模具寿命与失效3

2019/8/131模具寿命与失效授课人：曾珊琪2019/8/132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。第三章模具失效的基础知识2019/8/133一、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。2019/8/1341．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2019/8/135*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2019/8/136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2019/8/137*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2019/8/1382．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2019/8/139冲头寿命与直径、板料厚度的关系冷冲裁模2019/8/13103．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2019/8/1311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2019/8/1312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2019/8/1313冷冲裁模2019/8/13144．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2019/8/13151）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2019/8/13162）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2019/8/13173）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2019/8/1318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。2019/8/13191.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。2019/8/13202.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2019/8/1321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2019/8/1322（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。2019/8/1323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2019/8/1324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2019/8/1325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2019/8/1326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2019/8/1327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2019/8/1328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2019/8/1329（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：2019/8/1330（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。2019/8/1331（四）冷挤压模2）反挤压与凸模运动方向相反为反挤压；2019/8/1332（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；2019/8/1333（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。2019/8/1334（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。2019/8/1335（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。2019/8/1336（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。2019/8/1337二、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。2019/8/13381．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2019/8/13391．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2019/8/1340（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2019/8/1341（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2019/8/1342（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2019/8/1343（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2019/8/1344（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2019/8/1345（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2019/8/1346（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2019/8/13472．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。2019/8/1348（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。2019/8/1349②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。2019/8/1350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。2019/8/1351（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。2019/8/1352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。2019/8/1353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。2019/8/1354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。2019/8/1355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