模具的失效分析.docx
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模具的失效分析
模具的失效分析№1
一,目的
1,模具设计人员必须熟知如何保证模具设计正确,合理,提高模具寿命,降低成本.
2,生产中模具失效时,能分析原因,提出改进措施,也是工艺员应掌握的技能.
二,模具的工作条件
1,工装模具组成
凹模-冷镦,正挤,反挤,冲孔,锥形凸模,切边凹模,切边凸模,
孔类`螺母用凹模等.
套-推出销套,衬套
垫-带孔垫块
轴类冲头–正挤,反挤,六方冲头,(螺母冲头),推出销,凸模销,
光凸模(无孔)
销,轴,杆.
板,块类型-垫块,切断刀,送料滚,刀体,钳片,夹子,弹簧板,弹簧片
螺旋弹簧–拉,压
弹簧碟簧
板簧
2,易损件(服役期短,经常更换的件)
冲头,凹模
重点分析易损件–冲头,凹模.
3,模具工作条件
1
挤压冲头工作条件–以活塞销为例
上冲头–向下运动,下冲头–固定不动.
挤压中,上冲头受力大于下冲头.上冲头受力情况如下:
A)向下运动–反挤坯料,冲头受压应力.B)向上运动–脱离坯料,因摩擦力冲头受拉应力.C)可能因冲头偏心,产生弯曲应力.
结论:
上冲头受力复杂,易导致失效.上冲头最大名义压力可达2500MPa.
在尺寸过渡处,由于应力集中,有时应力更大于此值.
2冷挤压凹模的工作条件№2
冷挤压过程中,凹模型腔表面受很大的压力,该压力使凹模产生巨大的切向拉应力.
(以下插图)
三,模具失效的基本形式及原因
模具失效形式–模具丧失服务能力的某种损伤形式.
大多数模具出现损伤后,不会立即丧失服务能力,仅在其中一种损伤发展到足以妨碍模具正常工作或生产出废品时,此模具才停止服役.
№3
(一)模具失效的基本形式№4
形式
现象及说明
塑性变形
凸模:
镦粗
纵向弯曲
凹模:
型腔塌陷
棱角倒塌
型腔胀大
磨损
刃口钝化
棱角变圆
平面下陷,孔加大
表面沟痕
剥落
粘模
疲劳
萌生细小裂纹
小裂纹向纵深扩展
裂纹扩展一定尺寸后,严重削弱模具承载能力引起断裂
疲劳源–应力集中部位(尺寸过渡,刀痕,缺口,磨削裂纹)
冷热疲劳
多产生于热作模具
断裂
纵向断裂
横向断裂(斜向断裂)
龟裂
(二)模具塑性变形失效原因
分类
具体原因
影响因素
模具材料
超过模具材料抗压屈服应力
模具材料:
1含碳量低
2合金元素及含量不足
3强度水平不高
热处理
热处理:
1淬火硬度不够(凸模工作部分硬度不小于HRC60)
2淬硬层深度不够
3韧性偏高
工艺工装设计
1凸模单位压力值过大,合理排工序,使其单位应力值不超过凸模抗压屈服应力
2凸模长径比超过所允许的界限,保证凸模纵向稳定性
3提高模具导向精度,保证良好对中
操作
1操作不当
2意外超载
3凸模端面或毛坯端面不平整,使凸模受较大偏心载荷(提高毛坯下料精度或增加一道镦平工序来提高毛坯端面平整度)
(三)模具磨损失效原因№5
凸凹模磨损失效是一种正常失效,但有时发生早期磨损失效值得研究.
1,模具磨损过程
磨损量mgC
1初期磨损阶段A
新模具B
刃口锋利(切边模,冲切模),模孔形状误差
(不圆度等),与坯料接触面积小,局部压力大,A
以及产生塑性变形,导致磨损速度加快.
冲击次数N
2正常磨损阶段B
初期磨损阶段达到一定程度,刃口与工件接触单位压力减轻,不再产生塑性变形,进入摩擦磨损阶段.在此过程中,由于反复冲击,而模具渐渐趋于疲劳.
