模具壽命與失效7

模具失效與壽命授課人：曾珊琪2009-2010（第1學(xué)期)22023年9月2日第五章影響模具壽命的因素模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模具材料模具的熱加工和冷加工模具的使用狀況等。32023年9月2日第一節(jié)模具結(jié)構(gòu)合理的模具結(jié)構(gòu)，使模具在工作時(shí)受力均勻，應(yīng)力集中小，也不易受偏載。模具種類多，形式和工作環(huán)境差別很大。各有特性，但在結(jié)構(gòu)方面也有共性的問(wèn)題，如：幾何形狀和剛度。影響模具壽命的因素42023年9月2日一、模具的幾何形狀影響模具壽命的幾何形狀因素：

模具的圓角半徑、凸模端面形狀、凹模錐角的大小、凹模截面變化的大小等。模具結(jié)構(gòu)52023年9月2日（一）圓角半徑采用圓角結(jié)構(gòu)可以獲得良好的工藝效果，同時(shí)，也可避免拐角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。模具幾何形狀62023年9月2日從應(yīng)力圖可以看出，不同拐角形式產(chǎn)生的應(yīng)力集中源不同，圓角半徑越大應(yīng)力分布越均勻，越不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，拐角為尖角結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)力集中最嚴(yán)重。模具幾何形狀72023年9月2日?qǐng)A角半徑分為:外(凸)圓角半徑內(nèi)(凹)圓角半徑

模具幾何形狀82023年9月2日凸圓角半徑對(duì)工藝影響大過(guò)小的凸圓角半徑在板料拉深中增加成型力；在模鍛中，易造成鍛件折疊缺陷。模具幾何形狀92023年9月2日凹的圓角半徑對(duì)模具壽命影響大小的凹圓角半徑會(huì)使局部受力惡化，在四角半徑處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，易萌生裂紋導(dǎo)致斷裂。大的圓角半徑使模具受力均勻，不易產(chǎn)生裂紋。非工作部位凹圓角半徑過(guò)小，在使用過(guò)程中也易造成應(yīng)力集中，使抗偏載、抗沖擊的能力降低。模具幾何形狀102023年9月2日從圖中可以看出，在采用同一模具條件下，過(guò)渡半徑R由2.3增大到3.2，模具壽命就從1.5萬(wàn)件提高到2萬(wàn)件。模具幾何形狀112023年9月2日（二）幾何角度

1.凹模的錐角和截面變化模具的工作角度對(duì)成形過(guò)程中坯料的流動(dòng)、成形力及模具壽命有很大的影響。模具幾何形狀122023年9月2日模具幾何形狀132023年9月2日1.凹模的錐角和截面變化以擠壓為例：正擠壓時(shí)，主要是凹模對(duì)擠壓力產(chǎn)生影響，為了便于金屬塑性流動(dòng)和減小模具負(fù)荷，一般都將凹模出口部分設(shè)計(jì)成錐形，如圖示。模具幾何形狀142023年9月2日從圖中看，擠壓力的大小不僅與入口角α大小有關(guān)，還與錐形進(jìn)口正擠壓凹模的截面變化量lnA0/A1有關(guān)。模具幾何形狀152023年9月2日1.凹模的錐角和截面變化冷擠壓凹模的型腔截面變化越小，尺寸過(guò)渡越平緩，則擠壓力越小，模具壽命越高。模具幾何形狀162023年9月2日2.凸模的端面形狀

平底帶錐臺(tái)的凸模（圖a），端部受力面積較大，因此單位面積承受的擠壓力比平底凸模（圖b）可降低20%，模具壽命也相應(yīng)提高模具幾何形狀172023年9月2日當(dāng)變形程度εF不是很大時(shí)，以平底凸模所受的單位擠壓力最大，半球面凸模的擠壓力最小，平底帶錐臺(tái)凸模居中。1-平底凸模2-平底帶錐臺(tái)凸模3-錐角凸模a=120o4-半球面凸模

模具幾何形狀182023年9月2日變形程度過(guò)大時(shí)，球面凸模的單位擠壓力會(huì)急劇上升。平底凸模刃口處增加圓角半徑，可降低擠壓力；凸模端部設(shè)計(jì)成平底帶錐臺(tái)形，對(duì)減輕擠壓力也有明顯效果。1-平底凸模2-平底帶錐臺(tái)凸模3-錐角凸模a=120o

4-半球面凸模模具幾何形狀192023年9月2日中心錐角α為120°～130°的凸模結(jié)構(gòu)比較合理。錐角過(guò)大，對(duì)降低擠壓力的作用并不明顯，錐角過(guò)小易造成側(cè)向分力不平衡，引起凸模偏斜、彎曲或折斷。1-平底凸模2-平底帶錐臺(tái)凸模3-錐角凸模a=120o

