第五章影响模具寿命的因素

Chapter5影响模具寿命的因素主要内容影响模具寿命的因素主要包括：模具结构设计、模具工作条件、模具材料、模具的热加工和冷加工、模具使用状况等方面的因素。第一节模具结构一、模具的几何形状影响模具寿命的几何形状因素主要包括：模具的圆角半径、凸模端面形状、凹模锥角和凹模截面变化的大小等。（一）圆角半径模具的圆角半径可分为外（凸）圆角半径和内（凹）圆角半径。工作部位圆角半径的大小，不仅对工艺及成型件质量有影响，也对模具的失效形式及寿命产生影响。什么是应力集中？应力集中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。应力集中对构件强度的影响脆性材料对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。塑性材料对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。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。小的凸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。1.凹模的锥角和截面变化（一）几何角度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。2.凸模的端面形状二、模具的结构形式（一）整体式模具与组合式模具整体式模具主要指凹模是由一块整金属加工成的模具。不可避免地存在凹角半径，易造成应力集中，并引起开裂。组合式模具是把模具在应力集中处分割为两部分或几部分，再组合起来使用的模具。采用组合式模具可避免应力集中和裂纹的产生。模具结构的组合方法有多种形式：1.组合凸模结构图5-9（a）心轴根部容易发生应力集中2.组合凹模结构V型槽底易于发生应力集中而断裂底部R处易于发生应力集中而断裂3.预应力镶套凹模用高强、高韧材料制造凹模体，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。优点：可以满足型腔表面高耐磨性和整体高强、韧性的要求。采用预应力镶套，使模具产生预切向压应力，降低成型过程中的拉应力峰值，可有效提高模具寿命。层数越高，寿命越高。（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。工作间隙过小时，冲裁过程中挤压作用增强，模具承受的压力和摩擦力增大，从而使凸模、凹模的侧面磨损加剧。适当增加间隙，可以减轻不利影响。设计时要综合考虑，能够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。（三）模具的结构刚度*1.模具的导向装置2.凸模刚度设计要点3.塑料模的刚度结构（四）减轻工作载荷冷挤压模和冷镦锻模等工作中承受较重的静载荷或冲击载荷，这些模具的结构设计除了保证结构刚度外，还应特别注意采用减轻工作载荷和减少应力集中的结构，使模具各部分受力尽量均匀，避免局部应力过大而发生早期失效。冲头压力与寿命的关系改变工件形状和冷挤压工艺（五）热作模具结构要点热作模具结构设计应注意：1.避免突出尖角2.采用内冷结构3.减轻热-机械载荷模具工作条件包括被加工坯料的状况，锻压设备的特性及工作条件，模具工作中的润滑、冷却及使用维护状况等。这些因素对模具的寿命和失效都会造成影响。第二节模具工作条件一、成型件的材质和成型温度1.成型件的材质成型件按材质分为金属材料和非金属材料。按状态分为固体材料和液体材料。①非金属材料、液体材料强度低，所需的成型力小，模具受力小，因此使用寿命长寿命：非金属金属；液体材料固体材料②金属件强度越高，需要的变形力越大，模具所承受的力也越大，模具的使用寿命越短。寿命：有色金属黑色金属③成型件材料与模具材料的亲和力愈大，在成型过程中越容易与模具产生粘着磨损，则模具的寿命越低。④坯料的表面状态对模具受力、磨损也有较大影响。