模具的失效分析

1、模具的失效分析 1一, 目的 1, 模具設(shè)計(jì)人員必須熟知如何保證模具設(shè)計(jì)正確,合理,提高模具壽命,降低成本. 2, 生產(chǎn)中模具失效時(shí),能分析原因,提出改進(jìn)措施,也是工藝員應(yīng)掌握的技能.二, 模具的工作條件 1, 工裝模具組成 凹模 - 冷鐓, 正擠, 反擠, 沖孔, 錐形凸模, 切邊凹模, 切邊凸模, 孔類 螺母用凹模 等. 套 - 推出銷套, 襯套 墊 - 帶孔墊塊 軸類 沖頭 正擠, 反擠, 六方?jīng)_頭, (螺母沖頭), 推出銷, 凸模銷, 光凸模(無孔) 銷, 軸, 桿. 板,塊類型 - 墊塊,切斷刀,送料滾,刀體,鉗片,夾子,彈簧板,彈簧片 螺旋彈簧 拉,壓彈簧碟簧 板簧2, 易損件 (

2、服役期短,經(jīng)常更換的件)沖頭, 凹模重點(diǎn)分析易損件 沖頭, 凹模.3, 模具工作條件 擠壓沖頭工作條件 以活塞銷為例上沖頭 向下運(yùn)動(dòng), 下沖頭 固定不動(dòng).擠壓中,上沖頭受力大于下沖頭. 上沖頭受力情況如下:A) 向下運(yùn)動(dòng) 反擠坯料,沖頭受壓應(yīng)力. B)向上運(yùn)動(dòng) 脫離坯料,因摩擦力沖頭受拉應(yīng)力. C)可能因沖頭偏心,產(chǎn)生彎曲應(yīng)力.結(jié)論: 上沖頭受力復(fù)雜,易導(dǎo)致失效. 上沖頭最大名義壓力可達(dá)2500 MPa.在尺寸過渡處,由于應(yīng)力集中, 有時(shí)應(yīng)力更大于此值. 冷擠壓凹模的工作條件 2冷擠壓過程中,凹模型腔表面受很大的壓力,該壓力使凹模產(chǎn)生巨大的切向拉應(yīng)力.(以下插圖) 三,模具失效的基本形式及原因

3、模具失效形式 模具喪失服務(wù)能力的某種損傷形式.大多數(shù)模具出現(xiàn)損傷后,不會(huì)立即喪失服務(wù)能力,僅在其中一種損傷發(fā)展到足以妨礙模具正常工作或生產(chǎn)出廢品時(shí),此模具才停止服役. 3(一)模具失效的基本形式 4形式現(xiàn)象及說明塑性變形凸模: 鐓粗縱向彎曲凹模: 型腔塌陷棱角倒塌型腔脹大磨損刃口鈍化棱角變圓平面下陷, 孔加大表面溝痕剝落粘模疲勞萌生細(xì)小裂紋小裂紋向縱深擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展一定尺寸后,嚴(yán)重削弱模具承載能力引起斷裂疲勞源 應(yīng)力集中部位(尺寸過渡,刀痕,缺口,磨削裂紋)冷熱疲勞多產(chǎn)生于熱作模具斷裂縱向斷裂橫向斷裂(斜向斷裂)龜裂(二)模具塑性變形失效原因分類具體原因影響因素模具材料超過模具材料抗壓屈服應(yīng)力模

4、具材料: 含碳量低 合金元素及含量不足 強(qiáng)度水平不高熱處理熱處理: 淬火硬度不夠(凸模工作部分硬度不小于HRC60) 淬硬層深度不夠 韌性偏高工藝工裝設(shè)計(jì) 凸模單位壓力值過大,合理排工序,使其單位應(yīng)力值不超過凸模抗壓屈服應(yīng)力 凸模長(zhǎng)徑比超過所允許的界限,保證凸?？v向穩(wěn)定性 提高模具導(dǎo)向精度,保證良好對(duì)中操作 操作不當(dāng) 意外超載 凸模端面或毛坯端面不平整,使凸模受較大偏心載荷(提高毛坯下料精度或增加一道鐓平工序來提高毛坯端面平整度)(三)模具磨損失效原因 5 凸凹模磨損失效是一種正常失效,但有時(shí)發(fā)生早期磨損失效值得研究. 1,模具磨損過程 磨損量 mg C 初期磨損階段 A新模具B 刃口鋒利(切

