模具壽命與材料PPT第01章緒論、第一章.ppt

模具壽命與材料,主講人：趙 娟,1、教材與學時安排,教材 :模具壽命與材料 主編 ：程培源 機械工業(yè)出版社 理論授課學時 : 32學時 考試課程: 平時成績30% + 考試成績70% 考試形式: 開卷考試 本課程推薦主要參考書: 1、模具壽命與失效，曾珊琪，丁毅 主編，化學工業(yè)出版社，2005年。 2、模具材料與使用壽命，王家瑛 主編，機械工業(yè)出版社，2000年。 3、模具材料及表面處理，張清輝 主編，電子工業(yè)出版社，2002年。,緒 論,一、模具在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的作用 模具：是材料的加工和成形工藝裝備。目的是使材料通過塑性變形或成型工藝變成產(chǎn)品或半成品.它在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用. 1.模具是產(chǎn)品成形的重要工藝裝備。 如：金屬材料主要成形方法: a.塑性變形成形；例：自由鍛件、模鍛件、軋制件、拉拔件、沖壓件都是使金屬材料在模具內(nèi)發(fā)生塑性變形而獲得的。 b.鑄造成形；例：砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造也是在模具中充填加壓成形的。 c.粉末冶金成型； 非金屬材料主要成型方法陶瓷：模具制坯成形+燒結(jié)； 高分子材料：注射成型；擠壓成型等。,2.模具成型的零件具有高精度、高復(fù)雜性、高生產(chǎn)率和低消耗 特性，是其它加工制造方法無法比擬的。因此應(yīng)用面很廣， 利用模具制造各種零、部件，在飛機 、汽車、電器儀表領(lǐng)域占60%70%；家電產(chǎn)品中占80%以上，手表、自行車等輕工產(chǎn)品占85%以上。 3. 模具是“效益”放大器-用模具生產(chǎn)的產(chǎn)品價值是模具自身 價值的數(shù)倍以上。 4. 模具成型制件可實現(xiàn)少、無切削加工 少、無切削加工是制造業(yè)發(fā)展的一個方向，而模具成型是實 現(xiàn)該方向的工藝途徑。利用此方法有可能直接加工成為成 品。 5. 模具生產(chǎn)技術(shù)水平是衡量一個國家產(chǎn)品制造水平的重要標 志- 模具在很大程度上決定產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的 開發(fā)能力,現(xiàn)狀： 1）市場的激烈競爭，加速了模具的更新?lián)Q代，促進了模具工 業(yè)的迅速發(fā)展 2）工業(yè)發(fā)展對模具的要求越來越高 如：模具性能要求更高；精度要求更嚴；種類更多；形狀更復(fù)雜；工作條件更苛刻，壽命更長等。 3）逐漸實現(xiàn)標準化、專業(yè)化和商品化 如模具工業(yè)大量采用先進的技術(shù)和設(shè)備，模具制造中新材 料、新的熱處理工藝不斷出現(xiàn)，采用計算機輔助設(shè)計與制造模 具，這些都使模具制造形成了專門的工業(yè)體系，取得了顯著的 經(jīng)濟效益。 2. 我國模具工業(yè)的差距 1）模具生產(chǎn)專業(yè)化、標準化程度低，模具品種少、效益低，缺少大型、精密、高效、長壽命模具.,二、模具工業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,.,2)模具制造精度低、周期長。 3）新材料、新工藝利用率低,技術(shù)力量落后、管理水平差 1）發(fā)展精密、高效、長壽命模具-提高模具成型制件的精度，提高成型機床一次行程的生產(chǎn)數(shù)量，發(fā)展多工位、多型腔模具，提高模具的使用壽命。 2）發(fā)展高效、精密、數(shù)控自動化加工設(shè)備，提高模具制造水平模具檢測、加工設(shè)備向精密、高效和多功能化方向發(fā)展 a.模具檢測設(shè)備日益精密、高效；精度可達2-3m b.數(shù)控技術(shù)、電火花加工設(shè)備普遍應(yīng)用； c.