当成型件表面光亮。性能均匀、表面存在较薄的氧化层或磷化膜时，对模具的工作有利。2.成型温度成型温度对材料强度有影响，同时也影响模具与成型件接触面的情况。在成型高温工件时，模具因受热而升温，随着温度的升高，模具的屈服强度下降，易发生塑性变形。二、设备特性1.设备的精度与刚度滑块运动的导向精度越高，模具上、下模或动、定模定位精度越高，越不易产生附加的横向载荷和转矩，使模具磨损均匀，则模具的寿命越高。设备的刚度越大，在成型过程中产生的弹性变形越小，模具上下模或动定模可较好地保证正确的配合状态。2.设备速度设备速度越高，模具在单位时间内受到冲击越大，设备施力时间越短，越易造成局部应力超过模具材料的屈服应力或断裂强度。因此，设备速度越高，模具越易发生断裂或塑性变形失效。对于热作模具，其失效形式受热锻压设备的加载速度、冲压频率和冲压能量的影响。设备的冲压频率高，使模具的平均温度高而温度变化幅度小，容易导致模具因热强度不足而产生塑性变形失效。当冲压频率低时，模具的热振幅大而平均温度低，容易导致模具的冷热疲劳失效。三、模具的使用与维护模具的正确操作，使用和维护对模具的寿命有很大的影响。模具使用时应严格遵守操作规范：对模具要进行正确的安装和调整；保证良好的导向和刚性；应定时检查，及时排除故障，并注意润滑及冷却；注意定期维护保养等。第三节模具材料的影响模具材料的成分、组织、质量及性能对模具的承载能力，使用寿命及加工精度、制造成本等均有较大影响。选材不当，性能要求不合理，将导致模具的早期失效或者造成浪费。因此，根据模具的工作条件合理选用模具材料是保证模具既安全可靠又经济合理的关键因素。一、模具材料的性能模具的基本性能包括使用性能和工艺性能。（一）使用性能1.强度定义：模具材料抵抗失效最重要的性能。常用σsσbσ0.2表示提高模具屈服强度可采取措施：①降低模具的实际应力a.降低工作应力b.减少残余应力c.降低应力集中②选择屈服强度高的材料屈服强度-----材料成分、组织状态、冶金质量（2）材料的抗拉强度是衡量材料抵抗断裂能力的指标。（3）断裂韧度（KIC）是衡量模具材料抵抗裂纹扩展断裂能力的指标。取决因素内在因素：化学成分、组织结构外在因素：温度、应变速率①内部因素凡是能提高强度、塑性的化学成分和组织结构，也能提高断裂韧度，反之则降低。a.细化晶粒的合金元素，使强度塑性提高；固溶强化，塑性降低；形成金属间化合物或第二相颗粒，塑性降低；b.基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂时，材料的断裂韧度高。c.细化晶粒既可以提高强度，又可以提高塑性，断裂韧度也可提高。d.金属材料中的非金属夹杂物使断裂韧度降低；脆性第二相随着体积分数的增加，断裂韧度降低；适量韧性第二相能够提高材料的断裂韧度。e.显微组织的类型和亚结构对材料的断裂韧度有影响。马氏体组织特征•(1)板条状马氏体•①单元体(单晶体)•板条状•组合特征：马氏体束一些位向相同的板条晶构成马氏体束；原奥氏体晶粒中含3~5个位向不同的M束—块状马氏体0.1~0.3μm10μm•主要存在于低碳钢中(C%0.2%)•——低碳马氏体•形成温度较高•——高温马氏体•亚结构——位错⑵片状马氏体•组织形态及特点：•①单元体：片状，•中间厚、两边薄—凸透镜状或针状；•②组合特征：Ⅰ片与片之间不平行，约呈60°；Ⅱ晶粒大小不等，先大后小，先形成的M片贯穿A晶粒；•③亚结构：•平行的细小孪晶——孪晶马氏体。•∟形成的温度较低——低温马氏体•高碳钢中常出现——高碳马氏体孪晶塑性与韧性片状M：硬而脆；板条M：强而韧∟与亚结构有关板条M塑韧性好的原因：①含碳量低,过饱和度小；②淬火内应力小，形成微裂纹的敏感度小；高碳片状M塑韧性差的原因：①C过饱和度高，畸变大，②淬火内应力大，形成微裂纹的敏感度高。1组织形态上贝氏体(550℃~350℃)组织构成：α(C)+Fe3C铁素体：碳过饱和(0.03%)；成束、板条状平行排列；位错（108~109cm-2)；渗碳体：粒状或短杆状分布在F板条之间。