3过激磨损阶段C
刃口,模孔呈现疲劳,模具急剧磨损,不能正常工作,甚至因冲击出现表面剥落,剥落硬粒子成为磨粒,加快了磨损速度.
2,模具磨损失效原因–基本原因是磨擦№6
分类
具体原因
影响因素
改进措施
模具
材料–选材不当
硬度
表面形态(表面处理)
碳化物(性质,大小,分布数量)
结构设计
△高速钢,高碳高铬钢,硬度相等下,耐磨性最高.
△Cr12MoV冷镦凹模型腔易出现剥落(麻点),沟槽.
△基体钢5Cr4Mo3SiMnVAl很少出现Cr12MoV现象
低硬度易磨损
处理得当
冲击(冷镦)过多碳化物反而降低耐磨性,因为易表面剥落,成磨粒加快磨损.
如反挤凸模工作带部分形状,尺寸不合格
正确选用材料,特别关注模具用新材料
合理设计,制造保证
△TiN涂层提高寿命
△表面镀铬3-5μm
△QPQ工艺(碳氮共渗+1次氧化+抛光+2次氧化)有良好耐磨及防腐性(如对W8Mo3Cr4VCo3N)
合理锻造,热处理.
选择合理的工作带长度及过渡圆角.
被加工材料
化学成份
机械性能
表面粗糙度
表面形态(表面处理)
速度
摩擦系数随变形速度的升高而降低,减少模具磨损.金属较高速度成形时,由于金属材料质量引起惯性力,将在轴向及径向上可继续充填型腔.
温度
冷成形消耗塑性变形功,一部分变成了热能,高速挤压热量来不及散失,局部地方温度可高达150℃-200℃,使金属塑性升高,称热效应,当ε<40%时,热效应影响小,当ε>40%热效应影响大,降低摩擦系数.
润滑
润滑不良,摩擦阻力过大,加快磨损
选择好的润滑剂.
(四)模具疲劳失效原因
1,特征:
在模具某些部位
△在模具某些部位,经一定的服役期,萌生了细小的裂纹,并逐渐向纵深扩展.裂纹扩展到一定的尺寸后,严重的削弱模具的承载能力,而引起断裂.疲劳裂纹萌生于应力较大的部位,特别是应力集中的部位(尺寸过渡,缺口,刀痕,磨削裂纹等).
△模具通常在高强度,低塑性状态下服役,在模具的微观疲劳断口处,很难观察到典型的疲劳条带,但是其宏观断口上,往往呈现出海滩状形貌.
△高碳高合金钢模具,其疲劳断口往往出现粗糙的木纹状条纹.对宏观断口的形貌观察产生严重的干扰.
2,疲劳裂纹分析
根本原因是循环载荷.
疲劳失效过程分两个阶段,①疲劳裂纹的萌生②疲劳裂纹的扩展.
1)疲劳裂纹的萌生
1位置–经常在尺寸过渡处,刀痕处,
磨削沟痕处,磨削裂纹处.
②萌生机理–见下图
模具表面某些微区域内,可先发生滑移,滑移随载荷变化反复进行,到达某一程度后,材料滑移抗力下降,可能从滑移带中挤出金属,成为挤出锋,与此同时形成凹槽.当循环应力较大或晶界相对弱化时,疲劳裂纹可萌生于晶界.疲劳裂纹也可以萌生于粗大的第二相颗粒与基体的界面上.水介质(自来水,盐水等)显著加速疲劳裂纹的萌生和扩展,剧烈降低疲劳寿命.
2)疲劳裂纹的扩展–分两个阶段
A,扩展第一阶段:
形成滑移带裂纹源后,沿着与拉伸应力轴成45°角的滑移面扩展.这种切变式扩展称为第一阶段扩展.对钢铁材料,第一阶段扩展为数百微米.如疲劳裂纹萌生于夹杂物,第一阶段扩展的深度仅为数个微米以后就转向垂直于拉应力轴的方向扩展.
B,扩展第二阶段:
疲劳裂纹沿垂直于拉力轴的方向扩展,在此阶段有多种机制,有拉伸,有压缩.
3,冷模具钢对疲劳裂纹萌生扩展的影响
模具钢具有很高的屈服强度和很低的断裂韧性.
