模具的失效分析

1、模具的失效分析 1一, 目的 1, 模具設計人員必須熟知如何保證模具設計正確,合理,提高模具壽命,降低成本. 2, 生產中模具失效時,能分析原因,提出改進措施,也是工藝員應掌握的技能.二, 模具的工作條件 1, 工裝模具組成 凹模 - 冷鐓, 正擠, 反擠, 沖孔, 錐形凸模, 切邊凹模, 切邊凸模, 孔類 螺母用凹模 等. 套 - 推出銷套, 襯套 墊 - 帶孔墊塊 軸類 沖頭 正擠, 反擠, 六方沖頭, (螺母沖頭), 推出銷, 凸模銷, 光凸模(無孔) 銷, 軸, 桿. 板,塊類型 - 墊塊,切斷刀,送料滾,刀體,鉗片,夾子,彈簧板,彈簧片 螺旋彈簧 拉,壓彈簧碟簧 板簧2, 易損件 (

2、服役期短,經常更換的件)沖頭, 凹模重點分析易損件 沖頭, 凹模.3, 模具工作條件 擠壓沖頭工作條件 以活塞銷為例上沖頭 向下運動, 下沖頭 固定不動.擠壓中,上沖頭受力大于下沖頭. 上沖頭受力情況如下:A) 向下運動 反擠坯料,沖頭受壓應力. B)向上運動 脫離坯料,因摩擦力沖頭受拉應力. C)可能因沖頭偏心,產生彎曲應力.結論: 上沖頭受力復雜,易導致失效. 上沖頭最大名義壓力可達2500 MPa.在尺寸過渡處,由于應力集中, 有時應力更大于此值. 冷擠壓凹模的工作條件 2冷擠壓過程中,凹模型腔表面受很大的壓力,該壓力使凹模產生巨大的切向拉應力.(以下插圖) 三,模具失效的基本形式及原因

3、模具失效形式 模具喪失服務能力的某種損傷形式.大多數模具出現損傷后,不會立即喪失服務能力,僅在其中一種損傷發(fā)展到足以妨礙模具正常工作或生產出廢品時,此模具才停止服役. 3(一)模具失效的基本形式 4形式現象及說明塑性變形凸模: 鐓粗縱向彎曲凹模: 型腔塌陷棱角倒塌型腔脹大磨損刃口鈍化棱角變圓平面下陷, 孔加大表面溝痕剝落粘模疲勞萌生細小裂紋小裂紋向縱深擴展裂紋擴展一定尺寸后,嚴重削弱模具承載能力引起斷裂疲勞源 應力集中部位(尺寸過渡,刀痕,缺口,磨削裂紋)冷熱疲勞多產生于熱作模具斷裂縱向斷裂橫向斷裂(斜向斷裂)龜裂(二)模具塑性變形失效原因分類具體原因影響因素模具材料超過模具材料抗壓屈服應力模

4、具材料: 含碳量低 合金元素及含量不足 強度水平不高熱處理熱處理: 淬火硬度不夠(凸模工作部分硬度不小于HRC60) 淬硬層深度不夠 韌性偏高工藝工裝設計 凸模單位壓力值過大,合理排工序,使其單位應力值不超過凸?？箟呵?凸模長徑比超過所允許的界限,保證凸模縱向穩(wěn)定性 提高模具導向精度,保證良好對中操作 操作不當 意外超載 凸模端面或毛坯端面不平整,使凸模受較大偏心載荷(提高毛坯下料精度或增加一道鐓平工序來提高毛坯端面平整度)(三)模具磨損失效原因 5 凸凹模磨損失效是一種正常失效,但有時發(fā)生早期磨損失效值得研究. 1,模具磨損過程 磨損量 mg C 初期磨損階段 A新模具B 刃口鋒利(切

