模2）稳定磨损阶段刃口磨损至一定程度，单位面积压力减轻，刃口表面产生塑变强化，不再继续塑性变形，这时刃口的磨损主要由坯料的摩擦引起，磨损速度变缓，即进入稳定磨损阶段。冷冲裁模3）急剧磨损阶段模具服役相当长的时间后，刃口因经受多次冲裁而趋于疲劳，局部表面开始剥落，即进入急剧磨损阶段。这时，会因冲裁件不合格导致模具失效。冷冲裁模分析思路：1）根据受力特征判断可能产生失效的形式；2）根据刃口磨损部位或损伤程度分析原因；3）根据刃口变形特征判断磨损阶段在急剧磨损阶段之前及时对刃口进行修磨，可提高使用寿命。

1.冷拉深模的工作条件

（二）冷拉深模

拉深模的主要工作零件也是凸模刃口和凹模刃口。与冲裁模不同的是拉深模刃口圆钝不锋利，凸、凹模之间的工作间隙较大。2.冷拉深模的失效形式

拉深模在工作时，冲击力很小，单位面积的压力也不大，主要是模具型腔表面承受板材变形的剧烈摩擦。这种模具的失效形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。磨损部位：凹模、压边圈端面、凸模、凹模圆角半径处等。冷拉深模拉深模损伤的过程在冷拉深过程中，模具工作表面的某些局部负荷较重，承受挤压力较大,摩擦热积累较多，使温度升高在温度和压力的共同作用下，模腔局部表面易与坯料发生咬合，使小块坯料粘附在模腔表面形成很硬的“小瘤”坚硬的“小瘤”使拉深件表面产生划痕或擦伤,即发生了粘着磨损。冷拉深模（三）冷镦模

冷镦模是在冲击力的作用下，凸模使金属棒料在凹模型腔内镦粗成形的冷作模具。冷镦模主要用来加工各种形状的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。冷镦模

模具的上模是由凸模和模柄通过螺钉紧固而构成。下模是由凹模及凹模固定套和凹模固定板组成。冷镦模

当工件镦压成形后，由下模的杠杆通过出模机构将零件从凹模中顶出。冷镦模

在冷镦加工过程中，冲击频率高，可达60～120次／min，冲击力大，金属坯料受到强烈地镦击，同时，模具也同样受到短周期冲击载荷的作用。由于是在室温条件下工作的，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产生强烈地摩擦。冷镦模

冷镦模最常见的失效形式磨损失效和疲劳断裂失效磨损失效可能有磨粒磨损、表面损伤、冲击磨损等多种形式；凸模在冲击力的作用下，表面会产生剥落而出现麻坑；由磨损所造成的表面损伤、麻坑、擦伤痕等，均可能成为疲劳裂纹源，导致模具的疲劳断裂。冷镦模

还可能产生凸模的塑性变形和折断；凹模的模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂等损伤，而出现模具的失效。冷镦模

冷镦模最常见的失效形式（四）冷挤压模

冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。工作零件为凸模和凹模根据金属坯料的流动方向与凸模运动方向的关系，冷挤压可分为四种类型：（四）冷挤压模

1）正挤压金属坯料的流动方向与凸模运动方向相同为正挤压。（四）冷挤压模

2）反挤压与凸模运动方向相反为反挤压；（四）冷挤压模

3）复合挤压一部分与凸模运动方向相同，另一部分与凸模运动方向相反为复合挤压；（四）冷挤压模

4）径向挤压金属坯料的流动方向垂直于凸模运动方向为径向挤压。（四）冷挤压模

冷挤压时金属坯料受强烈的三向压应力。在模具的作用下，金属坯料沿凸、凹模间隙或凹模模口剧烈流动，产生较大的位移变形，获得薄壁空心件或横截面较小的挤压件。由于金属坯料对模具的反作用力和摩擦，使模具承受强大的挤压力很大的摩擦力。（四）冷挤压模