4-半球面凸模模具幾何形狀202023年9月2日凹模錐角的最佳取值計(jì)算公式在此值下，模具承受的力最小，壽命最高。變薄拉深

t0／t—變形比、μ—摩擦系數(shù)模具幾何形狀212023年9月2日對(duì)于錘鍛模、壓鑄模、塑料模等型腔模，型腔結(jié)構(gòu)常需要考慮脫模斜度以便制件脫模。型腔脫模斜度對(duì)模具型腔側(cè)壁及底部的應(yīng)力狀態(tài)也有直接的影響。模具幾何形狀222023年9月2日二、模具結(jié)構(gòu)形式

（一）整體模具與組合模具整體模具不可避免的存在凹圓角半徑，易造成應(yīng)力集中，并引起開裂。模具結(jié)構(gòu)232023年9月2日組合式模具把模具在應(yīng)力集中處分割為兩部分或幾部分，再組合起來(lái)使用。采用組合式模具可避免應(yīng)力集中和裂紋的產(chǎn)生。模具結(jié)構(gòu)形式

242023年9月2日1.組合凸模結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，凸模前端小直徑心軸部分先插入毛坯孔內(nèi)，以控制擠壓件孔徑的位置。但心軸根部應(yīng)力集中嚴(yán)重，受力時(shí)容易折斷。若將凸模設(shè)計(jì)成圖b及圖c所示的組合形式，則可避免應(yīng)力集中，顯著提高壽命。模具結(jié)構(gòu)形式

252023年9月2日2.組合凹模結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)形式

262023年9月2日(a)、(e)整體式(b)、(c)、(f)、(g)縱向分割式(d)、(h)橫向分割式模具結(jié)構(gòu)形式

272023年9月2日3.預(yù)應(yīng)力鑲套凹模

為了防止模具脹裂，冷鐓、冷擠壓凹模通常要求具有高的硬度和耐磨性，同時(shí)還要求具有高的強(qiáng)度和韌性。采用整體結(jié)構(gòu)很難同時(shí)滿足這兩方面的性能要求。模具結(jié)構(gòu)形式

282023年9月2日可采用預(yù)應(yīng)力鑲套結(jié)構(gòu)，即用高強(qiáng)、韌材料制造凹模體，工作部分采用淬硬的高速鋼或硬質(zhì)合金等高硬度、高耐磨性材料，通過(guò)壓力將工作部分鑲?cè)氚寄ｓw成為組合式模具，以滿足型腔表面高耐磨性和整體高強(qiáng)、韌性的要求。模具結(jié)構(gòu)形式

圖（b）是一組合冷鐓模292023年9月2日模具結(jié)構(gòu)形式

圖示組合冷鐓模，原采用高速鋼整體式，常發(fā)生早期脹裂失效，壽命不到碳素工具鋼凹模的1/4。改為預(yù)應(yīng)力鑲套結(jié)構(gòu)，模體采用結(jié)構(gòu)鋼，工作部分為高速鋼，二者過(guò)盈配合使工作部分預(yù)先產(chǎn)生切向壓應(yīng)力，以抵消一部分工作時(shí)產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力，使模具壽命提高，高出碳素工具鋼凹模的8～10倍。302023年9月2日（二）模具的工作間隙

沖裁模凸、凹模的刃口間隙是工作間隙也叫沖裁間隙，不僅影響沖裁過(guò)程和沖裁質(zhì)量，也影響模具的壽命。模具結(jié)構(gòu)形式

312023年9月2日當(dāng)刃口間隙由板料厚度的5﹪加大到15﹪時(shí)，模具的一次刃磨壽命顯著增加。

1-Q235鋼，厚度6㎜；2-Q235鋼，厚度10㎜3-Cr18Ni9Ti鋼，厚度8㎜模具的工作間隙

322023年9月2日當(dāng)間隙過(guò)大（＞15﹪）時(shí)，板料的彎曲變形增大，凸、凹模端面與板料的接觸面積減小，沖裁力集中作用于刃口處，使刃口塑變鈍化。刃口變鈍又導(dǎo)致沖裁力增大，使模具的刃磨壽命降低。模具的工作間隙

332023年9月2日注意!!