5、邊模,沖切模),模孔形狀誤差 (不圓度等),與坯料接觸面積小,局部壓力大,A 以及產生塑性變形,導致磨損速度加快. 沖擊次數 N 正常磨損階段 B初期磨損階段達到一定程度,刃口與工件接觸單位壓力減輕,不再產生塑性變形,進入摩擦磨損階段. 在此過程中,由于反復沖擊,而模具漸漸趨于疲勞. 過激磨損階段 C刃口, ?？壮尸F疲勞,模具急劇磨損,不能正常工作,甚至因沖擊出現表面剝落,剝落硬粒子成為磨粒,加快了磨損速度. 2,模具磨損失效原因 基本原因是磨擦 6分類具體原因影響因素改進措施模具材料 選材不當硬度表面形態(tài)(表面處理)碳化物(性質,大小,分布數量)結構設計高速鋼,高碳高鉻鋼,硬度相等下,耐磨性

6、最高.Cr12MoV 冷鐓凹模型腔易出現剝落(麻點),溝槽.基體鋼5Cr4Mo3SiMnVAl很少出現Cr12MoV現象低硬度易磨損處理得當沖擊(冷鐓)過多碳化物反而降低耐磨性,因為易表面剝落,成磨粒加快磨損.如反擠凸模工作帶部分形狀,尺寸不合格正確選用材料,特別關注模具用新材料合理設計,制造保證TiN 涂層提高壽命表面鍍鉻3-5m QPQ工藝(碳氮共滲+1次氧化+拋光+2次氧化)有良好耐磨及防腐性(如對W8Mo3Cr4VCo3N)合理鍛造,熱處理.選擇合理的工作帶長度及過渡圓角. 被加工材料化學成份機械性能表面粗糙度表面形態(tài)(表面處理)速度摩擦系數隨變形速度的升高而降低,減少模具磨損. 金屬

7、較高速度成形時,由于金屬材料質量引起慣性力,將在軸向及徑向上可繼續(xù)充填型腔.溫度冷成形消耗塑性變形功,一部分變成了熱能,高速擠壓熱量來不及散失,局部地方溫度可高達150-200,使金屬塑性升高,稱熱效應,當40%時,熱效應影響小,當40%熱效應影響大,降低摩擦系數.潤滑潤滑不良,摩擦阻力過大,加快磨損選擇好的潤滑劑. (四) 模具疲勞失效原因 1,特征: 在模具某些部位 在模具某些部位,經一定的服役期,萌生了細小的裂紋,并逐漸向縱深擴展.裂紋擴展到一定的尺寸后,嚴重的削弱模具的承載能力,而引起斷裂.疲勞裂紋萌生于應力較大的部位,特別是應力集中的部位(尺寸過渡,缺口,刀痕,磨削裂紋等). 模具通

8、常在高強度,低塑性狀態(tài)下服役,在模具的微觀疲勞斷口處,很難觀察到典型的疲勞條帶,但是其宏觀斷口上,往往呈現出海灘狀形貌. 高碳高合金鋼模具,其疲勞斷口往往出現粗糙的木紋狀條紋.對宏觀斷口的形貌觀察產生嚴重的干擾. 2,疲勞裂紋分析根本原因是循環(huán)載荷.疲勞失效過程分兩個階段, 疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的擴展.1) 疲勞裂紋的萌生 位置 經常在尺寸過渡處, 刀痕處,磨削溝痕處,磨削裂紋處.萌生機理 見下圖 模具表面某些微區(qū)域內,可先發(fā)生滑移,滑移隨載荷變化反復進行,到達某一程度后,材料滑移抗力下降,可能從滑移帶中擠出金屬,成為擠出鋒,與此同時形成凹槽.當循環(huán)應力較大或晶界相對弱化時,疲勞裂紋可萌生于

9、晶界.疲勞裂紋也可以萌生于粗大的第二相顆粒與基體的界面上.水介質(自來水,鹽水等)顯著加速疲勞裂紋的萌生和擴展,劇烈降低疲勞壽命.2)疲勞裂紋的擴展 分兩個階段 A,擴展第一階段 : 形成滑移帶裂紋源后,沿著與拉伸應力軸成45°角的滑移面擴展.這種切變式擴展稱為第一階段擴展.對鋼鐵材料,第一階段擴展為數百微米.如疲勞裂紋萌生于夾雜物,第一階段擴展的深度僅為數個微米以后就轉向垂直于拉應力軸的方向擴展. B,擴展第二階段 : 疲勞裂紋沿垂直于拉力軸的方向擴展,在此階段有多種機制,有拉伸,有壓縮. 3, 冷模具鋼對疲勞裂紋萌生擴展的影響模具鋼具有很高的屈服強度和很低的斷裂韌性.高的屈服強度