高速銑削機床（HSM）應(yīng)用； 3）高速、經(jīng)濟制模技術(shù)發(fā)展迅速 a.快速原型制造技術(shù)（RPM）；包括激光光刻技術(shù)（SLA）、疊層輪廓制造技術(shù)（LOM）、激光粉末選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)（SLS）、熔融沉積成形技術(shù)（FDM）等。,3. 模具工業(yè)發(fā)展趨勢,b.表面成形制模技術(shù)；如噴涂、電鑄、化學腐蝕等技術(shù)形成模具內(nèi)腔表面。 c.澆鑄制模成形技術(shù)；Zn基合金、樹脂復(fù)合成形等。 d.冷擠壓、超塑性成形制模技術(shù)； e.模具毛坯快速制造技術(shù)； 4）模具材料及表面處理技術(shù)發(fā)展迅速 模具工業(yè)要上水平，材料應(yīng)用是關(guān)鍵。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前因模具選材和處理不當造成的模具早期失效占約45%左右。 新材料如H13、P20模具鋼大量應(yīng)用； 多元、復(fù)合共滲技術(shù)、激光表面處理等新工藝不斷應(yīng)用。 5）模具工業(yè)新工藝、新理念、新模式等逐步得到認可： 例 沖壓模具功能復(fù)合化； 超塑性成形； 虛擬制造； 網(wǎng)絡(luò)制造等；,第二節(jié) 模具成形工藝及分類,普通模鍛,擠壓,拉拔,模具成形工藝 及分類,(一)普通模鍛 是將金屬加熱或不加熱，在沖擊力或壓力作用下，使金屬的幾何形狀發(fā)生變化，得到一定要求的鍛件。它包括鐓鍛和熱鍛 鐓鍛：是使材料局部鍛粗成一定的形狀的加工工藝?？煞譃槔溏?、溫鐓和熱鐓。 熱鍛：是利用鍛錘或螺旋壓力機或熱模鍛壓力機使金屬變形的加工方法?？煞譃槟ｅ懞吞ツｅ憽?(二)擠壓 是將金屬材料放在擠壓模型腔內(nèi)，一端施加強大壓力，材料處于三向受力狀態(tài)下變形，而從一端的?？字辛鞒?，獲得不同形狀的型材與管材或零件。按凸模與材料相對運動方向分類，可分正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓、徑向擠壓和靜液擠壓。 優(yōu)點：擠壓零件的形狀可以很復(fù)雜，精度好，而且表面粗糙度值低，力學性能好。,(三) 拉拔 拉絲：材料在拉力作用下通過小于坯料斷面的?？祝a(chǎn)生使斷面積減少，長度增加的變形，從而獲得不同規(guī)格的線材或其他型材。 拔管：管坯材料受拉通過?？缀托景糁g的環(huán)形縫隙變形，使管的直徑減少、管壁變薄的加工工藝。 （四）沖壓 沖壓是利用沖模使材料發(fā)生分離或變形，從而獲得零件的加工方法。沖壓主要可分為分離、成形兩類基本工藝方法。 （1）分離 使坯料的一部分與另一部分相互分離的工藝，可分沖孔、落料、切邊、修整等方法。 （2）成形 使坯料發(fā)生塑性變形而不分離的工藝，包括拉深、彎曲、脹形、翻變和校平等。,二、模具的分類,模具的分類1,按模具所加工材料的再結(jié)晶溫度分,分類,原則,冷變形模具：冷沖壓、冷擠、冷鐓、冷拔模。,熱變形模具：熱鍛、熱鐓、熱擠、熱沖模。,溫變形模具：變形在冷、熱變形之間，即既比冷變形溫度為高，降低了塑性變形抗力，減少了模具的承載。,模具的分類2,按模具加工批坯料的工作溫度分,分類,原則,熱作模具：高溫下進行加工。,冷作模具：常溫下進行加工。,溫變形模具：介于以上二者之間,模具的分類3,按模具成形的材料分,分類,原則,金屬成形用模具：,非金屬成形用模具：,三、課程的性質(zhì)與任務(wù),模具材料與壽命是機械制造及自動化專業(yè)模具設(shè)計與制造等方向的專業(yè)課，在專業(yè)教學計劃中起承前啟后的作用。 課程的任務(wù)是使學生了解模具失效形式與分析方法，了解模具壽命與影響因素；掌握常用模具材料的性能特點、熱處理工藝及選用原則；能正確利用這些原理和規(guī)律指導(dǎo)模具選材和制定熱處理工藝；為模具設(shè)計、加工、使用及維護等奠定必備的基本理論知識。 