模具材料失效分析

模具材料失效分析（精选4篇）

模具材料失效分析 篇1

1 引言

冷挤压是一种先进的压力加工方法，无论在技术上和经济上都有显著特点，该工艺可以大量节约原材料，生产效率高，容易实现自动化，可加工形状复杂的零件。冷挤压件具有强度高、刚性好、重量轻、表面光洁和尺寸精度高等优点。因而，是航空、交通运输、通讯、家电、自行车等行业广泛采用的一种先进工艺技术。

冷挤压模具是保证挤压件形状尺寸和精度的重要工装，是保证挤压件表面质量的重要因素之一。模具寿命长短直接影响产品质量和生产效率的提高。因此，提高挤压模具寿命对降低生产成本，提高经济效益有着十分重要意义。

2 冷挤压模具失效原因

冷挤压模具失效概括地说包含两方面：模具本身的损坏和生产出挤压件尺寸的超差。模具本身损坏又分为正常和非正常两种损坏形式，非正常损坏既无规律可寻，又可通过人为方法加以克服。本文主要讨论正常工作条件下的损坏，即冷挤压模具的失效。模具失效的主要形式有磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂。

冷挤压模具失效原因：挤压工艺循环过程中，变形金属和模具工作表面之间的相对运动产生剧烈摩擦导致模具表面磨损;模具内部反复引起的高压应力，使模具工作时受到非对称的交变应力作用而发生塑性变形;挤压时金属的剧烈流动产生的热效应和摩擦热使模具工作表面温度升高(可高达400℃以上)，当取出工件加润滑剂时这一工作间隙时间，这极易使模具表面散热降温。所以模具在完成一个工艺循环时，需经受一次热循环引起的交变应力作用，导致疲劳裂纹破坏。

特殊的是挤压凸模比较细长，工作循环过程中，由于受侧向力和附加弯曲应力的作用，根部产生很大的交变弯曲应力，也易发生疲劳破坏。因此，弯曲应力对凸模的疲劳破坏不可忽视。

3 影响冷挤压模具寿命因素分析

3.1 模具材料对寿命的影响

挤压工艺循环中，模具工作环境较差，要保证挤压模具能够长时间可靠工作，所选择的模具材料必须具备高硬度、高强度、高耐磨性和良好的韧性、足够的热稳定性、热硬性、耐热疲劳性。

如果模具材料选用不合理，即使价格昂贵的模具钢其效果也难以奏效。例如，挤压铅、铝等软材料零件，选用高速钢(如W18Cr4V)来制作模具，其寿命并不理想。若选用优质碳素工具钢，可以达到理想效果。反之，挤压硬材料的钢件时，选择Cr12MoV这类高铬工具钢或W18Cr4V这类高速工具钢，热处理后，不仅强度高、硬度高、而且韧性、热硬性和耐磨性也好，完全可满足钢件挤压模具的要求。因此，根据挤压件材料种类和复杂程度、挤压方式、模具结构形式、模具实际工作条件、生产批量大小及设备类型综合考虑选择模具材料，是保证挤压模具具有高寿命的前提。

3.2 凸模的弯曲应力对模具寿命影响

凸模的弯曲应力是由于凸模头部受到侧向力作用的结果，其来源主要有如下几方面：模具制造、安装误差或压力机静态精度不好，模具安装后，凸模中心线相对于凹模中心线发生偏斜，工作时，凸模就会受到侧向力作用;毛坯两端面不平行或与外圆不垂直，毛坯在凹模内因间隙大而放偏，挤压时凸模会受到侧向力的影响;模架中心与压力机中心不重合，或模具结构不对称，使压力机台面和模板弹性压缩变形不对称，压力机本身刚性和精度差等都是产生侧向力的来源;凸凹模紧固不牢靠，在上述侧向力作用下，模具发生“移动”使凸模中心错开。

凸模在这些侧向力作用下，会发生弹性弯曲，在凸模弯矩最大处，弯曲应力最高，有：

式中：Mmax———凸模最大弯矩，产生在凸模根部;

W———凸模抗弯截面模量。

式中：αC———应力集中系数;

Q———侧向力;

l———凸模杆部长度。

如果σ弯远大于凸模的疲劳强度时，在较少的挤压次数后就会引起一条或数条疲劳裂纹，此时，称为高应力疲劳破坏;若σ弯很小，多次挤压后也会引起疲劳裂纹，此时称为低应力疲劳破坏。因此，σ弯的大小直接影响挤压次数N，即凸模寿命。