10、 有利于推遲疲勞裂紋的萌生.低的斷裂韌性 加快疲勞裂紋的擴展,使疲勞裂紋擴展循環(huán)數劇烈縮短. 7 4,模具疲勞失效原因 8根本原因是循環(huán)載荷,凡促使表面拉應力增大的因素均增加疲勞裂紋的萌生.分類具體原因影響因素模具結構1,尺寸過渡不當2模具尺寸過渡處R小3,表面粗糙度低制造1,缺口2,刀痕3,磨削裂紋4,淬火裂紋保存及運輸操作(五) 模具冷熱疲勞失效 1,失效形態(tài)在極冷,極熱條件下服役的模具,鍛壓數千次或數百次之后,型腔表面出現許多細小裂紋,其形狀有網狀,放射狀,平行狀等,這些裂紋僅有數毫米深,不會向縱深擴展,冷熱疲勞裂紋經常 萌生于刀痕及磨損溝槽,外觀呈現直線狀.2,模具冷熱疲勞失效原因鍛壓

11、鋼件的模具與坯料接觸時,表面迅速升溫到600-900 而內層尚處于較低的溫度,表面層受熱而膨脹,但受內層的約束,因而在表面產生壓應力,壓應力的數值一般均大于模具材料在該狀態(tài)下的屈服強度,因而引起塑性變形.鍛件脫模后,由于向模具表面噴灑冷卻劑,使表面急劇冷卻而收縮,當表面收縮受到約束時,便產生拉應力,模具表面層中的循環(huán)熱應力是引起冷熱疲勞的根本原因.高溫氧化,冷卻水的電化學腐蝕以及坯料的摩擦作用,加速了冷熱疲勞過程.因此,冷熱疲勞過程是極其復雜的物理化學過程. (六) 模具的斷裂失效模具在服役過程中,突然出現大裂紋或分離為兩部分或數部分使模具立即喪失服務能力,屬于斷裂失效.常見斷裂失效形式有 :

12、 崩牙,崩刃(沖頭,搓絲板,滾絲輪等)劈裂,折斷(沖頭),脹裂等1,模具斷裂(折斷)失效過程 可分一次性斷裂和疲勞斷裂兩類 一次性斷裂模具在沖壓時突然斷裂,稱為一次性斷裂.主要原因是嚴重超載或模具材料嚴重脆化(如過熱,過燒,回火不足,嚴重的應力集中及嚴重的冶金缺陷等) 疲勞斷裂模具在服役中，在應力最大或應力集中處，萌生微裂紋，在沖擊力作用下，微裂紋慢慢擴展，模具有效承載面積逐漸縮小，直至外加應力超過模具材料的斷裂強度，模具發(fā)生斷裂或是隨裂紋逐漸擴展裂紋尖端的應力強度因子不斷增大，直至超過材料的斷裂韌性值時，裂紋發(fā)生失穩(wěn)性擴展，模具發(fā)生脆性斷裂。 疲勞斷裂全過程其壽命長短不一，通常冷作模具從萌生

13、疲勞裂紋直到最后斷裂只需較短時間。這是由于冷作模具材料的斷裂韌性較低所至。 模具的工作條件極為復雜。因此，一個模具上可同時出現多種損傷形式，這些損傷又相互促進，加速了模具的失效。 2，模具斷裂失效原因 可分四大類分類具體原因影響因素模具結構應力集中（危險斷面處應力超出凸模材料許用應力）尺寸過渡差別過大；圓角半徑過?。煌鼓ｉL徑比過大，凸模處于非穩(wěn)定狀態(tài)工作，降低了許用應力。強度不足承載面積過小模具材料選材不當材料韌性太低；材料強度太低。材質不良材料有冶金缺陷制造工藝應力集中圓角半徑不合格；殘留刀痕；磨痕；磨削裂紋；鍛造裂紋；熱處理裂紋等。組織缺陷晶粒粗大；表面脫碳；流線分布不合理；網狀碳化物；帶

