模具失效机理（精选9篇）
模具失效机理 篇1
爪极锻造成形属于高筋类锻件,爪部模膛充填相当困难,容易形成折叠等缺陷。因此国内学者对爪极的成形工艺做了大量的研究。肖红生、汪晨、张质良等[1]分析总结了冷锻、热锻的缺点,提出温锻塑性成形技术并采用有限元模拟分析了爪极零件温锻成形的可行性,对模具和工艺设计具有指导意义。洪顺章、曾振鹏[2]对爪极成形的难点和容易出现的缺陷进行分析,提出了高速挤压成形工艺以减小摩擦系数,提高爪尖充型效果。滕来、王飞、郭成等[3]针对爪极的结构特点和成形难点,提出了热挤压、折弯和冷精整为主的温冷成形工艺,采用有限元模拟分析和工艺实验验证了温冷精密成形的可行性。张韶华、张猛[4]总结了国内外一些纯铁爪极成形工艺,指出了其中的不足之处,并对冷锻精整工艺进行改进,开发出了热锻反挤压成形工艺,并与板料冲压冷精整工艺、冷挤压工艺、温冷锻联合工艺、热冷锻联合工艺和分流反挤压工艺进行对比,结果表明使用分流反挤压模具的热锻冷精整工艺,生产成本最低。原国森、辛选荣、刘汀[6]在分流反挤压工艺的基础之上,针对正挤压成形工艺的设备要求高、锻造温度高、模具消耗大等问题,设计出分流正挤压成形新工艺,成形工艺实验表明分流正挤压新工艺能够避免在反挤压工艺中的缺陷,是值得推广的新技术。卓荣明[7]研究了热处理与表面处理方式对模具寿命的影响。
综上所述,爪极热锻成形过程,模具受高温、高应力、热摩擦作用引起失效[8],寿命低,模具消耗大是爪极热锻成形的关键瓶颈。本文针对这一问题,展开对模具失效机理的数值模拟和实验研究,旨在为开发高寿命模具提供方向性的指导。
1 数值模拟和实验方法
1.1 有限元模拟方法
本文利用UG进行建模,导出STL格式文件再导入Deform-3D,为提高计算效率,取对称几何模型的1/2进行计算。忽略坯料从加热炉中取出到镦粗之间的热传递。模具材料采用ASI-H13钢,汽车发电机爪极材料为08钢,有限元模拟时爪极材料在Deform-3D的材料库中调用。热锻工件温度为1200℃,模具温度为200℃,模具和锻件的摩擦因子设为0.3。
模具磨损的计算用Archard磨损模型,公式如下:
式中:p———模具型腔接触面所受的正压力;
v———模具与坯料之间接触面所受的正压力;
H———模具材料的硬度;
K、a、b、c———分别为模具材料的常数,根据经验选取K=2×106,a=1,b=1,c=2。
1.2 实验方法
为验证有限元模拟结果,对实际热锻失效的模具进行微观组织和力学性能的表征分析。实验样品的制备方法:利用线切割从失效下模上取样,在金相试样机上制备金相试样,用8%的硝酸腐蚀金相试样,再用纯酒精冲洗去硝酸,烘干后进行显微组织观测和显微硬度测试。
2 结果分析与讨论
2.1 金属流动分析
有限元模拟的金属流动如图1所示,金属由上而下沿着上模运动的方向流动向爪尖充填,随着上模向下运动达到预锻尺寸要求,由于凸台模膛、爪部模膛都已经充满,阻碍金属的流动,但是载荷却不断加大,多余的金属变形急剧变形,流向飞边部位,飞边前端速度急剧增加。金属从爪尖和根部的位置发生流动的转弯,且流动速度很大,所有往爪尖的金属都要流过转弯A处,因而该处模具受到的摩擦作用最为显著,也容易磨损。
图1 热锻过程金属流动分布
2.2 温度场分析
有限元模拟预测的模具和工件温度场如图2所示。工件在爪尖和根部的转角A处由于发生剧烈的塑性变形和金属与模具的摩擦作用导致剧烈的温升,温度为1260℃。对应的,模具在凸台模膛入口圆角处始终与坯料相接于A处,受到工件温升和摩擦的作用,也出现了显著温升,最高温度达544℃。在转角A处,模具和工件都出现了显著的温度升高,容易导致在该处模具发生材料的软化,而降低本身的屈服强度,导致模具变形失效。坯料中心部位变形产生的热量与凸台模膛底部的热交换损失的能量相当,凸台模膛入口处产生摩擦热效应,因此坯料中心部位温度在1200℃左右,凸台模膛入口处温度约为1250℃,凸台模膛底部温度稍低,约为1180℃。
图2 有限元预测的工件和模具温度分布
图3 模拟预测的模具开裂与实物对比
2.3 模具应力分析
锻造模具常因过载而承受过大应力导致开裂。利用Deform-3D软件,将模具设置为弹性体,进行模具等效应力计算,为模具应力分析提供依据。如图3所示为上模等效应力分布,应力集中出现在过渡圆角部位,最大应力约1580MPa。爪极充型过程飞边形成过程中载荷变化急剧,产生巨大冲击,在应力集中部位导致模具产生微裂纹,随着锻造次数的增加、冷热循环、载荷交替,使微裂纹扩展,最终发展成宏观裂纹从而导致模具开裂。图3所示为某企业预锻上模开裂失效模具,与模拟分析对预锻模具开裂预测结果一致。