设凸模的裂纹长度a，根据断裂力学Paris—Erdongan公式，有

式中：da/d N———亚临界扩张速率(即a<裂纹临界长度ac时);

△K———应力强度因子振幅值;

C、m———材料常数，查表或试验确定。

式中：Y———裂纹荷因子;

σa———交变应力幅值。

将式(4)代入式(3)，可得：

因Y与a无关，积分后得：

式中：ai———裂纹初始尺寸。

由式(7)可知：

由上式可以看出，N与σ弯的某次方成反比。可见，σ弯的大小对凸模疲劳寿命的影响是很大的。

3.3 热处理工艺对模具寿命的影响

模具的使用寿命在很大程度上取决于热处理的质量。热处理的目的不仅是为了提高模具的硬度，也是为了改善钢的组织和性能，以获得理想的热强度和韧性。为确保热处理质量，近年来普遍采用可控气氛和真空热处理工艺，对温度、温升和冷却速度、淬火介质、回火次数等参数进行大量研究，并取得良好的效果。例如：滚动触头零件冷挤压模具，模具材料为Cr12钢，采用普通的一次硬化热处理工艺，寿命仅为6000～8000件，主要失效形式为开裂;改为锻热固溶淬火(1050℃油淬)+等温淬火(780℃)双重热处理工艺方法，可使模具寿命提高1.5倍以上。采用双重淬火工艺，可使碳化物呈弥散析出，均匀分布于钢的基体中，最终组织为10%下贝氏体+回火马氏体和弥散分布的碳化物及少量残余奥氏体。硬度58～62HRC，这种组织细密，有高的强韧性、耐磨性和良好的断裂韧性。

3.4 模具加工方法对模具寿命影响

电火花切割已广泛用于模具加工。由于线切割加工一般都是在热处理后进行，从而避免了热处理变形、表面脱碳等弊端。但由于线切割工艺大多采用快走丝方法，线切割后工件表面粗糙度Ra>2.5μm，硬度分布和内应力状态都较差。所以不经研磨或稍加研磨就装配使用，结果经常出现崩刃、折断、碎裂等现象。正常使用情况下，模具寿命也很低。

模具寿命低的原因主要是：线切割加工时，放电区电流密度很大(10000A/mm2)，温度很高(10000℃～12000℃)，加注的介质液急剧冷却，使切割表面层硬度仅有20HRC左右。其后为热影响区，再后才是原硬度区，而内部淬火层硬度高达70HRC以上。更为严重的是原材料内部因淬火呈拉应力状态，线切割所产生的热应力状态也是拉应力，两种拉应力叠加的结果很容易达到材料抗拉强度而产生微裂纹，从而大大缩短模具寿命。因此，线切割工艺不能作为挤压凸、凹模的最终加工工序。必须采取其他工艺方法消除应力。目前，最有效的消除应力措施有以下两种。

(1）研磨+回火处理

线切割加工后，用研磨的方法去掉表面20HRC的白层，再经160℃～180℃回火处理2h，则白层下面的高硬层可降低6～8HRC，线切割产生的热应力得以消除。从而提高了钢的韧性，延长了模具使用寿命。

(2）研磨+低温时效处理

线切割加工表面经研磨后，白层和高硬层基本去掉。再进行120℃～150℃下5h～10h低温时效处理(低温回火处理)，或采取160℃～180℃下4h～6h低温回火处理，可消除淬火层内部的拉应力。而硬度降低甚微，却大大提高了钢的韧性，降低了脆性，挤压模具寿命可提高4倍以上。若挤压模具在生产若干零件后，内部应力已经积聚很高。也可用此方法消除内应力，提高韧性从而提高模具寿命。

4 提高挤压模具寿命途径

4.1 正确选用模具材料

模具材料是影响冷挤压模具寿命的关键因素之一，模具制造周期长，成本高，材料费用仅为模具费用的10%～15%左右，因此，要尽可能选用品质优良钢材制造挤压模具。例如：(1)挤压形状较为复杂材质为20钢的支撑块零件时，选用3Cr2W8V材料，热处理硬度为48～52HRC，模具寿命仅为6000件左右，主要破坏形式为型腔角部破裂，模具工作表面磨损。改变工艺方法，进行气体碳氮共渗，模具表面硬度提高到60～62HRC后，模具使用寿命超过2万件;(2)挤压材质为Q235钢的轴挡和轴管类零件时，选用强度高，塑性和韧性好的7CrSiMnMoV(CH)材料。采用560℃预热+880℃油淬+200℃回火热处理工艺，其模具使用寿命可达到9000件左右。