5、邊模,沖切模),模孔形狀誤差 (不圓度等),與坯料接觸面積小,局部壓力大,A 以及產(chǎn)生塑性變形,導(dǎo)致磨損速度加快. 沖擊次數(shù) N 正常磨損階段 B初期磨損階段達(dá)到一定程度,刃口與工件接觸單位壓力減輕,不再產(chǎn)生塑性變形,進(jìn)入摩擦磨損階段. 在此過程中,由于反復(fù)沖擊,而模具漸漸趨于疲勞. 過激磨損階段 C刃口, ?？壮尸F(xiàn)疲勞,模具急劇磨損,不能正常工作,甚至因沖擊出現(xiàn)表面剝落,剝落硬粒子成為磨粒,加快了磨損速度. 2,模具磨損失效原因 基本原因是磨擦 6分類具體原因影響因素改進(jìn)措施模具材料 選材不當(dāng)硬度表面形態(tài)(表面處理)碳化物(性質(zhì),大小,分布數(shù)量)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高速鋼,高碳高鉻鋼,硬度相等下,耐磨性

6、最高.Cr12MoV 冷鐓凹模型腔易出現(xiàn)剝落(麻點(diǎn)),溝槽.基體鋼5Cr4Mo3SiMnVAl很少出現(xiàn)Cr12MoV現(xiàn)象低硬度易磨損處理得當(dāng)沖擊(冷鐓)過多碳化物反而降低耐磨性,因?yàn)橐妆砻鎰兟?成磨粒加快磨損.如反擠凸模工作帶部分形狀,尺寸不合格正確選用材料,特別關(guān)注模具用新材料合理設(shè)計(jì),制造保證TiN 涂層提高壽命表面鍍鉻3-5m QPQ工藝(碳氮共滲+1次氧化+拋光+2次氧化)有良好耐磨及防腐性(如對(duì)W8Mo3Cr4VCo3N)合理鍛造,熱處理.選擇合理的工作帶長(zhǎng)度及過渡圓角. 被加工材料化學(xué)成份機(jī)械性能表面粗糙度表面形態(tài)(表面處理)速度摩擦系數(shù)隨變形速度的升高而降低,減少模具磨損. 金屬

7、較高速度成形時(shí),由于金屬材料質(zhì)量引起慣性力,將在軸向及徑向上可繼續(xù)充填型腔.溫度冷成形消耗塑性變形功,一部分變成了熱能,高速擠壓熱量來不及散失,局部地方溫度可高達(dá)150-200,使金屬塑性升高,稱熱效應(yīng),當(dāng)40%時(shí),熱效應(yīng)影響小,當(dāng)40%熱效應(yīng)影響大,降低摩擦系數(shù).潤(rùn)滑潤(rùn)滑不良,摩擦阻力過大,加快磨損選擇好的潤(rùn)滑劑. (四) 模具疲勞失效原因 1,特征: 在模具某些部位 在模具某些部位,經(jīng)一定的服役期,萌生了細(xì)小的裂紋,并逐漸向縱深擴(kuò)展.裂紋擴(kuò)展到一定的尺寸后,嚴(yán)重的削弱模具的承載能力,而引起斷裂.疲勞裂紋萌生于應(yīng)力較大的部位,特別是應(yīng)力集中的部位(尺寸過渡,缺口,刀痕,磨削裂紋等). 模具通

8、常在高強(qiáng)度,低塑性狀態(tài)下服役,在模具的微觀疲勞斷口處,很難觀察到典型的疲勞條帶,但是其宏觀斷口上,往往呈現(xiàn)出海灘狀形貌. 高碳高合金鋼模具,其疲勞斷口往往出現(xiàn)粗糙的木紋狀條紋.對(duì)宏觀斷口的形貌觀察產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾. 2,疲勞裂紋分析根本原因是循環(huán)載荷.疲勞失效過程分兩個(gè)階段, 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的擴(kuò)展.1) 疲勞裂紋的萌生 位置 經(jīng)常在尺寸過渡處, 刀痕處,磨削溝痕處,磨削裂紋處.萌生機(jī)理 見下圖 模具表面某些微區(qū)域內(nèi),可先發(fā)生滑移,滑移隨載荷變化反復(fù)進(jìn)行,到達(dá)某一程度后,材料滑移抗力下降,可能從滑移帶中擠出金屬,成為擠出鋒,與此同時(shí)形成凹槽.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力較大或晶界相對(duì)弱化時(shí),疲勞裂紋可萌生于

9、晶界.疲勞裂紋也可以萌生于粗大的第二相顆粒與基體的界面上.水介質(zhì)(自來水,鹽水等)顯著加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,劇烈降低疲勞壽命.2)疲勞裂紋的擴(kuò)展 分兩個(gè)階段 A,擴(kuò)展第一階段 : 形成滑移帶裂紋源后,沿著與拉伸應(yīng)力軸成45°角的滑移面擴(kuò)展.這種切變式擴(kuò)展稱為第一階段擴(kuò)展.對(duì)鋼鐵材料,第一階段擴(kuò)展為數(shù)百微米.如疲勞裂紋萌生于夾雜物,第一階段擴(kuò)展的深度僅為數(shù)個(gè)微米以后就轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力軸的方向擴(kuò)展. B,擴(kuò)展第二階段 : 疲勞裂紋沿垂直于拉力軸的方向擴(kuò)展,在此階段有多種機(jī)制,有拉伸,有壓縮. 3, 冷模具鋼對(duì)疲勞裂紋萌生擴(kuò)展的影響模具鋼具有很高的屈服強(qiáng)度和很低的斷裂韌性.高的屈服強(qiáng)度

