模具的失效分析

模具的失效分析 №1一,目的1,模具設(shè)計(jì)人員必需熟知如何保證模具設(shè)計(jì)正確,合理,提高模具壽命,降低本錢.2,生產(chǎn)中模具失效時(shí),能分析緣由,提出改進(jìn)措施,也是工藝員應(yīng)把握的技能.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(wú)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(服役期短,常常更換的件)沖頭,凹模重點(diǎn)分析易損件–沖頭,凹模.3,模具工作條件①擠壓沖頭工作條件–以活塞銷為例上沖頭上沖頭凹模工件下沖頭上沖頭–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. 上沖頭受力狀況如下: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:上沖頭受力簡(jiǎn)單,易導(dǎo)致失效. 上沖頭最大名義壓力可達(dá)2500MPa.在尺寸過(guò)渡處,由于應(yīng)力集中,有時(shí)應(yīng)力更大于此值.(以下插圖)

②冷擠壓凹模的工作條件 №2冷擠壓過(guò)程中,凹模型腔外表受很大的壓力,該壓力使凹模產(chǎn)生巨大的切向拉應(yīng)力.p1p1σtR0材料力學(xué)厚壁筒受力分析理論公式PR2-PR2 R2R2(P-P )拉應(yīng)力

σt=

11 0 0+ 1 0 1 0 ①R2-R2 R2(R2-R2 )0 1 0 1PR2-PR2 R2R2(P-P )壓應(yīng)力 σr=

11 0 0- 1 0 1 0 ②R2-R2 R2(R2-R2 )0 1 0 1當(dāng)承受整體模時(shí),如以下圖pp1σtRP=0代入①,②式0PR2

PR2R2

PR2 R2σ= 11

1 1 0

11 1+

0 ) ③t R2-R2

-R2

) R2-R2 R20 1PR2

0 1P R2R2

0 1PR2 R2σr=

11

1 1 0

11 (1-

0 ) ④R2-R2

R2(R2-R2

R2-R2 R20 1 0 1 0 1當(dāng)R=R1PR2

時(shí),分別代入公式③,④得R2 R2+R2σ = 11 1+

0 )=P

0 1⑤tR1

R2-R2

R2 1

R2-R20 1 1 0 1PR2 R2σ = 11

1-

0 )=-P ⑥r(nóng)R1

R2-R2

R2 10 1 1當(dāng)R=R 時(shí),分別代入公式③,④得0PR2σ = 11

R2 0

2R2 1 ⑦tR0

R2-R2

R2 1

R2-R20 1 1 0 1PR2 R2σ = 11

0 )=0 ⑧rR0

R2-R2 R20 1 0如一整體模及P,R ,R1 0 1

,則可求出模中某點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài),見(jiàn)以下圖R-(0+(p1+--(0/p結(jié)論:1,σt切向應(yīng)力不是均勻分布,靠近內(nèi)外表處最大,靠近外外表處最小.2,凹模承載力量并非隨壁厚的增加而按比例增加.3,整體?？着c外徑的尺寸關(guān)系當(dāng)R =4R0

由公式⑦得1σ

2R2 1 =2/15P

=0.133PtR0

1(4R)2-R2 1 11 1當(dāng)R =6R0

由公式⑦得1σ

2R2 1

=2/35P

=0.0571PtR0

1(6R)2-R2 1 11 1所以實(shí)際應(yīng)用中,整體式凹模d外

/d 比值取4-6符合上面計(jì)算結(jié)果.內(nèi) 三,模具失效的根本形式及緣由模具失效形式–模具喪失效勞力量的某種損傷形式.大多數(shù)模具消滅損傷后,不會(huì)馬上喪失效勞力量,僅在其中一種損傷進(jìn)展到足以阻礙模具正常工作或生產(chǎn)出廢品時(shí),此模具才停頓服役.№3(一)模具失效的根本形式 №4形式 現(xiàn)象及說(shuō)明塑性變形磨損疲乏冷熱疲乏斷裂