4.2 减少挤压件壁厚差

前述分析可知，侧向力的来源很多，它们之间又有复杂的交互作用。因此，σ弯很难用精确计算求得，而且σ弯还与应力集中有关，所以，模具材料、加工方法和工作状况及凸模形状都会影响σ弯的大小。试验分析表明，凸模的σ弯与挤压件的偏心量e成正比。因此，可以用挤压件偏心量e来反映σ弯的大小。为便于分析，忽略工件内孔和外圆形状误差，偏心量就等于壁厚差之半。显然，测量工件壁厚差比测量弯曲应力σ弯简单多了。

设挤压件壁厚差为δ。

则由式(8)可得：

即说明挤压次数(模具寿命)与挤压件壁厚差的某一次方成反比，若其他情况不变，则减小挤压件壁厚差，凸模的疲劳寿命可得到很大提高。因此，壁厚差较小的挤压件不仅可提高挤压件精度，而且可大大地提高模具使用寿命。

4.3 表面强化处理

为进一步提高挤压模具寿命，可对挤压模具工作表面进行碳氮共渗、离子氮化、渗碳、渗硼及局部刷镀、喷涂等表面处理方法，使模具工作表面生成一层高强度、有极好耐磨性的化合物，从而增加模具耐磨性，以提高挤压模具寿命。

表面强化工艺中的PVD、CVD、PCVD技术均可用于模具工作表面处理，运用PCVD沉积工艺，可在模具工作表面形成TiC、TiN镀膜，模具寿命可提高几倍到几十倍。

5 结束语

综上分析可知，选用品质优良的冷挤压模具材料，正确合理的设计挤压凸模结构，采用先进的热处理工艺和表面强化处理技术，规范冷挤压模具使用过程控制，可有效的提高冷挤压模具使用寿命，从而达到提高冷挤压件生产率、节约材料、降低生产成本的目的。

参考文献

[1]卢吉连.花键套筒冷挤凸模的正确选材.机械工程材料,1998,(5):41-43.

[2]彭成允,等.3Cr2W8V钢用于冷挤压模.金属热处理,2001,(7):33-35.

[3]王德文.钢的冷挤压模具材料及其热处理.中国热处理年鉴,2003.

[4]王德文,主编.提高模具技术应用实例.北京:机械工业出版社,2004.

[5]钱苗根,主编.材料表面技术及应用手册.北京:机械工业出版社,1998.

塑料模具失效的分析与对策 篇2

随着工业生产的飞速发展, 各种家用器具、视听设备、办公器械、汽车零件等, 大量采用塑料件, 并向小型化、轻量化、精密化方向发展, 对塑料模具的技术要求也就越来越高, 因此希望所使用的模具坚固可靠、使用灵活、操作方便。然而, 塑料模具是一种较昂贵的工具, 如果使用寿命不高, 拆装的次数就多, 这样, 费时费工地拆装模具将大大降低设备的生产率。因此, 提高塑料模具寿命对降低塑件成本, 提高设备生产率有着显著的作用。

塑料模具寿命取决于一系列因素, 如模具材料和热处理、生产中维护保养、模具结构设计等等。

二、各类模具常见的失效形式

模具失效的基本形式有断裂与疲劳、塑性变形、磨损、咬合、冷热疲劳等。由于模具的种类非常繁多, 模具结构千差万别, 模具成形时的工作条件也不尽相同, 即使同一种类模具也存在明显的差异。因此, 模具的失效形式也是各不相同, 了解各类模具常见的失效形式, 有助于对模具失效进行分析, 下表1所示为各类模具常见的失效形式。

二、影响模具失效的因素

1. 模具的服役条件。

了解模具的服役条件, 是对模具进行失效分析的前提, 是提高模具使用寿命的必备条件。不论是模具生产者, 还是模具使用者都必须关心模具的服役条件, 改善模具的服役条件。模具的服役条件包括机床精度与刚性、行程次数、被加工件变形抗力及表面状态、模具预热、模具组装、锻造温度、锻打速度、成形工艺、冷却条件、润滑条件等等。

2. 机床精度与刚性。

机床精度与刚性对模具寿命, 特别对冷冲裁与冷挤压模具的寿命影响极大, 但是对于塑料模具则影响不是太大。

3. 被加工件变形抗力及表面状态。

被加工零件的材质不同、厚度不同对模具寿命有很大影响。即使冲制同一种钢材, 被加工材料退火充分与否, 对模具寿命也有很大影响, 有时甚至造成凸模频繁发生早期折断, 无法正常生产。被加工材料的表面状态对冷作模的磨损、咬合均有影响。