挤压时形成的摩擦功和变形能转化为热能，模具的局部表面产生400℃以上的高温。金属坯料端面不平整、凸模与凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致使凸模在挤压时承受很大的偏载或横向弯曲载荷。（四）冷挤压模

冷挤压模的主要失效形式：塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效等；冷挤压凹模有时还会产生胀裂失效。二、热作模具的工作条件及失效形式热作模具在工作中除承受机械负荷外还承受热负荷，其失效形式比冷作模具复杂。不同的热作模具工作条件不同，失效形式和影响因素也各有所不同。常见的热作模具有锤锻模、热冲裁模和压力铸造模等。1．锤锻模的工作条件

锤锻模上模与锤头固定，下模与工作台的模座固定，工作时上模随锤头向下运动，与下模合模的过程中成型模锻件。(一)锤锻模

1．锤锻模的工作条件

在工作过程中的机械负荷主要是冲击力和摩擦力，热负荷主要是交替受加热和冷却。锤锻模

（1）模具的受力

锤锻模在工作过程中受力性质比较复杂，主要有：a.冲击力锤锻模工作时承受多次冲击载荷，冲击力较大，模锻锤的吨位越大，产生的冲击力越大。

锤锻模（1）模具的受力

b.压力模具型腔受坯料变形的反作用，使型腔表面承受很大的压力。

c.内应力受模具型腔结构形状的影响，模具的不同部位会产生不同状态的内应力。模具结构形状越复杂的部位，其应力状态也比较复杂。

锤锻模（2）模具的受热

a.锻前预热：由于工艺的需要，锤锻模在使用前先要进行预热。（目的？）

b.与坯料接触的热：在工作中与炽热坯料接触进一步被加热。c.变形热和摩擦热：坯料变形以及与型腔表面摩擦所产生的热量有一部分被模具吸收。

锤锻模（2）模具的受热

在锻造钢件时，坯料温度通常在1000℃以上，模具型腔表面的温度一般可达到500～600℃，其中窄小、凸起等部位吸热较多，温度可高达750℃。当模具局部温度超过模具的回火温度时，这些部位将继续回火过程,从而产生组织和性能的变化；

锤锻模（2）模具的受热

模具中温度分布的不均匀性，将会导致出现热应力。所有这些，都会影响锤锻模的失效过程和失效形式。

锤锻模（3）模具的冷却为减轻锤锻模的热负荷，在模具工作间歇，对模具进行冷却来控制模具温度的升高。例如每锻压完一个毛坯后，用冷空气、水、油等介质冷却模具型腔；或在型腔表面涂抹润滑剂，既能减摩，又起到冷却作用。锤锻模工作过程中，型腔不断受到加热和冷却的反复作用，使模具产生热疲劳现象。

锤锻模（4）型腔表面摩擦

被锻金属坯料在模具型腔中热塑变流动，对型腔表面产生摩擦作用。摩擦力的大小与正压力和摩擦表面的状况有关。在坯料热塑变流动的情况下，正压力主要取决于热坯料的塑变强度；模腔表面受热氧化也影响摩擦和磨损过程。

锤锻模2．锻模的基本失效形式

（1）型腔部分的模壁断裂；（2）型腔表面热疲劳；（3）塑性变形；（4）磨损；（5）锻模燕尾的开裂。（1）锻模型腔部分的断裂分为早期脆性断裂和机械疲劳断裂。①模具的早期脆性断裂在锤击次数较少时发生的，有的仅锻打几次就出现断裂。模具受很大的冲击载荷作用，型腔中受拉应力较大且薄弱的部位可能产生裂纹，当裂纹受力扩展至一定尺寸时，便会发生快速失稳扩展而导致突然断裂。②模具的机械疲劳断裂在模具经受许多次锻击后发生的断裂。锻模承受的冲击应力比一般机械零件承受的“静”载交变应力要大得多，所以其疲劳断裂的周次远小于一般的高周疲劳，可以认为是较大冲击能量的冲击疲劳。模具断裂的断口特征早期脆性断裂的断口的宏观形貌特征是从断裂源开始，裂纹呈人字花纹向外扩展。机械疲劳断裂的宏观和微观断口具有一般疲劳断口的特征，但宏观断口上的裂纹扩展区一般较小。（2）型腔表面的热疲劳