實(shí)際中，獲得高質(zhì)量沖裁斷面的最佳間隙值和保證模具較高壽命的最佳間隙值不是完全一致的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮做出最優(yōu)選擇。模具的工作間隙

342023年9月2日（三）模具的結(jié)構(gòu)剛度1．模具的導(dǎo)向裝置導(dǎo)向裝置可以保證模具具有足夠的剛度，保證凸、凹模或型芯、型腔間的相互位置精度，增加模具的抗彎曲、抗偏載的能力，避免不均勻磨損和凸、凹模相互卡死、啃傷或型芯、型腔的錯(cuò)位，從而保證模具的正常工作并延長(zhǎng)其使用壽命。模具結(jié)構(gòu)形式

352023年9月2日導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)沖裁模具壽命的影響例如在2mm厚的08鋼板上沖裁M3螺母的沖裁模，模具材料為T10，硬度為HRC55～59無(wú)導(dǎo)向板：沖頭的平均壽命為778件；有導(dǎo)向板：沖的平均壽命為3.85萬(wàn)件。模具的結(jié)構(gòu)剛度362023年9月2日導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)塑料模具壽命的影響

具有細(xì)小推桿推出系統(tǒng)的塑料注射模的推板采用四導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可以避免由于頂出系統(tǒng)的頂桿受力不均衡，彎曲變形而造成塑料表面劃傷、推桿磨損，甚至造成頂桿卡死或折斷等現(xiàn)象。模具的結(jié)構(gòu)剛度372023年9月2日導(dǎo)向精度對(duì)模具壽命的影響在其他條件相同的情況下，模具的導(dǎo)向精度愈高，模具的壽命愈高。沖壓模、注塑模的壽命比錘鍛模高的原因，除了工作條件不同的因素之外，導(dǎo)向精度的不同也是影響模具壽命的重要因素。模具的結(jié)構(gòu)剛度382023年9月2日2．凸模剛度設(shè)計(jì)要點(diǎn)1）合理設(shè)計(jì)凸模的截面形狀和尺寸，盡量減小其徑長(zhǎng)比，使之具有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗壓穩(wěn)定性。2）適當(dāng)加大凸模柄部的承載面積和固定長(zhǎng)度，可以提高其剛度。模具的結(jié)構(gòu)剛度392023年9月2日3）加大凸模墊板厚度或采用多層淬硬墊板，避免由于墊板面積大、厚度薄或硬度不足而出現(xiàn)變形、凹坑等損傷，以導(dǎo)致凸模產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。模具的結(jié)構(gòu)剛度402023年9月2日

4）對(duì)細(xì)長(zhǎng)凸?？稍黾訉?dǎo)向板等輔助支承。導(dǎo)向板位置應(yīng)盡量減小凸模懸臂部分的長(zhǎng)度，且使凸模始終不脫離導(dǎo)向板，并保證導(dǎo)向精度。模具的結(jié)構(gòu)剛度412023年9月2日3．塑料模的剛度結(jié)構(gòu)塑料注射模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用高精度的導(dǎo)向或支撐結(jié)構(gòu)來(lái)保證模具的剛度。圖中所示是注射模支承墊板承受注射壓力的變形情況。模具的結(jié)構(gòu)剛度422023年9月2日小型模具可通過(guò)增加墊板厚度來(lái)提高剛度，大型模具可以采用加支撐的方法，如圖5-19所示。模具的結(jié)構(gòu)剛度432023年9月2日在定模板和動(dòng)模板四周作出斜面配合，利用定模板和動(dòng)模板的剛性來(lái)加強(qiáng)對(duì)凹模

壁的約束也可起到減小凹模壁變形的作用。模具的結(jié)構(gòu)剛度442023年9月2日為了避免細(xì)長(zhǎng)桿變形，常采用階梯形頂桿，來(lái)提高頂桿的剛度。為了防止應(yīng)力集中源的產(chǎn)生

臺(tái)階頂桿的拐角部位可采用圓角過(guò)渡截面等結(jié)構(gòu)，或采用組合式結(jié)構(gòu)。模具的結(jié)構(gòu)剛度452023年9月2日（四）減輕工作載荷模具的工作載荷對(duì)模具壽命有決定性的影響。以正擠壓35鋼工件為例：圖示為沖頭單位面積的壓力和沖頭壽命的關(guān)系曲線。模具結(jié)構(gòu)形式