10、 有利于推遲疲勞裂紋的萌生.低的斷裂韌性 加快疲勞裂紋的擴(kuò)展,使疲勞裂紋擴(kuò)展循環(huán)數(shù)劇烈縮短. 7 4,模具疲勞失效原因 8根本原因是循環(huán)載荷,凡促使表面拉應(yīng)力增大的因素均增加疲勞裂紋的萌生.分類具體原因影響因素模具結(jié)構(gòu)1,尺寸過渡不當(dāng)2模具尺寸過渡處R小3,表面粗糙度低制造1,缺口2,刀痕3,磨削裂紋4,淬火裂紋保存及運(yùn)輸操作(五) 模具冷熱疲勞失效 1,失效形態(tài)在極冷,極熱條件下服役的模具,鍛壓數(shù)千次或數(shù)百次之后,型腔表面出現(xiàn)許多細(xì)小裂紋,其形狀有網(wǎng)狀,放射狀,平行狀等,這些裂紋僅有數(shù)毫米深,不會(huì)向縱深擴(kuò)展,冷熱疲勞裂紋經(jīng)常 萌生于刀痕及磨損溝槽,外觀呈現(xiàn)直線狀.2,模具冷熱疲勞失效原因鍛壓

11、鋼件的模具與坯料接觸時(shí),表面迅速升溫到600-900 而內(nèi)層尚處于較低的溫度,表面層受熱而膨脹,但受內(nèi)層的約束,因而在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,壓應(yīng)力的數(shù)值一般均大于模具材料在該狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度,因而引起塑性變形.鍛件脫模后,由于向模具表面噴灑冷卻劑,使表面急劇冷卻而收縮,當(dāng)表面收縮受到約束時(shí),便產(chǎn)生拉應(yīng)力,模具表面層中的循環(huán)熱應(yīng)力是引起冷熱疲勞的根本原因.高溫氧化,冷卻水的電化學(xué)腐蝕以及坯料的摩擦作用,加速了冷熱疲勞過程.因此,冷熱疲勞過程是極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程. (六) 模具的斷裂失效模具在服役過程中,突然出現(xiàn)大裂紋或分離為兩部分或數(shù)部分使模具立即喪失服務(wù)能力,屬于斷裂失效.常見斷裂失效形式有 :

12、 崩牙,崩刃(沖頭,搓絲板,滾絲輪等)劈裂,折斷(沖頭),脹裂等1,模具斷裂(折斷)失效過程 可分一次性斷裂和疲勞斷裂兩類 一次性斷裂模具在沖壓時(shí)突然斷裂,稱為一次性斷裂.主要原因是嚴(yán)重超載或模具材料嚴(yán)重脆化(如過熱,過燒,回火不足,嚴(yán)重的應(yīng)力集中及嚴(yán)重的冶金缺陷等) 疲勞斷裂模具在服役中，在應(yīng)力最大或應(yīng)力集中處，萌生微裂紋，在沖擊力作用下，微裂紋慢慢擴(kuò)展，模具有效承載面積逐漸縮小，直至外加應(yīng)力超過模具材料的斷裂強(qiáng)度，模具發(fā)生斷裂或是隨裂紋逐漸擴(kuò)展裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增大，直至超過材料的斷裂韌性值時(shí)，裂紋發(fā)生失穩(wěn)性擴(kuò)展，模具發(fā)生脆性斷裂。 疲勞斷裂全過程其壽命長(zhǎng)短不一，通常冷作模具從萌生

13、疲勞裂紋直到最后斷裂只需較短時(shí)間。這是由于冷作模具材料的斷裂韌性較低所至。 模具的工作條件極為復(fù)雜。因此，一個(gè)模具上可同時(shí)出現(xiàn)多種損傷形式，這些損傷又相互促進(jìn)，加速了模具的失效。 2，模具斷裂失效原因 可分四大類分類具體原因影響因素模具結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中（危險(xiǎn)斷面處應(yīng)力超出凸模材料許用應(yīng)力）尺寸過渡差別過大；圓角半徑過??；凸模長(zhǎng)徑比過大，凸模處于非穩(wěn)定狀態(tài)工作，降低了許用應(yīng)力。強(qiáng)度不足承載面積過小模具材料選材不當(dāng)材料韌性太低；材料強(qiáng)度太低。材質(zhì)不良材料有冶金缺陷制造工藝應(yīng)力集中圓角半徑不合格；殘留刀痕；磨痕；磨削裂紋；鍛造裂紋；熱處理裂紋等。組織缺陷晶粒粗大；表面脫碳；流線分布不合理；網(wǎng)狀碳化物；帶