热疲劳：指热作模具在循环热应力的反复作用下产生的疲劳裂纹或破坏的现象。热疲劳裂纹：指型腔表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定的循环次数，导致表面产生的许多细小裂纹。热应力产生的原因：锻模的截面尺寸较大，沿截面的温度梯度也大，型腔表面受急热、急冷的作用而内层的温度变化较小，表层的热胀冷缩受到内层的约束而产生热应力。循环热应力产生的过程型腔表面受热膨胀时，要受内层的约束使表层产生压应力；冷却收缩时，受内层约束，表层产生拉应力。如果热应力大于材料在该温度下的屈服点，便会发生压、拉塑性应变。型腔表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定的循环次数，就会导致热疲劳裂纹的产生。

热疲劳裂纹的特征“龟裂”指呈条状、放射状，并连成网状的疲劳裂纹。但是，继续受机械应力、氧化腐蚀及坯料的摩擦、挤入作用，会使细小裂纹继续向纵深扩展，成为脆性断裂和疲劳断裂的裂纹源。这种形式断口的开裂处有氧化物覆盖，呈深灰色，里面存在脱碳层。

龟裂深热裂影响模具热疲劳的主要因素①模具型腔表面的温度变化幅度模具的循环温差越大，材料的热膨胀系数越大，则循环热应力越大，越易于发生热疲劳。

影响模具热疲劳的主要因素②模具材料的抗氧化性、导热性和热膨胀系数

模具型腔表面的致密氧化物层可阻缓继续氧化过程，但氧化层增厚以致破裂后，便露出基体金属并产生侵蚀沟。沟底的应力集中易使热疲劳裂纹萌生，沟底氧化物的不断产生和聚集，使它在循环热应力作用下起着楔子的作用，大大加速裂纹的扩展。（3）型腔表面的磨损

锻模在多次重复冲击作用下，一方面坯料对型腔表面产生冲击性的接触应力，另一方面坯料塑变流动对型腔表面产生强烈的摩擦。在热负荷的作用下，型腔表面层可能发生软化，同时表面的氧化也将加剧。（3）型腔表面的磨损

在型腔表面与坯料滑动摩擦较小的部位，由于较大接触应力的重复作用，易使型腔表面产生小块剥落，形成痘状麻坑。热负荷对表面的软化作用及热应力的作用将促进这种疲劳磨损。在型腔表面受坯料滑动摩擦较大的部位，由于摩擦切应力和热负荷的作用，则易使型腔表面产生氧化磨损和热粘着磨损。（3）型腔表面的磨损

热粘着磨损的产生在高温和压力作用下，坯料与模具型腔局部表面发生粘合，继而在切应力作用下粘合处破坏，在型腔表面产生擦伤沟槽。型腔表层受热软化，易于在摩擦切应力作用下发生局部的塑变流动，从而促使热粘着磨损的产生。氧化膜对型腔表面的影响当模具表面形成薄而致密的氧化膜时，具有润滑和减摩作用，能防止热粘合现象。但在温度较高，所形成的氧化膜厚而疏松时，则由于氧化膜容易破裂、剥落，且氧化物碎片又成为磨粒，将加剧型腔表面的磨损。模具磨损的影响因素