14、狀碳化物；碳化物分布不均偏析；熱處理硬度不當；回火不足等操作方法啃模沖床精度不符合要求；模具安裝不正確。超載坯料放置不正確；沖床剛度低模具表面出現拉應力模具冷卻不當；工作溫度太高，發(fā)生回火轉變其他偏心負荷較大熱疲勞裂紋 反復承受冷熱交變應力產生龜裂還有其他許多原因，在生產實踐中需加以總結毛坯端面不平；毛坯與凹模間隙過大（一般0。1mm以下）；凸模與凹模對中不好；模具安裝導向精度不好。低溫回火預防四，提高模具使用壽命的措施1， 提高模具鋼的質量國外一些發(fā)達國家用沖模（凸模，凹模）與我國采用的基本一樣，多為高碳，高鉻合金工具鋼及韌性較好的高速鋼。 德國，瑞士等國使用的模具鋼是經過二次精煉的。而我國

15、用的模具鋼很少經二次精煉，造成模具鋼坯質量差。如鑄錠頭部縮孔，疏松，鑄錠邊緣與心部之間碳化物的混合物及夾渣，在鋼錠的斷面上有顆粒大小不勻的碳化物，有嚴重的宏觀偏析與顯微偏析。鋼的雜質多，純度差。這樣鑄錠或鍛壓成材在質量上得不到改善。鍛坯中碳化物不均勻及網狀碳化物超標，熱處理后會產生硬度不均，微裂紋，沖壓中造成崩刃，掉塊等。因此期待鋼廠生產出鋼錠邊緣，錠心無夾雜碳化物的混合物，使鋼錠任意斷面上碳化物顆粒大小均布，無纖維偏析。 92，模具廠提高凸，凹模鍛坯質量 10凸凹模鍛坯要求鍛造技術較高,鍛造理想的幾何形狀,清除鍛件內疏松及非氧化孔洞,細化晶粒及緊密組織,選擇合理鍛造比,打碎鋼中碳化物粗大晶粒

16、及偏析,使其均布于鋼中,改進機械,物理性能及熱處理工藝.3,提高沖模制造工藝水平沖模制造方法(凸凹模)沖模制造方法改進措施電火花線切割法 居多凸凹模尺寸精度 0.01粗糙度 0.4 0.1線切割保不了,國外在線切割后,增加噴砂,研磨及超聲波清理等后序加工,以提高表面質量. 國內大多數模具廠無后序加工工序, 造成 Ra - - 磨損 - 壽命 崩刃, 掉塊線切割表面產生有害電蝕層,不僅表面粗糙,且有纖維裂紋,所以必須磨去,否則模具壽命降低. 增加噴砂,研磨,精密磨削后序工序.磨削法制造 較少壓印法和手工銼磨法 .較原始中,小模具廠,鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)仍在用4,采用推薦的熱處理工藝 如Cr12MoV凸,凹模

17、, 加熱650 消除內應力退火 800820預熱保溫3小時 1020 淬火 500回火 (高溫回火,徹底消除坯件內應力,減少裂紋危險) 990淬火 200 回火 (防變形及尺寸變化) 5,表面強化處理增加抗磨能力, 方法分三類: 改變基體表面化學成分如 滲金屬,滲碳,滲硼,滲硫,氮化.氣體軟氮化,TD處理,離子氮化等 不改變基體化學成分如 激光,電子束,真空熱處理,低溫和超低溫處理等. 基體表面形成硬化層如 鍍硬鉻,電鍍沉積,熱噴涂,電火花強化,等離子噴涂,熔燒法涂復,碳化鈦復層,化學沉積(CVD), 物理沉積(PVC) 等. 6,沖模的潤滑及潤滑劑 普通沖裁用潤滑劑A) GB443-64 20號機械油 100%B) 對有色金屬沖裁 GB486-65 輕質錠子油 100%C) 不銹鋼沖裁