四、課程的目的與基本要求： 熟悉模具壽命、失效的概念，模具壽命的影響因素； 掌握常用模具材料的性能特點、熱處理工藝與選用原則； 具有正確選擇模具材料和制定模具熱處理工藝的能力； 具有將所學知識用于模具設(shè)計、加工、使用、維護和管理的能力。,第二章 模具壽命及其對工業(yè)生產(chǎn)的影響,一、模具壽命與失效的基本概念： 1、模具服役：模具安裝、調(diào)試后，正常生產(chǎn)合格產(chǎn)品的過程。 2、模具損傷：模具使用過程中，雖出現(xiàn)尺寸變化、微裂紋等缺陷，但沒有喪失服役能力的狀態(tài)。-稱有病狀態(tài)，要及時維修。 3、模具失效：模具損壞到不可修復(fù)，且不能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的狀態(tài)。廣義上講,模具失效是指一套模具完全不能再用. 可分為兩種情況： 1）早期失效: 模具未達到預(yù)期壽命即失效報廢。-屬非正常失效；常見的失效形式有塑性變形、斷裂、局部嚴重磨損。 2）正常失效：模具達到預(yù)期壽命而失效報廢。-屬正常失效；常見的失效形式有緩慢塑性變形、疲勞斷裂、工作面均勻磨損等。,4、模具壽命：模具正常失效前,生產(chǎn)合格產(chǎn)品的總數(shù)目.用S來表示。模具首次修復(fù)前生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的數(shù)目，稱首次壽命S1，模具一次修復(fù)后到下一次修復(fù)前所生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品的數(shù)目，稱修模壽命S2，模具壽命是首次壽命與各次修模壽命的總合。 數(shù)學表達：S=Si 其中Si表示模具從第i-1次到i次修復(fù)時生產(chǎn)合格產(chǎn)品的數(shù)目。 第二節(jié) 模具壽命與生產(chǎn)率 (一)模具的設(shè)計時間(T1) 從模具設(shè)計到模具所有工藝文件、圖樣完成所用的時間。 （二）模具的制造時間(T2) 模具從制造開始到初次使用時所用的時間。 （三）模具的安裝、調(diào)試時間(T3) 模具制造出來后，裝在相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備上，調(diào)試生產(chǎn)第一件合格產(chǎn)品所用的時間。 。,（四）模具的修復(fù)及維護時間(T4) 模具服役一段時間后，暫時性地失去功能或為了維護所用的時間。它包含拆卸、重新裝在設(shè)備上所用的時間 二、模具壽命與生產(chǎn)率的關(guān)系,生產(chǎn)率Q（件/h）=n/T1+T2+T3+T4+n/60N 其中：n產(chǎn)品批量（件） T1模具的設(shè)計時間。（指從模具設(shè)計到模具所有工藝文件圖樣完成所用的時間） T2模具的制造時間。（指從模具制造到初次使用所用的時間 T3模具的安裝、調(diào)試時間。 T4模具經(jīng)歷數(shù)次維修所用時間總和。 N設(shè)備的工作節(jié)奏。（次/min） 注：1）nS時，需消耗多套模具。 2）減少模具的裝配、修模次數(shù)及時間，提高模具的首次壽命和維修后壽命，可顯著提高模具生產(chǎn)率。 3）設(shè)備工作節(jié)奏N越快，模具壽命對生產(chǎn)率的影響越顯著.,三、模具壽命與產(chǎn)品成本,模具的成本,與模具壽命無關(guān)的項目（如原材料費、工資、設(shè)備拆卸費）,與模具壽命有關(guān)的項目（如模具費）,模具的成本可簡寫為： V=A+M+B/S A與模具壽命無關(guān)的單件產(chǎn)品成本之和(含管理費，材料費等) B與模具壽命有關(guān)的其它項目成本之和（不包括模具費） M（模具費）=MC（模具材料費）+MZ（模具制造費）+MX（模具修理費） 注： 1）模具壽命增加，產(chǎn)品成本降低。 2）要考慮產(chǎn)品批量和模具壽命之間的關(guān)系。