462023年9月2日由圖可知，隨著變形量εF和沖頭單位壓力的減小，沖頭的壽命明顯提高。1500MPa減小至1000MPa時(shí)，沖頭壽命可提高1倍以上。減輕工作載荷472023年9月2日為了使模具的工作載荷盡可能減輕，模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)合理的成型工藝確定模具的結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴煌膲毫庸すに囍苯佑绊懩＞叩墓ぷ鬏d荷。減輕工作載荷482023年9月2日例如，利用反擠壓模成型圖a示工件，模具的工作載荷較大。在情況允許時(shí)，將工件改為圖b示的形狀，則可以采用復(fù)合擠壓工藝。利用復(fù)合擠壓模具來(lái)成型工件，使模具的工作載荷得到減輕，壽命得到相應(yīng)的提高。減輕工作載荷492023年9月2日根據(jù)擠壓量隨變形量的變化規(guī)律，合理采用變形量及相應(yīng)的預(yù)成型工藝，可減輕每套模具的工作載荷，如圖a示的工件，若采用一次擠壓成型，不僅模具的載荷很大，而且也難以滿足工件形狀和尺寸的要求。減輕工作載荷502023年9月2日若先擠壓成如圖b示的形狀，再最后擠壓成型，則不僅能滿足工件設(shè)計(jì)要求，而且使模具載荷大為減輕。減輕工作載荷512023年9月2日為了減輕載荷，還應(yīng)注意其他工藝環(huán)節(jié)。例如選用被擠壓材料的變形抗力應(yīng)盡可能低，所含雜質(zhì)盡可能少；坯料的切割加工應(yīng)保證端面的平整、不帶斜度，以免造成凸模偏載；坯料直徑應(yīng)比凹?？讖叫?.15～0.20㎜，以防止擠壓力急劇上升時(shí)使凹模脹裂；但間隙也不能過(guò)大（如反擠壓時(shí)不應(yīng)大于0.20㎜），以保證同軸度，避免凸模偏載。減輕工作載荷522023年9月2日針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的模具應(yīng)防止模具過(guò)載，例如：1）定行程鍛壓設(shè)備使用封閉式擠壓模，必須設(shè)計(jì)足夠的飛邊空間，以免余料過(guò)載引起模具損壞。2）在封閉的冷鐓?；蚶鋽D壓模的適當(dāng)部位開設(shè)排氣孔，以使被擠壓在模具和坯料之間的空氣順利排出。否則，擠壓的高壓氣體不僅影響坯料充型，還易使模具過(guò)載失效。減輕工作載荷532023年9月2日?qǐng)Da是用冷擠壓成型的梭芯零件，在冷擠壓凹模的相應(yīng)部位應(yīng)設(shè)計(jì)排氣孔（圖b）。減輕工作載荷542023年9月2日3）對(duì)于承受較大沖擊載荷的模具應(yīng)設(shè)計(jì)足夠大的承擊面，以利吸收多余的沖擊能，減少模具單位面積的沖擊力，防止發(fā)生早期斷裂。4）對(duì)塑料壓制模要設(shè)置足夠大的承壓環(huán)，以防止型腔、型芯過(guò)早變形或開裂。減輕工作載荷552023年9月2日5）圖示的細(xì)型芯側(cè)進(jìn)料注射模，將細(xì)型芯由懸臂結(jié)構(gòu)改為兩端支撐結(jié)構(gòu)，可有效的防止側(cè)向彎曲過(guò)載。減輕工作載荷562023年9月2日第二節(jié)模具工作條件

一、成形件的材質(zhì)和溫度

1、材質(zhì)1）非金屬材料、液態(tài)材料的強(qiáng)度低，所需的成形力小，模具受力小，模具壽命高。2）金屬件成形模比非金屬件成形模的壽命低。影響模具壽命的因素572023年9月2日3）固態(tài)金屬件強(qiáng)度越高，所需變形力越大，模具所承受的力則越大，模具的壽命低。4）鋁、銅等有色金屬件模具比黑色金屬成形件壽命高。5）工件材料與模具材料的親合力愈大，在成形過(guò)程中愈易與模具產(chǎn)生粘著磨損，模具的壽命愈低。模具工作條件582023年9月2日6）沖表面光亮、性能均勻的鋼板時(shí)，沖頭受力均勻，壽命較高；7）沖表面粗糙的相同厚度熱軋鋼板時(shí)，壽命較低。例：某沖壓件采用冷軋鋼板，模具壽命為3萬(wàn)件，采用熱軋鋼板，壽命只有1.7萬(wàn)件。模具工作條件592023年9月2日2、溫度1)成形高溫工件時(shí)，模具受熱量而升溫，隨著溫度上升，模具強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑性變形；2)模具與工件接觸的表面和與工件非接觸表面的溫度差很大，造成模具內(nèi)的溫度應(yīng)力；模具工作條件602023年9月2日3)成形過(guò)程中，模具與工件間斷接觸，受連續(xù)不斷的熱沖擊，模具易萌生裂紋，造成疲勞磨損及斷裂；4)在高溫下，模具與工件表面原子活性增加，增加相互粘結(jié)、發(fā)生粘著磨損的可能，也加速氧化磨損。