凸模:鐓粗縱向彎曲凹模:型腔塌陷棱角倒塌型腔脹大刃口鈍化棱角變圓平面下陷,孔加大外表溝痕剝落粘模萌生細(xì)小裂紋小裂紋向縱深擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展肯定尺寸后,嚴(yán)峻減弱模具承載力量引起斷裂疲乏源–應(yīng)力集中部位(尺寸過(guò)渡,刀痕,缺口,磨削裂紋)多產(chǎn)生于熱作模具縱向斷裂橫向斷裂(斜向斷裂)龜裂(二)模具塑性變形失效緣由分類模具材料熱處理工藝工裝設(shè)計(jì)操作

具體緣由超過(guò)模具材料抗壓屈服應(yīng)力

影響因素模具材料:①含碳量低②合金元素及含量缺乏③強(qiáng)度水平不高熱處理:①淬火硬度不夠凸模工作局部硬度不小于HRC60)②淬硬層深度不夠③韌性偏高①凸模單位壓力值過(guò)大,合理排工序,使其單位應(yīng)力值不超過(guò)凸?？箟呵?yīng)力②凸模長(zhǎng)徑比超過(guò)所允許的界限,保證凸模縱向穩(wěn)定性③提高模具導(dǎo)向精度,保證良好對(duì)中①操作不當(dāng)②意外超載③凸模端面或毛坯端面不平坦,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(lái)提高毛坯端面平坦度)(三)模具磨損失效緣由 №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爭(zhēng)論.1,模具磨損過(guò)程①初期磨損階段 A

磨損量mg C模具 B刃口銳利(切邊模,沖切模),?？淄庑握`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) N②正常磨損階段 B初期磨損階段到達(dá)肯定程度,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(guò)程中,由于反復(fù)沖擊,而模具漸漸趨于疲乏.③過(guò)激磨損階段 C刃口,模孔呈現(xiàn)疲乏,模具急劇磨損,不能正常工作,甚至因沖擊消滅外表剝落,剝落硬粒子成為磨粒,加快了磨損速度.2,模具磨損失效緣由–根本緣由是磨擦 №6分類模具被加工材料

具體緣由材料–選材不當(dāng)硬度外表形態(tài)(外表處理)碳化物(性質(zhì),大小,分布數(shù)量)構(gòu)造設(shè)計(jì)化學(xué)成份機(jī)械性能外表粗糙度外表形態(tài)(外表處理)

影響因素,,硬度相等下,耐磨性最高.△Cr12MoV冷鐓凹模型腔易消滅剝落(麻點(diǎn)),溝槽.5Cr4Mo3SiMnVAl很少消滅Cr12MoV現(xiàn)象低硬度易磨損處理得當(dāng)沖擊(冷鐓)過(guò)多碳化物反而降,由于易外表剝落,成磨粒加快磨損.如反擠凸模工作帶部格外形,尺寸不合格

改進(jìn)措施正確選用材料特別關(guān)注模具用材料合理設(shè)計(jì),制造保證△TiN涂層提高壽命3-5μm△QPQ工藝(碳氮共滲+1次氧化+拋光+2有良好耐磨(W8Mo3Cr4VCo3N)合理鍛造,熱處理.選擇合理的工作帶長(zhǎng)度及過(guò)渡圓角.速度摩擦系數(shù)隨變形速度的上升而降低,削減模具磨損.金屬較高速度成形時(shí),由于金屬材料質(zhì)量引起慣性力,將在軸向及徑向上可連續(xù)充填型腔.溫度冷成形消耗塑性變形功,一局部變成了熱能,高速擠壓熱量來(lái)不及散失,局部地方溫度可高達(dá)150℃-200℃,使金屬塑性上升,稱熱效應(yīng),當(dāng)ε＜40%時(shí),熱效應(yīng)影響小,當(dāng)ε＞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(guò)大,加快磨損