,三、模具壽命與產(chǎn)品成本,產(chǎn)品成本隨著模具壽命的增加而下降。我國模鍛、沖壓件產(chǎn)品模具費占產(chǎn)品成本的10%30%，小批量沖壓件模具費占產(chǎn)品成本的30%50%。因此，有效地提高模具的壽命，就可降低產(chǎn)品成本。,三、模具壽命與產(chǎn)品成本,同一批量產(chǎn)品，當采用不同的模具材料、不同的制模工藝時，其模具費用不同，也會影響產(chǎn)品成本。因此，降低產(chǎn)品成本，除了提高模具壽命外，還要考慮產(chǎn)品批量與模具壽命的匹配關(guān)系。應(yīng)使模具壽命稍大于產(chǎn)品批量。,第三章 模具失效形式及機理 模具失效形式,磨損,斷裂,塑性變形,一、磨損失效： 磨損：由于表面的相對運動，從接觸表面逐漸逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象。 磨損失效：當這磨損使模具的尺寸發(fā)生變化或改變模具的表面狀態(tài) 使之不能繼續(xù)服役時。,磨損分類,磨粒磨損,粘著磨損,疲勞磨損,氣蝕和沖蝕磨損,腐蝕磨損,根據(jù)模具成形坯料不同,使用狀況不同,二、磨粒磨損,1）概念：工件和模具表面存在外來硬質(zhì)顆粒，刮擦模具表面引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象。,2）磨粒磨損機理 垂直分力使磨粒壓入金屬表面，平行分力使磨粒與金屬表面產(chǎn)生相對切向運動。磨粒壓入金屬表面是磨粒磨損的第一階段，而壓入金屬表面的磨粒與金屬表面的相對切向運動是磨損的第二階段。 在用模具成形工件時，一般情況模具比工件硬度高，磨粒首先被壓入軟工件內(nèi)，在模具與工件相對運動時刮檫模具，從模具表面切下細少的碎片。,3)影響磨粒磨損的因素 a.磨粒尺寸和形狀尺寸越大，磨損越嚴重，達一定尺 寸后趨于穩(wěn)定；磨粒形狀尖銳，磨損嚴重 b.磨粒硬度Hm和模具材料表面硬度Ho 磨粒硬度Hm和模具材料表面硬度Ho之間的相對值對磨損影響很大。,當Hm Ho時，如圖中區(qū)，模具產(chǎn)生輕微磨損，此時磨損率小，曲線上升平緩。 當HmHo時，如圖中區(qū)，為磨損軟化狀態(tài)，此時磨損率急劇增加，曲線上升很陡。 當HmHo時，如圖中區(qū)，為嚴重磨損狀態(tài)，此時磨損量較大，曲線趨平。 由此可見，要減少磨粒磨損，模具材料硬度Ho應(yīng)比磨粒硬度Hm高。, 輕微 磨損區(qū),Hm/Ho,c.模具與工件表面壓力壓力，磨損嚴重 d.磨粒尺寸與工件厚度的相對值工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，且越深，磨損越小。,4）提高抗磨粒磨損的措施 a.提高模具材料硬度 一般情況下，模具材料硬度越高，抗磨粒壓入的能力越強，耐磨損性越好。 b.模具表面進行耐磨處理 模具使用工況惡劣，承受一定的沖擊載荷，模具的整體必須具有一定的韌性。因此，對模具表面進行耐磨處理，是在保證一定的條件下，提高模具耐磨性的有效途徑如滲碳、氮化等， c.采取防護措施及時清理模具表面與毛坯上存在的磨粒，防止磨粒的侵入，也是提高耐磨性的有效方法。,4、粘著磨損,1）概念：工件和模具表面相對運動時，由于表面凹凸不平，粘著的結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，使模具表面材料轉(zhuǎn)移到工件上或脫落的現(xiàn)象。,2）粘著磨損機理 1)微凸體開始接觸，在接觸峰頂產(chǎn)生彈-塑性變形 2）微凸體接觸點產(chǎn)生粘著，并形成粘結(jié)點。 3）粘結(jié)點附近產(chǎn)生裂紋 4）粘結(jié)點在裂紋處被剪切，使微凸體分離 5）微凸體附近彈性恢復(fù)，一個粘著磨損過程完結(jié)。,粘著磨損分類 按照磨損嚴重程度，粘著磨損可分為輕微粘著磨損和嚴重粘著磨損。,3）影響粘著磨損的因素 a. 表面壓力：一般壓力，磨損越嚴重 b. 材料性質(zhì)：材料塑性越好，粘著磨損越嚴重；相同金屬或互溶性大的材料之間，容易產(chǎn)生粘著磨損；多相金屬抗粘著磨損能力強 c. 