14、狀碳化物；碳化物分布不均偏析；熱處理硬度不當(dāng)；回火不足等操作方法啃模沖床精度不符合要求；模具安裝不正確。超載坯料放置不正確；沖床剛度低模具表面出現(xiàn)拉應(yīng)力模具冷卻不當(dāng)；工作溫度太高，發(fā)生回火轉(zhuǎn)變其他偏心負(fù)荷較大熱疲勞裂紋 反復(fù)承受冷熱交變應(yīng)力產(chǎn)生龜裂還有其他許多原因，在生產(chǎn)實(shí)踐中需加以總結(jié)毛坯端面不平；毛坯與凹模間隙過大（一般0。1mm以下）；凸模與凹模對(duì)中不好；模具安裝導(dǎo)向精度不好。低溫回火預(yù)防四，提高模具使用壽命的措施1， 提高模具鋼的質(zhì)量國外一些發(fā)達(dá)國家用沖模（凸模，凹模）與我國采用的基本一樣，多為高碳，高鉻合金工具鋼及韌性較好的高速鋼。 德國，瑞士等國使用的模具鋼是經(jīng)過二次精煉的。而我國

15、用的模具鋼很少經(jīng)二次精煉，造成模具鋼坯質(zhì)量差。如鑄錠頭部縮孔，疏松，鑄錠邊緣與心部之間碳化物的混合物及夾渣，在鋼錠的斷面上有顆粒大小不勻的碳化物，有嚴(yán)重的宏觀偏析與顯微偏析。鋼的雜質(zhì)多，純度差。這樣鑄錠或鍛壓成材在質(zhì)量上得不到改善。鍛坯中碳化物不均勻及網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)，熱處理后會(huì)產(chǎn)生硬度不均，微裂紋，沖壓中造成崩刃，掉塊等。因此期待鋼廠生產(chǎn)出鋼錠邊緣，錠心無夾雜碳化物的混合物，使鋼錠任意斷面上碳化物顆粒大小均布，無纖維偏析。 92，模具廠提高凸，凹模鍛坯質(zhì)量 10凸凹模鍛坯要求鍛造技術(shù)較高,鍛造理想的幾何形狀,清除鍛件內(nèi)疏松及非氧化孔洞,細(xì)化晶粒及緊密組織,選擇合理鍛造比,打碎鋼中碳化物粗大晶粒

16、及偏析,使其均布于鋼中,改進(jìn)機(jī)械,物理性能及熱處理工藝.3,提高沖模制造工藝水平?jīng)_模制造方法(凸凹模)沖模制造方法改進(jìn)措施電火花線切割法 居多凸凹模尺寸精度 0.01粗糙度 0.4 0.1線切割保不了,國外在線切割后,增加噴砂,研磨及超聲波清理等后序加工,以提高表面質(zhì)量. 國內(nèi)大多數(shù)模具廠無后序加工工序, 造成 Ra - - 磨損 - 壽命 崩刃, 掉塊線切割表面產(chǎn)生有害電蝕層,不僅表面粗糙,且有纖維裂紋,所以必須磨去,否則模具壽命降低. 增加噴砂,研磨,精密磨削后序工序.磨削法制造 較少壓印法和手工銼磨法 .較原始中,小模具廠,鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)仍在用4,采用推薦的熱處理工藝 如Cr12MoV凸,凹模

17、, 加熱650 消除內(nèi)應(yīng)力退火 800820預(yù)熱保溫3小時(shí) 1020 淬火 500回火 (高溫回火,徹底消除坯件內(nèi)應(yīng)力,減少裂紋危險(xiǎn)) 990淬火 200 回火 (防變形及尺寸變化) 5,表面強(qiáng)化處理增加抗磨能力, 方法分三類: 改變基體表面化學(xué)成分如 滲金屬,滲碳,滲硼,滲硫,氮化.氣體軟氮化,TD處理,離子氮化等 不改變基體化學(xué)成分如 激光,電子束,真空熱處理,低溫和超低溫處理等. 基體表面形成硬化層如 鍍硬鉻,電鍍沉積,熱噴涂,電火花強(qiáng)化,等離子噴涂,熔燒法涂復(fù),碳化鈦復(fù)層,化學(xué)沉積(CVD), 物理沉積(PVC) 等. 6,沖模的潤(rùn)滑及潤(rùn)滑劑 普通沖裁用潤(rùn)滑劑A) GB443-64 20號(hào)機(jī)械油 100%B) 對(duì)有色金屬?zèng)_裁 GB486-65 輕質(zhì)錠子油 100%C) 不銹鋼沖裁