高的屈服强度–有利于推迟疲劳裂纹的萌生.
低的断裂韧性–加快疲劳裂纹的扩展,使疲劳裂纹扩展循环数剧烈缩短.
№7
4,模具疲劳失效原因№8
根本原因是循环载荷,凡促使表面拉应力增大的因素均增加疲劳裂纹的萌生.
分类
具体原因
影响因素
模具结构
1,尺寸过渡不当
2模具尺寸过渡处R小
3,表面粗糙度低
制造
1,缺口
2,刀痕
3,磨削裂纹
4,淬火裂纹
保存及运输
操作
(五)模具冷热疲劳失效
1,失效形态
在极冷,极热条件下服役的模具,锻压数千次或数百次之后,型腔表面出现许多细小裂纹,其形状有网状,放射状,平行状等,这些裂纹仅有数毫米深,不会向纵深扩展,冷热疲劳裂纹经常萌生于刀痕及磨损沟槽,外观呈现直线状.
2,模具冷热疲劳失效原因
锻压钢件的模具与坯料接触时,表面迅速升温到600℃-900℃而内层尚处于较低的温度,表面层受热而膨胀,但受内层的约束,因而在表面产生压应力,压应力的数值一般均大于模具材料在该状态下的屈服强度,因而引起塑性变形.锻件脱模后,由于向模具表面喷洒冷却剂,使表面急剧冷却而收缩,当表面收缩受到约束时,便产生拉应力,模具表面层中的循环热应力是引起冷热疲劳的根本原因.
高温氧化,冷却水的电化学腐蚀以及坯料的摩擦作用,加速了冷热疲劳过程.因此,冷热疲劳过程是极其复杂的物理化学过程.
(六)模具的断裂失效
模具在服役过程中,突然出现大裂纹或分离为两部分或数部分使模具立即丧失服务能力,属于断裂失效.
常见断裂失效形式有:
崩牙,崩刃(冲头,搓丝板,滚丝轮等)劈裂,折断(冲头),胀裂等
1,模具断裂(折断)失效过程
可分一次性断裂和疲劳断裂两类
1一次性断裂
模具在冲压时突然断裂,称为一次性断裂.
主要原因是严重超载或模具材料严重脆化(如过热,过烧,回火不足,严重的应力集中及严重的冶金缺陷等)
2疲劳断裂
模具在服役中,在应力最大或应力集中处,萌生微裂纹,在冲击力作用下,微裂纹慢慢扩展,模具有效承载面积逐渐缩小,直至外加应力超过模具材料的断裂强度,模具发生断裂或是随裂纹逐渐扩展裂纹尖端的应力强度因子不断增大,直至超过材料的断裂韧性值时,裂纹发生失稳性扩展,模具发生脆性断裂。
疲劳断裂全过程其寿命长短不一,通常冷作模具从萌生疲劳裂纹直到最后断裂只需较短时间。
这是由于冷作模具材料的断裂韧性较低所至。
模具的工作条件极为复杂。
因此,一个模具上可同时出现多种损伤形式,这些损伤又相互促进,加速了模具的失效。
2,模具断裂失效原因–可分四大类
分类
具体原因
影响因素
模具结构
应力集中(危险断面处应力超出凸模材料许用应力)
尺寸过渡差别过大;圆角半径过小;凸模长径比过大,凸模处于非稳定状态工作,降低了许用应力。
强度不足
承载面积过小
模具材料
选材不当
材料韧性太低;材料强度太低。
材质不良
材料有冶金缺陷
制造工艺
应力集中
圆角半径不合格;残留刀痕;磨痕;磨削裂纹;锻造裂纹;热处理裂纹等。
组织缺陷
晶粒粗大;表面脱碳;流线分布不合理;网状碳化物;带状碳化物;碳化物分布不均偏析;热处理硬度不当;回火不足等
操作方法
啃模
冲床精度不符合要求;模具安装不正确。
超载
坯料放置不正确;冲床刚度低
模具表面出现拉应力
模具冷却不当;工作温度太高,发生回火转变
其他
偏心负荷较大
热疲劳裂纹
反复承受冷热交变应力产生龟裂
还有其他许多原因,在生产实践中需加以总结
毛坯端面不平;毛坯与凹模间隙过大(一般0。