材料硬度：硬度相差大，剪切發(fā)生在軟金屬次表層，磨損輕；硬度相近時，剪切同時發(fā)生在較深部位，磨損嚴重。,4）提高抗粘著磨損的措施 a.合理選擇材料選與工件互溶性小的材料，可減少親和力。降低粘結(jié)的可能性。 b.合理選擇潤滑劑和添加劑形成潤滑油膜防止金屬表面直接接觸 c.模具表面改性改變互溶性和材料組織、結(jié)構(gòu),5、其它磨損：疲勞磨損; 氣蝕和沖蝕磨損; 腐蝕磨損等（自學） 注：一般磨損失效較復(fù)雜,往往不是單一形式,而是多種形式并存.,第二節(jié) 斷裂失效,模具出現(xiàn)大裂紋或分離為兩部分和數(shù)部分，喪失服役能力時，稱為斷裂失效。 斷裂對模具來說是最嚴重的失效形式，它是各種因素產(chǎn)生的裂紋擴展的歸宿。根據(jù)不同的出發(fā)點，斷裂可有幾種分類方法。其中按斷裂性質(zhì)，斷裂可分為塑性斷裂和脆性斷裂。 1. 塑性斷裂斷裂前有明顯塑性變形發(fā)生。原因是模具材料選擇不當，強度低。 2. 脆性斷裂-斷裂時不發(fā)生或發(fā)生很小的宏觀塑性（2-5%）,即沒有明顯塑性變形發(fā)生。 由于模具材料多為中、高強度鋼，斷裂的性質(zhì)多為脆性斷裂。,脆性斷裂包括一次性斷裂和疲勞斷裂。 一次性斷裂：是指在承受很大變形力或在沖擊載荷的作用下，裂紋產(chǎn)生并迅速擴展所造成的斷裂。其斷口為結(jié)晶狀。 一次性斷裂考慮的性能指標： 沖擊韌性K（或AK）承受沖擊載荷的能力。 由于模具在承受沖擊載荷時，瞬間沖擊所引起的應(yīng)力和變形要比靜載荷引起的大的多。 疲勞斷裂：是指在較低的應(yīng)力下，經(jīng)多次使用，裂紋緩慢擴展后產(chǎn)生的斷裂。 疲勞斷裂是損傷的積累過程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴展、瞬間斷裂三各階段。應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。,疲勞斷口,通過改善材料形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力.,斷裂韌性KIC綜合考慮材料強度和塑性的影響。50年代以后發(fā)展起來的新型學科。它表示裂紋突然失穩(wěn)而快速擴展，發(fā)生瞬間脆斷。它反映了材料抵抗裂紋擴展的能力，其大小可以通過實驗測定，它是材料本身的特性，與材料成分、熱處理及加工工藝等有關(guān)。 斷裂韌性判據(jù)：KIC = C *（* ac ）1/2 -（1） 式中C為材料的斷裂應(yīng)力； ac為材料中臨界裂紋長度 應(yīng)用：可估計模具承載能力。 由于KIC是一個常數(shù)，一旦模具材料選定，工作應(yīng)力與裂紋長度的關(guān)系也就確定了。 測ac （探傷等）根據(jù)（1）式和材料KIC可估算模具承載能力C?；蛘哌€可以根據(jù)工作應(yīng)力來確定所允許存在的最大裂紋。,。 3. 疲勞斷裂有三個階段組成 1）裂紋萌生階段：一般在應(yīng)力最大（應(yīng)力集中處等）、強度最弱、缺陷（晶界、夾雜等）處產(chǎn)生。 裂紋萌生的方式為：表面不均勻變形萌生裂紋； 沿晶界萌生裂紋；沿夾雜和第二相微裂紋 2）疲勞裂紋穩(wěn)定擴展階段： 疲勞裂紋擴展速率da/dN=C（K)m -（2） 式中C、m是材料常數(shù)，由實驗確定；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 應(yīng)用：估計模具剩余壽命 測模具中已存在裂紋長度a0 根據(jù)（1）式求出模具允許的臨界裂紋長度ac 由（2）式估計模具的剩余壽命N剩余 Ny= （ac - a0 ）/（da/dN） 3）裂紋失穩(wěn)擴展階段-斷裂,影響斷裂失效的主要因素 模具的斷裂是由裂紋萌生及裂紋擴展兩個過程來實現(xiàn)的,因此能對這兩個過程產(chǎn)生影響的因素,也就影響斷裂失效的因素. (一)模具表面形狀 由于成型件結(jié)構(gòu)與工藝的需要,模具零件存在