模具工作條件612023年9月2日二、設(shè)備特性

（一）設(shè)備的精度與剛度1）設(shè)備的精度影響設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分的導(dǎo)向精度高，上、下模不易錯(cuò)移，不易出現(xiàn)附加的橫向載荷和轉(zhuǎn)矩，模具磨損均勻，模具壽命高。注塑機(jī)，機(jī)械壓力機(jī)，模鍛錘，導(dǎo)向精度是逐次下降的，其相應(yīng)的模具的壽命也是逐次下降的。模具工作條件622023年9月2日2）設(shè)備的剛度影響設(shè)備的剛度大，在成形過(guò)程中的彈性變形小，模具上、下?？奢^好地保證正確的配合狀態(tài)。模具工作條件632023年9月2日642023年9月2日設(shè)備剛度與沖裁力設(shè)備剛度愈差，彈性變形量愈大，上、下模抖動(dòng)愈大，愈加速模具的不均勻磨損。為克服設(shè)備彈性變形對(duì)模具工作精度的影響，沖裁力的確定原則：精密沖裁時(shí)，沖裁力應(yīng)小于設(shè)備噸位的50％；普通沖裁時(shí)，沖裁力不應(yīng)超過(guò)設(shè)備噸位的80％。模具工作條件652023年9月2日（二）設(shè)備速度模具在單位時(shí)間內(nèi)受的沖擊力越大；受力時(shí)間越短，沖擊能量來(lái)不及傳遞和釋放，易造成局部應(yīng)力超過(guò)模具材料的屈服應(yīng)力或斷裂強(qiáng)度。模具越易斷裂或塑性變形失效。模具工作條件662023年9月2日液壓機(jī)、曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、氣錘、高速錘它們的加載速度逐次變高；在其他工藝條件相同的情況下，這些設(shè)備上所用的模具壽命依次下降。

模具工作條件672023年9月2日三、模具潤(rùn)滑與冷卻（一）潤(rùn)滑潤(rùn)滑模具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，可減少模具與工件的直接接觸，減少磨損，降低成形力；潤(rùn)滑劑在一定程度上能阻礙坯料向模具傳熱，降低模具溫度，這對(duì)提高模具壽命是有利的。模具工作條件682023年9月2日例如：1)拉深時(shí)，潤(rùn)滑毛坯與凹模的接觸面；2)模鍛時(shí)，潤(rùn)滑模膛；都有利于工藝的順利進(jìn)行和提高模具壽命。3)不銹鋼表殼擠光模用機(jī)油潤(rùn)滑，壽命只有80件，用二硫化鉬加油劑，壽命可達(dá)1萬(wàn)件。模具工作條件692023年9月2日（二）模具冷卻冷卻方式內(nèi)冷——內(nèi)冷的冷卻方式較緩和，模具溫差小，冷卻效果好，模具壽命高。但模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。外冷——外部冷卻的冷卻效果顯著，但模具內(nèi)外溫差大，且模具表面經(jīng)受較大的急熱急冷，易產(chǎn)生疲勞磨損或疲勞斷裂，模具壽命低。模具工作條件702023年9月2日第三節(jié)模具材料性能

一、模具材料的基本性能（一）使用性能（二）工藝性能影響模具壽命的因素712023年9月2日（一）模具材料的使用性能

1．強(qiáng)度（1）屈服強(qiáng)度σs：材料抵抗塑性變形的能力。

（2）抗拉強(qiáng)度σb：材料抵抗斷裂破壞的能力。

（3）裂紋臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC：材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力（斷裂韌度）。

模具材料的基本性能722023年9月2日2．沖擊韌性ak：

材料承受沖擊載荷或沖擊能量的能力。3．耐磨性：材料抵抗磨損的能力。

4．耐蝕性：材料抵抗周圍介質(zhì)腐蝕的能力。模具材料的基本性能732023年9月2日5．硬度：

材料抵抗外部物體壓入的能力。

6．熱穩(wěn)定性：材料在高溫下，保持其組織、性能穩(wěn)定的能力。7．耐熱疲勞性：高溫下，材料承受應(yīng)力頻繁變化的能力。模具材料的基本性能742023年9月2日（二）模具材料的工藝性能1．鍛造工藝性能

材料對(duì)鍛造工藝的適應(yīng)性。2．切削加工工藝性能

材料切削加工的難易程度。3．熱處理工藝性能材料在熱處理時(shí)，獲得所需組織、性能和形狀尺寸的難易程度。4．淬透性材料在一定條件下進(jìn)行淬火，獲得淬透層深