模具的温度；模具材料的化学成分和硬度；模具型腔的表面状况；模具的使用条件等。（4）锻模型腔的塑性变形

温度升高使模具材料的屈服强度下降；当温度高于模具的回火温度时，则进一步使之软化；当软化部位的屈服点低于该部位所承受的应力水平时，就会产生塑性变形。锻模型腔塑性变形形式棱角堆塌模具型腔中的肋、凸台等突出部位吸热较多，温度较高，受力也较大，当其软化层深度较大时，便会出现棱角堆塌等塑变现象。在软化层较浅的部位，可在坯料的摩擦作用下发生表层塑变流动。在模具型腔深处，则常在淬火冷却时未得到马氏体，热处理后硬度偏低，以致在较大压力下产生塑性变形，使型腔凹陷。

型腔凹陷塑性变形的影响因素①坯料的变形速度②坯料的变形抗力坯料的塑变抗力大，锤击速度高，都会使模具的受力加大，并且使模具表面的温升提高，所以易产生塑性变形失效。

（5）模具燕尾开裂

燕尾根部凹槽有应力集中，尤其当存在加工刀痕时，易在冲击载荷的重复作用下，在刀痕处萌生疲劳裂纹，裂纹沿刀痕横向延伸并向纵深扩展，造成燕尾开裂。燕尾开裂的影响因素1）结构设计2）表面粗糙度3）模具的安装固定4）燕尾部分的硬度和微观组织。硬度过低对裂纹萌生的抗力低，硬度过高对裂纹扩展的抗力低，合适的硬度和组织才能使燕尾有最高的疲劳抗力。锻模在不同的部位工作条件不同，会产生不同的失效形式，因此上述五种失效形式在同一模具上都有可能出现，而最终先导致锻模不能继续服役的失效形式可能只是其中的一种。

(二)压力铸造模压力铸造模是在压铸机上用来压铸金属铸件的成型模具(简称压铸模）。

1、压铸模的工作条件压铸模的型腔表面承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用；每次压铸脱模后，还要对型腔表面进行冷却、润滑。使模具承受频繁的急热、急冷作用。

压铸不同材料的工作温度和失效形式1）压铸锌合金时，压铸模型腔的表面温度不超过400℃，热负荷较小。模具的工作寿命较长。2）压铸铝合金时，压铸模型腔的表面温度可达600℃左右，且熔融的铝合金液很容易粘附钢铁材料。铝合金压铸模的失效形式主要是粘模、侵蚀、热疲劳和磨损。在模具型腔结构复杂并存在应力集中时，模具也会在热负荷和机械负荷的共同作用下出现断裂失效。3）压铸铜合金时，压铸模型腔的表面温度可达750℃以上，模具急热急冷的温度变化幅度大。主要失效形式是热疲劳龟裂。模具型腔中截面尺寸小的凸起部分，也会因受热软化而产生塑性变形。压铸铜合金时的使用寿命远低于压铸铝合金。4）压铸铁合金时，压铸模型腔的表面温度高达1000℃以上。采用传统的热作模具钢制造的模具，在服役时型腔表面易氧化、腐蚀，易产生塑性变形和热裂，模具的寿命极低，往往压铸几百次即告失效。三、塑料模具的工作条件及失效形式

1、塑料模的工作条件塑料模的主要工作零件是成型零件，如凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等。工作中受压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。

塑料模型腔承受注射压力：40～140MPa闭模压力为80～300MPa或更高；受热温度为140～300℃。

型腔表面承受摩擦和腐蚀的剧烈程度取决于塑料的种类及其填充物的性质。对于需要手工操作的模具，在装模和脱模时经常会受到手用工具的敲击和碰撞。1、塑料模的工作条件塑料制件成型对模具的基本要求

1）要求模具成型面具有很小的表面粗糙度值；一般在Ra0.2～0.025μm的范围或更小。2）模具各成型零件的尺寸精度和相互配合的精度要求高；3）塑件形状复杂时，模具型腔的结构也相应复杂。