4. 模具预热。

导热性差的钨系热作模具钢制模具, 使用前必须进行预热, 这样可提高韧性, 降低模具型腔表面层的温度梯度和热应力, 防止早期开裂。对锻模或热挤压模、热镦模也应进行预热, 尤其是冬天更有必要对热作模具进行预热。

5. 锻造温度。

热作模具尤其是高温热作模具, 若坯料加热温度太高, 则可能使模具急剧软化, 硬度降低, 从而发现塌陷及变形等形式的失效。但若锻打温度太低则被加工件变形抗力过大, 会使模具发生磨损或断裂形式的失效。因此, 锻造温度对热作模具的使用寿命影响较大。

6. 冷却条件。

热作模具的使用寿命与冷却条件密切相关, 若采用冷却方式、介质不当, 模具会再出现早期失效, 大大缩短其使用寿命。如含钨量较高的热作模具钢制模具, 应避免喷水冷却, 否则易出现早期热疲劳开裂, 应以油水雾和通水内冷为宜。

另外, 行程次数、模具组装、锻打速度、成形工艺等与模具的使用寿命也密切相关, 合理选取能避免模具的早期失效, 有效地延长模具的使用寿命。

三、对塑料模具失效因素的分析

塑料模具的主要失效形式为磨损失效、局部塑性变形失效和断裂失效。

1. 当塑料模具使用的材料与热处理不合理, 塑料模具的型腔表面硬度低, 而耐磨性差, 表现为, 型腔面因磨损及变形引起的尺寸超差;粗糙度值因拉毛而变高, 表面质量恶化。尤其是当使用固态物料进入塑模型腔, 它会加剧型腔面的磨损, 故塑料模产生了磨损失效。加之, 塑料加工时含有氯、氟等成分受热分解出腐蚀性气体HCl、HF, 使塑料模具型腔面产生腐蚀磨损, 形成侵蚀失效。

2. 局部塑性变形失效。塑料模具所采用的材料强度与韧性不足, 变形抗力低;当填充的物料进入塑模型腔内, 有超载、持续受热, 周期受压, 而应力分布不均匀, 以及塑模型腔面硬化层过薄, 从而使塑模产生局部的塑性变形而引起的表面皱纹、凹陷、麻点、棱角堆塌, 超过要求限度而造成失效以及回火不充分等因素使塑料模具寿命缩短, 过早地失效。

3. 断裂失效。塑料模具形状复杂, 多棱角薄边, 应力严重集中在韧性不足之处。同时, 塑料模采用合金工具钢回火不充分, 而发生断裂失效。从塑料模三种失效形式可知:选用合理的塑料模具材料与热处理, 对它的使用寿命至关重要。故此, 塑料模具材料的选用与热处理应满足下列要求:

(1) 有较高的硬度、良好的耐磨性。型腔硬度要求在HRC30～60, 淬火硬度大于HRC55, 并且有足够的硬化深度, 心部有足够的强韧性, 以免脆断、塑性变形。

(2) 具有一定的抗热性。在150～250℃长期工作, 不氧化、不变形, 尺寸稳定性好。

(3) 注射时, 有腐蚀介质析出, 要求有一定的耐蚀性。

(4) 热处理变形小, 对精密模具来说, 要求变形小于0.05%, 并且有足够的淬透性。

(5) 切削加工性能好, 具有优良的抛光、耐磨性能, 镜面抛光可达Ra 0.1μm以下。

(6) 焊接性、锻造工艺性能良好。

四、提高塑料模具寿命的对策

1. 合理设计模具结构, 减少刚性接触摩擦。

(1) 阶梯分型面设计。采用如图1所示的结构。在平行于开合模方向的分型面上设计成带α角的斜面相互配合, 以减少开合模时产生摩擦而烧伤分型面。

α角在塑料件允许范围内尽量取大值, 即使配合高度很小 (小于0.5mm) 时也应如此, 不能省略。

(2) 动、定模成形垂直贴合面设计。在动、定模垂直方向刚性贴合处做成如图2所示带有β角的斜面或锥面, 同样可以减少开合模时产生磨损, 也有利于合模时相互贴紧不易产生飞边。

(3) 滑动件、导向件的配合。在保证有效配合长度的前提下, 尽量减少滑动件的配合接触面积, 从而减少因摩擦发热而烧伤滑动副。如侧抽芯滑块、导柱、顶杆、拉杆等的配合面长度;抽芯斜导柱一与滑块应大间隙配合 (一般应留0.5mm间隙) , 以消除复合运动的干涉, 从而提高模具结构件的使用寿命。