選擇好的潤(rùn)滑劑.(四)模具疲乏失效緣由1,特征:在模具某些部位△在模具某些部位,經(jīng)肯定的服役期,萌生了細(xì)小的裂紋,并漸漸向縱深擴(kuò)展.裂紋擴(kuò)展到肯定的尺寸后,嚴(yán)峻的減弱模具的承載力量,而引起斷裂.疲乏裂紋萌生于應(yīng)力較大的部位,特別是應(yīng)力集中的部位(尺寸過(guò)渡,缺口,刀痕,磨削裂紋等).△模具通常在高強(qiáng)度,低塑性狀態(tài)下服役,在模具的微觀疲乏斷口處,很難觀看到典型的疲乏條帶,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,其疲乏斷口往往消滅粗糙的木紋狀條紋.對(duì)宏觀斷口的形貌觀看產(chǎn)生嚴(yán)峻的干擾.2,疲乏裂紋分析根本緣由是循環(huán)載荷.疲乏失效過(guò)程分兩個(gè)階段,①疲乏裂紋的萌生②疲乏裂紋的擴(kuò)展.疲乏裂紋的萌生①位置–常常在尺寸過(guò)渡處,刀痕處,磨削溝痕處,磨削裂紋處.②萌生氣理–見(jiàn)以下圖模具外表某些微區(qū)域內(nèi),可先發(fā)生滑移,滑移隨載荷變化反復(fù)進(jìn)展,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),疲乏裂紋可萌生于晶界.疲乏裂紋也可以萌生于粗大的其次相顆粒與基體的界面上.水介質(zhì)(自來(lái)水,鹽水等)顯著加速疲乏裂紋的萌生和擴(kuò)展,猛烈降低疲乏壽命.疲乏裂紋的擴(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.如疲乏裂紋萌生于夾雜物,.B,擴(kuò)展其次階段:,在此階段有多種機(jī)制,有拉伸,有壓縮.3,冷模具鋼對(duì)疲乏裂紋萌生擴(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–有利于推遲疲乏裂紋的萌生.低的斷裂韌性–加快疲乏裂紋的擴(kuò)展,使疲乏裂紋擴(kuò)展循環(huán)數(shù)猛烈縮短.№74,模具疲乏失效緣由 №8根本緣由是循環(huán)載荷,凡促使外表拉應(yīng)力增大的因素均增加疲乏裂紋的萌生.分類模具構(gòu)造制造保存及運(yùn)輸操作

具體緣由1,尺寸過(guò)渡不當(dāng)2模具尺寸過(guò)渡處R小3,外表粗糙度低1,缺口2,刀痕3,磨削裂紋4,淬火裂紋

影響因素(五)模具冷熱疲乏失效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,型腔外表消滅很多細(xì)小裂紋,其外形有網(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,冷熱疲乏裂紋常常萌生于刀痕及磨損溝槽,外觀呈現(xiàn)直線狀.2,模具冷熱疲乏失效緣由鍛壓鋼件的模具與坯料接觸時(shí),外表快速升溫到600℃-900℃而內(nèi)層尚處于較低的溫度,外表層受熱而膨脹,但受內(nèi)層的約束,因而在外表產(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,由于向模具外表噴灑冷卻劑,使外表急劇冷卻而收縮,當(dāng)外表收縮受到約束時(shí),便產(chǎn)生拉應(yīng)力,模具外表層中的循環(huán)熱應(yīng)力是引起冷熱疲乏的根本緣由.高溫氧化,冷卻水的電化學(xué)腐蝕以及坯料的摩擦作用,加速了冷熱疲乏過(guò)程.因此,冷熱疲乏過(guò)程是極其簡(jiǎn)單的物理化學(xué)過(guò)程.(六)模具的斷裂失效模具在服役過(guò)程中,突然消滅大裂紋或分別為兩局部或數(shù)局部使模具馬上喪失效勞力量,屬于斷裂失效.常見(jiàn)斷裂失效形式有: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(guò)程可分一次性斷裂和疲乏斷裂兩類①一次性斷裂模具在沖壓時(shí)突然斷裂,稱為一次性斷裂.主要緣由是嚴(yán)峻超載或模具材料嚴(yán)峻脆化(如過(guò)熱,過(guò)燒,回火缺乏,嚴(yán)峻的應(yīng)力集中及嚴(yán)峻的冶金缺陷等)②疲乏斷裂模具在服役中，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，微裂紋漸漸擴(kuò)展，模具有效承載面積漸漸縮小，直至外加應(yīng)力超過(guò)模具材料的斷裂強(qiáng)度，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。疲乏斷裂全過(guò)程其壽命長(zhǎng)短不一，通常冷作模具從萌生疲乏裂紋直到最終斷裂只需較短時(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簡(jiǎn)單。因此，一個(gè)模具上可同時(shí)消滅多種損傷形式，這些損傷又相互促進(jìn)，加速了模具的失效。2，模具斷裂失效緣由–可分四大類分類 具體緣由