2、塑料模的失效形式塑料模在服役过程中，可能会产生磨损、腐蚀、塑性变形、断裂、疲劳及热疲劳等失效形式，这些失效形式都与塑料模的工作条件及使用要求密切相关。1）型腔表面的磨损和腐蚀塑料熔体以一定压力在模腔内流动，凝固的塑件从模具中脱出，都会对模具成型表面造成摩擦，引起磨损。模具在加工含有氯原子或氟原子的塑料时，塑料受热会产生少量的热分解，放出的HCI、HF等气体将会腐蚀模腔表面，从而导致失效。模具在腐蚀的同时又有磨损损伤时，型腔表面的镀层或其它防护层将遭到破坏，就会加剧腐蚀过程。两种损伤交叉作用，加速了腐蚀—磨损失效。2）塑性变形

塑料模型腔表面受压、受热可引起塑性变形失效，尤其是当小模具在大吨位设备上工作时，更易产生超负荷塑性变形。塑性变形多发生在受力较大的棱角处，其表现形式为棱角堆塌。在型腔的其它部分可出现凹陷、麻点、表面起皱等。其他引起塑性变形的因素

型腔表面强化层太薄，经磨损后变形抗力不足；模具热处理时回火不足；工作时受热继续回火转变而产生相变超塑性等。3．断裂

塑料模型腔结构比较复杂，承受压力较大时，局部可能出现复杂的应力状态和结构因素引起的应力集中，有可能使模具产生断裂失效。当模具热处理时回火不足，组织中仍有较多的残余奥氏体时，在服役温度下残余奥氏体将转变为马氏体，从而产生相变内应力，而引起模具的开裂。3．断裂4．疲劳和热疲劳

塑料模的机械负荷是循环变化的，使型腔表面承受脉动拉应力作用，从而可能引起疲劳破坏。塑料模的热负荷也是循环变化的，型腔表面反复受热和冷却，可导致应力集中处萌生热疲劳裂纹。型腔表面上的脉动拉应力，有可能使热疲劳裂纹向纵深扩展，成为断裂或疲劳断裂的裂纹源。4．疲劳和热疲劳Page1851.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素二、模具的失效分析模具的失效分析是对已经失效的模具进行失效过程的分析，以探索并解释模具的失效原因。模具失效分析的主要任务模具失效分析的任务就是判断模具失效的性质、分析模具失效的原因，并提出防止或延迟模具失效的具体措施。要正确判断模具失效的性质，主要依据模具失效的形貌特征、失效件的应力状态、失效材料的实际性能的指标值和工作环境因素等。模具失效分析应当从以下几个方面考虑：1．合理选择模具材料2．合理设计模具结构3．保证加工和装配质量4．严格控制模具材料的质量5．采用表面强化工艺6．合理使用、维护和保养模具Page1881.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素二、模具的失效分析模具失效分析的一般步骤如下：1.现场调查、断裂件的收集和处理2.模具材料、制造工艺和工作情况调查3.模具的工作条件和断裂状况分析4.断口分析5.断裂原因综合分析和判定6.提出防护措施

Page1891.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素二、模具的失效分析引起模具失效的原因很多，主要包括：(1)模具结构设计不合理引起的失效。(2)模具材料质量差和选材不合理引起的失效。

(3)机械加工和热加工不当引起的失效。(5)操作方法不正确引起的失效。(4)热处理和表面处理不当引起的失效。三、影响模具寿命的主要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。1.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素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。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。（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集中。圆角半径分为:外(凸)圆角半径内(凹)圆角半径

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。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。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。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。（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。1.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。从图中看，挤压力的大小不仅与入口角α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。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。2.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当变形程度εF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=120º4-半球面凸模

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=120º

4-半球面凸模中心锥角α为120°～130°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=120º

4-半球面凸模凹模锥角的最佳取值计算公式t0／t—变形比、μ—摩擦系数在此值下，模具承受的力最小，寿命最高。变薄拉深对于锤锻模、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。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。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。1.组合凸模结构工作时，凸模前端小直径心轴部分先插入毛坯孔内，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。2.组合凹模结构(a)、(e)整体式(b)、(c)、(f)、(g)纵向分割式(d)、(h)横向分割式3.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。可采用预应力镶套结构，即用高强、韧材料制造凹模体，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。