(4) 定模抽芯和二次脱模。应尽量避免采用摆钩、搭扣之类的定距拉紧机构。可选用弹簧辅助推出、动模滑动或液压缸等方式进行定模抽芯, 在二次脱模中可用固定式的拉板机构。

2. 合理的模具材料的选择。

第一, 对于大多数模具钢而言, 基本上是高强度和低韧性, 因此导致不易获得有益的再现经验, 理论总结普遍不够系统;第二, 不易获得模具各个部位的精确受力情况以及受力大小的情况。模具材料选择的基本要素是材料品种、材质状况、使用性能三个方面。

3. 合理的热处理工艺。

据资料统计表明, 有70%的模具失效是由于热处理不当所导致。应合理地制定模具的热处理工艺和有效的实施, 以避免和消除热处理给模具带来的组织和性质的缺陷, 从根本上保证模具性质, 延长和提高寿命。

4. 确保模具的机械加工质量。

热成型模具的机械加工主要包含切削加工、磨削加工、电火花强化加工等工序。这些加工工序及加工质量对模具的寿命有直接影响。

5. 减少人为损坏。

提高操作者的操作技术水平和工作责任心是减少人为损坏的有效措施。但人总是会有疲劳和疏忽的时候, 并且机床设备也会有异常故障的时候。这就要求模具设计者必须全面地考虑生产过程中可能出现的一切不利因素, 在模具结构设计上采取措施消除隐患, 降低发生损坏模具事故的几率, 从根本上加以预防。

五、结论

模具失效是一个非常复杂的过程, 是许多因素共同影响的结果。在实际生产中, 应该具体问题具体分析, 通过对失效模具的分析正确找出造成模具失效的主要因素, 制定切实可行的措施。只有这样, 才能最大限度地提高模具的加工质量和使用寿命, 获得显著的经济效益。

参考文献

[1]俞芙芳.影响塑料模具使用寿命的因素及改进方法.机械开发, 2000年 (1) .

[2]傅建红.模具失效分析与对策.新余高专学报, 第10卷第2期, 2005 (4) .

[3]蒋美丽.合理选用塑料模具的材料与热处理, 提高模具使用寿命.机床与液压, 2004 (1) .

模具材料失效分析 篇3

气门是发动机中的重要零件,目前国内主要采用电镦-终锻和挤压-终锻两种工艺方法进行毛坯生产,终锻成形是气门毛坯加工的关键工序之一[1]。气门毛坯终锻成形过程中,由于金属的流动剧烈,模具工作的环境恶劣,导致模具寿命很低,一般为500~1000件每套。过低的模具寿命,既显著增加生产成本,又对生产效率造成很大的影响。本文根据广东省怀集登云配件股份有限公司气门毛坯终锻成形工艺的实际生产,对终锻模具的失效形式进行统计,结合终锻成形过程的计算机模拟和模具失效形式分析,确定模具产生失效的主要原因,并提出相应的解决方案。本文的研究有助于改进终锻成形工艺,有效提高模具寿命,对发动机气门的实际生产将具有重要意义[2]。

2 终锻模具的失效形式统计分析

本次统计的是2008年的部分数据,共分析了11074多套模具,107个品种,气门材料主要为40Cr、4Cr9Si2、SUH11、21-4N、23-8N等几种,模具材料为3Cr2W8V和HM1等两种,模具的平均寿命约为498支,最高寿命为5097支,最低为10支以下,模具寿命的分段分布如图1所示。模具寿命在100支到1000支之间分布较为平均,有大约2300多套模具在10支以下,而超过1000支的不多,只有1200多套。模具的主要失效形式有圆角R位磨损、R位细小裂纹、整体开裂、R位拉伤等几种,图2是几种主要失效形式的模具照片,图3是几种主要模具失效形式所占的比例情况。圆角R位磨损所占比例最大,达30.91%,而由于圆角R位的磨损、裂纹和拉伤等引起的失效比例共达60%,是最主要的失效形式;整体开裂约为15%;其它一些失效形式共只占24%左右。