1mm以下);凸模与凹模对中不好;模具安装导向精度不好。
低温回火预防
四,提高模具使用寿命的措施
1,提高模具钢的质量
国外一些发达国家用冲模(凸模,凹模)与我国采用的基本一样,多为高碳,高铬合金工具钢及韧性较好的高速钢。
德国,瑞士等国使用的模具钢是经过二次精炼的。
而我国用的模具钢很少经二次精炼,造成模具钢坯质量差。
如铸锭头部缩孔,疏松,铸锭边缘与心部之间碳化物的混合物及夹渣,在钢锭的断面上有颗粒大小不匀的碳化物,有严重的宏观偏析与显微偏析。
钢的杂质多,纯度差。
这样铸锭或锻压成材在质量上得不到改善。
锻坯中碳化物不均匀及网状碳化物超标,热处理后会产生硬度不均,微裂纹,冲压中造成崩刃,掉块等。
因此期待钢厂生产出钢锭边缘,锭心无夹杂碳化物的混合物,使钢锭任意断面上碳化物颗粒大小均布,无纤维偏析。
№9
2,模具厂提高凸,凹模锻坯质量№10
凸凹模锻坯要求锻造技术较高,锻造理想的几何形状,清除锻件内疏松及非氧化孔洞,细化晶粒及紧密组织,选择合理锻造比,打碎钢中碳化物粗大晶粒及偏析,使其均布于钢中,改进机械,物理性能及热处理工艺.
3,提高冲模制造工艺水平
冲模制造方法(凸凹模)
冲模制造方法
改进措施
电火花线切割法
居多
凸凹模尺寸精度≤0.01
粗糙度0.4~0.1
线切割保不了,国外在线切割后,增加喷砂,研磨及超声波清理等后序加工,以提高表面质量.
国内大多数模具厂无后序加工工序,造成
①Ra↑-μ ↑-磨损↑-寿命↓
崩刃,掉块
②线切割表面产生有害电蚀层,不仅表面粗糙,且有纤维裂纹,所以必须磨去,否则模具寿命降低.
增加喷砂,研磨,精密磨削后序工序.
磨削法制造
较少
压印法和手工
锉磨法
.较原始
中,小模具厂,乡镇企业仍在用
4,采用推荐的热处理工艺
如Cr12MoV凸,凹模,加热650℃消除内应力退火800℃~820℃预热保温3小时1020℃淬火500℃回火(高温回火,彻底消除坯件内应力,减少裂纹危险)990℃淬火200℃回火
(防变形及尺寸变化)
5,表面强化处理
增加抗磨能力,方法分三类:
1改变基体表面化学成分
如渗金属,渗碳,渗硼,渗硫,氮化.气体软氮化,TD处理,离子氮化等
2不改变基体化学成分
如激光,电子束,真空热处理,低温和超低温处理等.
3基体表面形成硬化层
如镀硬铬,电镀沉积,热喷涂,电火花强化,等离子喷涂,熔烧法涂复,碳化钛复层,化学沉积(CVD),物理沉积(PVC)等.
6,冲模的润滑及润滑剂
1普通冲裁用润滑剂
A)GB443-6420号机械油100%
B)对有色金属冲裁GB486-65轻质锭子油100%
C)不锈钢冲裁菜油100%,或乳化石腊油100%№11
或氯化乙烯漆100%
②精冲(强力齿圈压边)用润滑油
A)氯化石腊100%,推荐用于≤3mm的精冲件
B)精冲挤压油氯化石腊66%,矿物油16%,麦缩丙三醇7%
油酸蓖麻醇酯4%,二苄基二硫7%
C)进口或国产精冲专用润滑油
2拉伸,弯曲及成形用润滑油
A)低碳钢板拉伸推荐GB486-65轻质锭子油43%,鱼肝油8%,
石墨15%,油酸8%,硫磺粉5%钾肥皂6%,水15%配方的润滑剂.
B)用于有色金属板的拉伸可用50%浓肥皂水配成的润滑剂.
以上润滑剂也可用于弯曲与成形.
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