图（b）是一组合冷镦模图示组合冷镦模，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8～10倍。（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，不仅影响冲裁过程和冲裁质量，也影响模具的寿命。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㎜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。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择。（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。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HRC55～59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。导向结构对塑料模具寿命的影响具有细小推杆推出系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。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。2．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。3）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。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。3．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。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，如图所示。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。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。（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。由图可知，随着变形量εF和冲头单位压力的减小，冲头的寿命明显提高。1500MPa减小至1000MPa时，冲头寿命可提高1倍以上。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。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。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，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。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。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0.15～0.20㎜，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。针对特殊结构的模具应防止模具过载，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。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）。3）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。5）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。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。3）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。6）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。2、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；3)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、发生粘着磨损的可能，也加速氧化磨损。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。2）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。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％。（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。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。

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。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。（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。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（一）模具材料的使用性能1．强度（1）屈服强度σs：材料抵抗塑性变形的能力。

（2）抗拉强度σb：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）2．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。5．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。（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。注意：以上性能中，有的已有测量规范和指标，可用试验装置进行定量测量，有的没有测量装置，有的难以测量，只能定性的理解。

不同的模具和使用工况不同，对模具材料的性能要求差别很大。模具材料的性能要求只限于与使用工况相关的几种性能。二、模具的工作条件与材料的使用性能模具的工作条件可近似分为：（一）室温冲击力较小工况。（二）室温冲击力较大工况。（三）高温冲击力较小工况。（四）高温冲击力较大工况。（一）室温冲击力较小工况模具强度愈高，硬度愈高，耐磨性愈好，寿命愈高。例如：冲裁模、拉深模

（二）室温冲击力较大工况模具需具有高的强度、耐磨性，并具有较好的韧性。例如：冷镦模、冷挤模（三）高温下冲击力较小工况模具需要高的高温强度、高温耐磨性、耐冷热疲劳性、热硬度及热疲劳性，同时应具有适当的冲击韧度。例如：曲柄压力机锻模（四）高温冲击力较大工况模具需要具有高的高温韧性，同时应具有合适的高温强度、热硬性及耐热疲劳性。例如：锤锻模、高速锤锻模。注意：强度、硬度之间存在同向关系，强度高，硬度也高；强度与韧性存在逆向关系，随着强度增高，材料韧性会下降。采用多种冶炼方法和热处理方法改变材料的成分和组织来获得高强度、高韧性的材料。可提高模具寿命的选择1）选用具有适当的强度和韧性匹配的模具。2）通过适当地热处理与表面处理，使模具内部韧性高、表面强度高和耐磨性高，可有效地提高模具的整体性能及寿命。Page2541.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(一)模具结构设计对模具寿命的影响(a)整体式凹模