3 终锻成形过程模具受力变形的计算机模拟

为了对气门终锻模具的失效原因进行分析,本文采用DEFORM3D软件对终锻成形过程及模具的受力变形与温度变化等进行了数值模拟。根据对称性取其中的四分之一进行分析,工件共划分25000个单元,凹模共划分35000个单元。图4为终锻成形过程工件内部的金属流动速度图。在成形过程中,圆角部位的金属一直都存在向杆部的流动,成形开始时流动速度较小,中间阶段存在杆部和大盘直径方向的分流情况,最后充满模膛后,在凸模的作用下,几乎所有的工件内部金属都将产生向杆部的流动,圆角部位的金属流动速度显著增大。图5是成形过程中不同时间工件与模具的接触状态图,标注处为接触区域。凹模的圆角部位一直与模具接触,成形最后阶段,整个模膛表面全部与工件接触。因此整个成形过程中,由于金属的流动在凹模圆角部位都将产生严重的接触摩擦作用,成形的最后阶段更为显著。

图6是成形过程中凹模的温度分布图,凹模的温度分布及不均匀,由于在圆角R部位与工件接触时间长,该部位及附近区域一直处于较高温度,最高达630K,且温度在成形过程中产生周期性变化,会产生热疲劳,这将降低模具的强度,导致圆角部位更容易出现损伤。图7是成形过程中模具的等效应力分布图,由于和工件接触的作用,凹模R部位一直处于高应力状态,成形最后阶段,等效应力显著增大,因为分析时只考虑了模具的弹性变形,此时计算的应力已超过1700Mpa,远大于的材料的屈服应力,将使模具产生微小的塑性变形,且应力存在周期性变化,将导致模具的应力疲劳。

4 模具失效的主要原因分析与对策

4.1 圆角R位磨损

圆角R位磨损是一种较正常的失效形式,占总失效形式中的30.90%,出现这种失效形式时模具的平均寿命为730支气门。出现这种失效的主要原因是由于R部位的工作环境最为恶劣:终锻成形时,R部位模具表面是与工件摩擦最激烈、摩擦时间最长的部位,也最容易磨损;同时R部位也是受热时间最长、温度最高、最难冷却的部位。数值模拟表明该部位与工件接触时间最长、温度最高、等效应力已超过材料的屈服应力。而实际测量表明终锻成形前工件温度为900℃~1100℃,工件与模具R部位接触的时间为3s~4s,而其它部位只有1s~2s或以下,据测量长时间使用时模具R位的最高温度达600℃~700℃,甚至高过模具表面回火温度,因此该部位在摩擦作用下最容易产生粘着磨损。模具表面的硬度和粗糙度、模具使用时的润滑条件、模具R位的大小以及预成形毛坯过渡圆角大小等都将对模具的R位磨损产生影响,模具寿命也有差别。

圆角R位磨损的主要原因表明不可能完全消除磨损失效,但可延迟R位磨损出现的时间,主要对策有:(1)改进定位和顶料方式,使工件预成形毛坯放入凹模时,圆角部位不相互接触,只是在凸模作用下才压入凹模,这样能尽量缩短R位与工件的接触时间,有效减少工件对模具的传热,降低模具R部位的温度;(2)改善模具使用时的润滑冷却,使用水基石墨等水性润滑剂,提高R部位的润滑冷却效果;(3)数值模拟和实际生产表明工件预成形毛坯过渡圆角大小对R位磨损有一定影响,毛坯过渡圆角略小于模具圆角,将能减少模具磨损、提高模具寿命,但毛坯过渡圆角半径的具体尺寸大小对模具寿命的影响需要更进一步的研究。

4.2 圆角R位微细裂纹

圆角R位微细裂纹也是一种常见的失效形式,约占总失效形式中的17.5%,模具的平均寿命约为290支气门,也是模具较早期失效的一种形式。其主要原因是在成形过程中模具R位的温度和接触应力等都产生周期性变化,且幅度为最大,导致产生热机的复合疲劳效应,当疲劳应力大于模具材料的疲劳强度时,R位表面就会产生微细的疲劳裂纹;模具热处理时基体硬度偏低,而表面氮化处理的表面硬度较高,此时增加了模具材料性能的不均匀性,将降低其疲劳强度,更容易产生疲劳裂纹。

解决R位疲劳裂纹失效问题,首先必须完善模具的热处理和表面处理,寻求模具表面硬度与基体硬度之间的最佳对应关系,重点提高表面氮化效果,同时提高R位的表面粗糙度,以提高疲劳强度;其次,与R位磨损类似,应改善终锻工艺,降低模具R位的温度和应力,从而减小热机复合疲劳作用,有效防止疲劳裂纹。