影響因素模具構(gòu)造模具材料制造工藝

〔危急斷面處應(yīng)力超出凸模材料許用應(yīng)力〕強(qiáng)度缺乏選材不當(dāng)材質(zhì)不良應(yīng)力集中組織缺陷

尺寸過(guò)渡差異過(guò)大；圓角半徑過(guò)??；凸模長(zhǎng)徑比過(guò)大，凸模處于非穩(wěn)定狀態(tài)工作，降低了許用應(yīng)力。承載面積過(guò)小材料韌性太低；材料強(qiáng)度太低。材料有冶金缺陷圓角半徑不合格；殘留刀痕；磨痕；磨削裂紋；鍛造裂紋；熱處理裂紋等。晶粒粗大；外表脫碳；流線分布不合理；網(wǎng)狀碳化物；帶狀碳化物；碳化物分布不均偏析；熱處理硬度不當(dāng)；回火缺乏等操作方法 啃模超載模具外表消滅拉應(yīng)力其他 偏心負(fù)荷較大熱疲乏裂紋反復(fù)承受冷熱交變應(yīng)力產(chǎn)生龜裂實(shí)踐中需加以總結(jié)

沖床精度不符合要求；模具安裝不正確。坯料放置不正確；沖床剛度低模具冷卻不當(dāng)；工作溫度太高，發(fā)生回火轉(zhuǎn)變毛坯端面不平；毛坯與凹模間隙過(guò)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國(guó)外一些興旺國(guó)家用沖?！餐鼓＃寄！撑c我國(guó)承受的根本一樣，多為高碳，高鉻合金工具鋼及韌性較好的高速鋼。德國(guó)，瑞士等國(guó)使用的模具鋼是經(jīng)過(guò)二次精煉的。而我國(guó)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)峻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。因此期盼鋼廠生產(chǎn)出鋼錠邊緣，錠心無(wú)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(wú)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,鍛造抱負(fù)的幾何外形,去除鍛件內(nèi)疏松及非氧化孔洞,細(xì)化晶粒及嚴(yán)密組織,選擇合理鍛造比,打碎鋼中碳化物粗大晶粒及偏析,使其均布于鋼中,改進(jìn)機(jī)械,物理性能及熱處理工藝.沖模制造方法電火花線切割法居多改進(jìn)措施凸凹模尺寸精度≤0.01粗糙度沖模制造方法電火花線切割法居多改進(jìn)措施凸凹模尺寸精度≤0.01粗糙度0.4~0.1線切割保不了,國(guó)外在線切割后,增加噴砂,研磨及超聲波清理等后序加工,以提高外表質(zhì)量.國(guó)內(nèi)大多數(shù)模具廠無(wú)后序加工工序,造成①Ra↑-μ↑-磨損↑-壽命↓崩刃,掉塊②線切割外表產(chǎn)生有害電蝕層,不僅外表粗糙,且有纖維裂紋,所以必需磨去,否則模具壽命降低.增加噴砂,研磨,