(b)整体式凹模早期断裂

(c)组合式凹模图1-5塔形热挤压凹模Page2551.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(二)模具材料对模具寿命的影响(1)模具材料种类对模具寿命的影响是很大的，如对同一种工件，使用不同的模具材料作弯曲试验，用9Mn2V材料，其寿命为5万次；改用Cr12MoV材料渗氮，其寿命可达40万次。(2)模具工作零件的硬度对模具寿命的影响也很大，但并不是硬度越高，模具寿命越长。Page2561.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(二)模具材料对模具寿命的影响(3)模具材料的冶金质量也对模具寿命产生较大影响，特别是高碳高合金钢，冶金缺陷多，往往容易造成淬火开裂或模具的早期破坏。Page2571.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(三)模具制造质量对模具寿命的影响1．模具零件加工精度的影响3．模具硬度均匀性的影响2．模腔表面粗糙度的影响4．模具装配精度的影响Page2581.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(四)模具的热处理质量与表面强化对模具寿命的影响模具零件的预先热处理调质处理正火退火Page2591.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(四)模具的热处理质量与表面强化对模具寿命的影响淬火回火工艺模具零件的最终热处理Page2601.3模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素三、影响模具寿命的主要因素(五)模具的使用对其寿命的影响(1)机床设备的特性(2)被加工坯料的性质(3)模具的安装和使用条件(4)模具的操作规程及维护补充模具制造知识一、模块的锻造模具材料主要采用高碳钢或高碳高合金钢。由于冶金技术的影响，这些材料不同程度的存在成分和组织的偏析、碳化物粗大不均匀、晶粒粗大等缺陷，使得钢材的性能下降。影响模具寿命的因素模块采用锻造工艺的目的改善材料内部缺陷，获得模块所需要的内部组织和使用性能；使模块获得一定的形状和尺寸。模块毛坯锻造的工艺过程加热—锻打成型—冷却每一环节操作不当都会产生新的缺陷影响毛坯质量。模块的锻造1.模块的加热温度应力——模块毛坯在加热过程中，由于热量是从外表面向里面传递，温度是外高、内低，存在温度差而造成。组织应力——温度的升高，模块毛坯会发生组织转变，由于不同组织的比容不同以及钢料毛坯的表层与心部不同时发生相变而造成。

模块的锻造温度应力的影响轴向应力、切向应力和径向应力。当圆柱体毛坯以等速升温进行加热时，温度应力中，轴向应力最大中心是拉应力，模块毛坯加热时，在心部易产生横向裂纹。

模块的锻造断面温差的有关因素材料的热扩散性差、断面尺寸大、加热速度快、温度头大则其断面温差就大，因而温度应力就大。模块用毛坯多为高碳、高合金钢，其低温段热扩散率比较小，因此低温段应缓慢加热。模块的锻造组织应力的影响奥氏体的比容小于铁素体的比容表层开始相变时，表层为拉应力、心部为压应力当心部开始相变时，表层为压应力，心部为拉应力。模块的锻造但随着温度的升高，钢的塑性和热扩散性会同时增加，组织应力，温度应力都易迅速松弛。因此，钢模块毛坯加热时开裂的危险性不大。模块的锻造2．模块毛坯的冷却模块毛坯锻后冷却时，发生的问题：温度应力；组织应力；锻后的残余应力；空气中的淬火能力。在锻后冷却过程中，有产生淬火裂纹的倾向，锻后应进行缓慢冷却。模块的锻造3.模块的锻造比锻造比是模块锻造时变形程度的一种表示方法。随着锻造比增大，锻坯内部孔隙焊合，碳化物被击碎并均匀分布，锻坯的各个方面的力学性能均得到明显提高；当锻造比超过一定数值后，由于形成纤维组织，横向力学性能急剧下降，导致出现各向异性。

模块的锻造模块的锻造比的影响合理的锻造比拔长锻造比：2~4（F0/F）镦粗锻造比：<3（H0/H）采用镦—拔结合可提高锻造比。锻造操作方法对坯料产生应力和裂纹也有影响。模块的锻造比的影响二、模具零件的加工的影响模具零件加工一般要经过切削加工、磨削加工和电火花加工。加工中造成的质量问题，尤其是加工表面的质量，也会显著影响模具的耐磨性、断裂抗力、疲劳强度及热疲劳抗力等。模具制造1.切削加工的影响1）切削加工必须把锻造和退火后模具锻坯存在的脱碳层全部去除。2）切削加工要注意尺寸准确，保证尺寸过渡处的圆角半径和圆弧连接。模具零件的加工的影响3）保证表面粗糙度要求，不留刀痕，尤其是不能留下超出下道工序加工余量的残迹。切削加工的影响2.磨削加工的影响模具工作零件通常要求较高的表面硬度和较高的制造精度及表面质量。因此最终热处理后的精加工通常采用磨削。在磨削过程中，由于局部摩擦生热，容易引起磨削烧伤和磨削裂纹等缺陷，并在磨削表面生成残余拉应力，造成对零件力学性能的影响，甚至成为导致零件失效的原因。