贝氏体转变上贝氏体Fe3C过饱和α相羽毛状下贝氏体(350℃~230℃)组织:α(C)+FexC铁素体：碳过饱和(0.3%)针、片状，互不平行；更高密度位错。渗碳体：粒状或短杆状平行分布在F相内部。过饱和α相Fe3C针状3贝氏体的机械性能（1）强度和硬度铁素体：取决于晶粒大小、C及Me固溶强化、位错密度碳化物：取决于弥散度、数量σs(B上)σs(B下)（2）韧性ak（B下）》ak（B上）原因：B上中碳化物分布条间，有明显方向性，尺寸较大；②借助特殊的热处理工艺通过改变金属材料显微组织的结构、形态和分布，可以提高断裂韧度。a.亚温淬火工艺亚共析钢在两相区不完全奥氏体化后淬火的热处理工艺热处理组织：优点：获得针状铁素体+马氏体的复相组织，使强度和韧度提高。例：20MnVBb.超高温淬火工艺针对中碳结构钢，如40CrNiMo钢、42CrMo钢奥氏体晶粒显著粗大，塑性和冲击功降低，断裂韧度提高断裂韧度提高机理：Ⅰ马氏体形态孪晶→位错，断裂机理准解离→微孔聚集型Ⅱ马氏体板条束间存在残余奥氏体薄膜，阻止裂纹扩展Ⅲ碳化物及夹杂物溶入奥氏体，减少了微裂纹形成源。c.形变热处理分为高温形变热处理和低温形变热处理。高温形变热处理→动态再结晶，细化奥氏体晶粒，细化淬火后马氏体→强度和韧性都提高低温形变热处理→细化奥氏体晶粒，增加位错密度，碳化物弥散沉淀，降低奥氏体含碳量，增加细小马氏体含量→提高强度和韧性。③外部因素一般来说，温度降低使结构钢断裂韧度降低；增加应变速率使断裂韧度降低。绝热效应应变速率断裂韧性2.冲击韧度冲击韧度或冲击功是衡量模具承受冲击载荷或冲击能量能力的指标。3.硬度材料抵抗外部物体压入的能力成为硬度。硬度↑，抗压强度↑耐磨性↑抗咬合能力↑，韧性↓抗冷热疲劳能力↓可切削性↓要根据模具工作环境设计合适的硬度。4.耐磨性材料抗磨损的能力称为耐磨性，通常用磨损量表示。耐磨性相关因素：材料的强度、韧性、硬度。钢中碳化物数量、大小及分布。根据磨损机理，提出相应措施，减轻磨损。5.耐蚀性材料抗周围介质腐蚀能力称为耐蚀性。（1）腐蚀程度的表示方法①均匀腐蚀程度用平均腐蚀速度表示，腐蚀速度又可用单位时间的腐蚀深度或用质量的减少或增加来表示。②局部腐蚀用裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表示。（2）防止金属腐蚀的措施①根据使用情况和要求选择②设计上尽可能降低热应力，避免流体停滞、局部过热等③添加缓蚀剂去除有害介质④金属表面覆盖耐腐蚀层⑤采用电化学保护的方法对金属通以电流进行极化。6.热稳定性在高温下，材料保持其组织、性能稳定的能力称为热稳定性。受温度影响时，材料内部原子的活动能力增加，使材料产生塑性提高而强度、硬度下降的趋势，引起材料承载能力及耐磨损能力下降。但温度超过相变温度时，材料将发生组织转变现象，而引起材料性能的变化。7.耐热疲劳性定义：高温下，材料承受应力频繁变化的能力称为耐热疲劳性。（1）热疲劳性产生原因模具热膨胀或收缩收到约束作用；零件本身存在温度梯度；组合件之间存在温差；膨胀系数不同的材料相配合或连接；（2）提高耐热疲劳抗力的措施①选择最佳结构，避免应力集中②选择优良的抗热疲劳性的材料③采用表面强化工艺④对于低周疲劳和热疲劳失效，可通过改善材料塑性来改善材料塑性来改善失效抗力。（二）工艺性能1.锻造工艺性能材料对锻造工艺的适应性称为锻造工艺性能。2.切削加工工艺性能材料切削加工的难易程度称为切削加工工艺性能。3.热处理工艺性能材料在热处理时，获得所需组织、性能的难易程度称为热处理工艺性能。4.淬透性二、模具使用性能的选择模具的工作条件可近似分为：室温载荷较小；室温载荷较大；高温载荷较小；高温载荷较大；1.室温载荷较小的工况强度越高，硬度越高，耐磨性越好，寿命越高，如冲裁模拉深模2.室温载荷较大的工况高的强度、耐磨性，好的韧性，如冷镦模、冷挤模3.高温载荷较小的工况高温强度、高温耐磨性、耐冷热疲劳性、热硬度及热疲劳性，适当的冲击韧度，如曲柄压力机锻模。4.高温载荷较大的工况高的高温韧性，合适的高温强度、