4.3 模具整体开裂

模具整体开裂也是一种主要失效形式,主要有应力开裂、安装不当、存在原始裂纹等原因。

应力开裂表现为模具使用一段时间后,再停用一段时间,模具温度降低,继续使用时如不加热就进行终锻,会很容易产生整体断裂;因此在使用前模具必须预热,模具停用一段时间后,也必须进行适当加热。

安装不当时,由于凹模与模套间存在较大间隙,或凹模垫块不平整,造成锻造时模具受力不均匀,局部位置应力过大,从而导致在微细裂纹源扩展后产生整体断裂。因此,应保证凹模的正确安装。

如果模具热处理不当或机加工时产生了微小裂纹源,终锻时会突然开裂,这种破坏形式往往寿命极低。只有改善热处理和机加工工艺,及时检验才能有效避免微小裂纹源的存在,防止整体开裂。

4.4 圆角R位拉伤

R位拉伤失效形式较为复杂,影响因素多,出现失效时模具寿命也相差较大,有的只有不到10支气门,有的高达几百支,平均寿命大约为270支。

产生拉伤的主要原因有:(1)气门毛坯下料时有较大的毛刺或变形,导致杆部为不规则圆柱形状,此时由于模具R位温度较高,预成形毛坯放入模腔杆部后在冷金属状态下压入中心孔时,会造成R位表面的局部拉伤;(2)预成形时,毛坯杆部被电热镦粗镦弯,使杆部向一边偏斜,导致R位由于强烈的摩擦而形成局部拉伤;(3)终锻前,预成形坯料粘有高硬度的氧化皮等颗粒,也会形成R位局部拉伤;(4)模具R位如存在微细裂纹,导致终锻成形时模具表层剥落,也会造成早期的局部拉伤。

当产生R位局部拉伤后,进一步的终锻成形将扩大拉伤表面,形成明显的拉伤痕迹导致模具失效。

5 结论

对实际气门毛坯生产终锻模具的失效形式进行统计分析表明:终锻模具失效主要是圆角R位磨损、R位微细裂纹、整体断裂、R位表面拉伤等几种方式。对终锻成形过程及模具的受力变形和温度变化进行计算机模拟表明:模具R位存在金属的剧烈流动,摩擦作用大,受力变形也大,同时模具与工件接触时间长,模具局部温度高,这些是导致出现R位失效的主要原因。最后,针对产生失效的具体原因,提出了相应的解决策略。

摘要：对气门毛坯终锻模具的失效形式进行了统计分析,发现终锻模具失效主要是圆角R位磨损、R位微细裂纹、整体断裂、R位表面拉伤等几种方式,结合终锻成形过程的计算机模拟和实际模具失效分析,确定了产生失效的主要原因,并提出了相应的对策。

关键词：气门,终锻,模具失效

参考文献

[1]夏巨谌,王新云.气门电热镦制坯与终成形过程模拟及工艺优化[J].热加工工艺,2004(9):25-27.

模具材料失效分析 篇4

关键词：冷冲压模具,模具质量,安装调试

模具是工业生产的基础工艺装备, 被称为“工业之母”。作为国民经济的基础行业, 模具涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业, 应用范围十分广泛。本文以冷冲压模具为例, 分析冲压模具在工作中的调试问题和主要失效形态原因及解决措施。

1 冲压模具工作中的安裝调试

一般情况下, 在冲压模具的生产制造过程中首先遇到的就是安装问题, 其安装过程一般可以分为把模具装到模架上和把模架上的整副模具装入冲床内两个过程, 这两个过程都是非常重要的, 直接影响到整副模具的精度, 需要谨慎对待。

1.1 把模具安装到模架上

使模具能安装到压铸机上工作的部分就叫模架, 由推出机构、导向机构、预复位机构模脚垫块、座板组成。一般在安装前, 需要对模架安装表面进行相关处理, 去除表面杂质和提高表面精度。不能把整副模具直接安装到模架上, 首先把销钉打进去, 把下模座和下模板的位置固定再锁紧螺钉, 然后把已经安装好的夹板及脱料板正确放置进下模, 再放上垫板, 上模座, 打入销钉, 锁紧螺钉。同时需要注意的是, 在安装固定螺钉时, 有时候模具拆下来会有规格长短不一的很多螺钉, 而紧固用的螺栓插入螺栓孔中的长度应大于螺栓直径的1.5~2倍。一般而言, 各类模板的上、下之间的相对位置已完全由导向装置来保证, 不需要单独进行上下模之间位置的调整。同时还要注意定位销的配合尺寸和套入深度, 模板之间是由两个定位销来保证位置的, 如果定位销的外圆出现了各种磨损和损坏, 会很大程度上影响定位精度, 需要立即更换。在装配模具的过程中, 需要注意模板一定要对准定位销套, 一般可以借助于塑料锤等工具轻轻敲打模板, 让二者贴合在一起, 然后注意对称紧固, 用板手将紧固螺钉拧紧。在完成这些以后, 应检査钢珠保持架的伸出长度和检查冲床上的死点位置。冲压机有急回特性, 也有上死点、下死点, 在冲压机运行的实际过程中, 冲压机的下死点总能出现, 而上死点不容易觉察到。假如机械压力机的闭合高度小于模具的工作闭合高度, 冲压机就会在滑块下移到下死点附近顶死, 导致设备不能正常工作。当出现设备顶死时, 必须关机等待冲压机完全停止后, 再次启动冲压机打反转提起滑块, 之后调整好冲压机的闭合高度大于或等于模具工作时的闭合高度, 冲压机才可以正常工作。

1.2 将模具装入冲床内

在安装前应首先确认模具刃口锋利程, 凹模刃口上没有崩口, 凸模没有缺角, 如果有崩口或缺角, 请首先刃磨刀口。合模前应在上、下模之间垫入一张硅钢片, 防止由于搬运过程碰伤刀口。在模具装上冲床前, 要用油石把底面和上面的毛刺磨掉, 用布条将垃圾清理干净。如果模具上下平面上有毛刺或垃圾, 将引起冲片毛刺超差。将模具装入冲床内应该始终将模架与冲床工作台的定位表面作为安装基准。调整滑块行程至合适位置压紧上模, 必须保证模柄或模架上平面于滑块的底面紧密贴合, 下模压板螺钉轻轻压紧。然后, 向上调整滑块, 取出中间的硅钢片。松开下模压板螺钉, 向下调整滑块, 直至凸模进入凹模3~4mm, 压紧下模压板螺钉。新模具冲片时凸模必须进入凹模3~4mm, 否则, 要出现凸模崩口或凹模涨裂。升起滑块至上死点位置, 调整冲床打杆止退螺钉, 至松紧适宜, 然后空转几次, 观察模具及冲床各机构工作是否正常。如果没有异常情况, 就可以开始完成冲压作业了。

2 冲压模具主要失效形态分析

失效形式的存在严重影响了冲压模具的寿命以及冲压产品的质量, 如何预防和调整失效形态是现代企业关注的重点问题。冷冲压模具主要失效形态有磨损失效、过载失效和疲劳失效等几种比较典型的失效形式, 以下将进行分别论述。

2.1 磨损失效

冲压模具磨损失效是指刃口、冲头等工作部位在与被加工材料的摩擦中引起形状和尺寸变化失效, 一般包括正常磨损失效和非正常磨损失效。正常的磨损失效:对于冷冲压、冷挤压模具而言, 与被加工材料之间的均匀摩擦较多, 模具寿命取决于表面抗磨损能力, 在排除了材料不断裂的情况下, 表面抗磨损能力如果较强通常模具使用寿命较长, 反之则会引起此类失效。非正常磨损失效:这种弯曲、拉伸及冷挤压模具中, 材料表面形状和尺寸发生突变的原因主要是局部高压力作用导致了工作部位与被加工材料的咬合, 出现严重划痕和“冷焊”, 导致失效。冷冲时, 如果负荷不大, 磨损类型主要为氧化, 磨损也可为某种程度的咬合磨损, 当刃口部分变钝或冲压负荷较大时, 咬合磨损的情况会变得严重, 从而使磨损加快。

2.2 过载失效

冲压模具过载失效一般包括韧度不足和强度不足两类, 主要原因是材料本身承载能力不足, 在进行了高强度的工作载荷之后, 引起的失效。材料初度不足的失效材料的初度在工作中是很难进行探测的, 在冷挤压和冷镦模具中容易出现, 往往都是无宏观征兆, 具有突发性, 因而也较为危险, 很有可能带来人员和财产损失。冷挤压和冷镦模具中的冲头折断、开裂是常见的, 产生前无明显塑性变形, 会造成模具的永久失效。强度不足失效在生产中, 不仅仅有冲头的折断、开裂, 还会有材料的抗压、弯曲抗力不足导致的镦头下凹、弯曲, 一般是和模具硬度偏低有关。很多研究者多次进行过研究, 认为硬度小于56 HRC的黑色金属冷镦冲头和硬度小于HRC的冷挤冲头, 很容易出现这种情况, 对付此种失效的常用方法就是变形失效增硬度, 脆断失效减硬度。

2.3 疲劳失效