2.4 模具磨损分析
影响模具磨损的主要因素有温度、变形速度、压力和模具材料硬度等。模具温度升高主要由于坯料与模具摩擦产生的热效应以及坯料与模具之间的热交换。模具温度越高,一方面使模具表面的氧化层被破坏,使模具产生新生面而与坯料直接接触,另一方面当模具温度在超过500℃时模具材料处于回火软化状态,降低了表面硬度,因此导致模具磨损加剧;锻造过程中,坯料温度越高则塑性越好,越有利于金属流动成形,磨具磨损越少。
Deform-3D根据Archard磨损模型对锻造过程中的磨损进行计算,该模型忽略了温度对模具的影响,模拟预测结果和实际模具的磨损对比如图4所示。从图中可以看出,磨损最严重的是两个爪部模膛制件凸起部位的外侧C处,其次是爪部模膛过渡圆角部位B处,而且C处磨损量大于B处。这主要是因为凸起部位在整个过程中都与坯料相接触,不断产生摩擦,产生热效应以及坯料温度高,与模具之间的热交换剧烈,从而导致模具表层温度随之升高,引起模具抗变形和抗磨损能力降低。凸起部位只有内侧面参与成形及起到分流作用,有利于金属流向爪部模膛及凸台模膛的作用,因此上表面磨损对预锻件质量影响较小,而爪部模膛圆角部位是爪极成形的一个重要部位,B处的磨损是主要导致模具报废的原因。由图2可见,模拟结果与实际模具磨损的位置和磨损严重程度对应很好,同时揭示了B处和C处出现的严重磨损现象,有限元模拟具有较高的预测精度,为以后进行模具和锻造方案改进提供了一种有效的分析方法。
图4 下模磨损模拟预测和实验对比
2.5 微观组织和力学性能分析
对实际磨损模具进行切片,并进行微观组织和显微硬度实验分析。微观组织分析结果如图5所示,其中D处为飞边槽外侧壁,其微观组织保留了调质热处理状态的回火马氏体加碳化物增强相、表面渗氮层和白亮层也仍然可见,磨损量小。E处为爪部模膛圆角处其微观组织显示出很多表面深入基体的裂纹,且渗氮的白亮层和调质组织已经消失,磨损非常严重。F处是靠近内壁的圆角处,该部位显微组织出现了锯齿形的裂纹、已经没有渗氮白亮层和调质热处理组织,而体现为退火态组织,该处塑性变形严重,材料沿圆角方向向外侧流动的趋势,并出现大量微裂纹。
在爪部模膛填充过程中,由于金属材料与模具摩擦热效应,坯料与模具进行热交换使该部位温度急剧升高。对比图5的E、F处可知,爪部模膛圆角材料组织发生转变。图6为爪部模膛圆角磨损部位的显微硬度图,表面硬度降为150HV左右。而H13钢的退火态硬度为145HV左右,调质处理后显微硬度可达到500HV,如表面渗氮后硬度可达1000HV以上。因此推测在磨损部位可能发生了回火/退火现象,出现回火/退火软化。同时抗变形能力也随着温度的升高而下降,再加上材料在此处变形剧烈,流动速度大,因此磨损十分严重。结合前面的温度场分析,E处、F处都是温度最高的位置,也是最容易出现回火/退火软化的位置,进一步论证了模拟结果的准确性。
图5 实际失效下模微观组织图
图6 爪部模膛圆角磨损处硬度
3 结论
通过对锻造过程的金属变形、温度和磨损的有限元分析,以及对失效模具的表面状态、微观组织和显微硬度的分析,得到以下结论:
(1)模具在爪部模膛过渡圆角和凸台模膛过渡圆角部位温度最高达到544℃,材料发生高温软化,组织变为退火态组织,表面渗氮白亮层已经剥落,显微硬度降为150HV,出现大量微裂纹,因而该处磨损最为严重,提高模具材料的耐高温性和适当降低锻造温度是提升下模寿命的有效方法。
(2)对上模的应力分析表明在圆角处最大应力1580MPa,出现了明显的应力集中,实际模具在该圆角处出现了大裂纹,进而导致失效,但磨损并不严重。提高上模寿命的主要途径是提高材料断裂韧性和增大圆角半径。
参考文献
[1]肖红生,汪晨,张质良,等.极爪零件的温锻成形及其三维有限元模拟[J].锻压装备与制造技术,2000,35(2):41-43.
[2]洪慎章,曾振鹏.磁极高速温挤压工艺及模具设计[J].热加工工艺,2000,(4):32-33.
[3]滕来,王飞,郭成,等.汽车发电机爪极温冷精密成形工艺研究[J].锻压技术,2012,(5):166-171.
[4]张韶华,张猛.交流发电机转子磁极锻造工艺研究[J].农业机械学报,2003,34(3):122-123+134.
[5]周滨,辛选荣,刘汀.汽车电机爪极热锻正挤压工艺及模具设计[J].热加工工艺,2004,(12):38-40.
[6]原国森,辛选荣,刘汀.爪极锻造工艺分析及数值模拟[J].矿山机械,2008,(24):102-105.
[7]卓荣明.提高热锻模具使用寿命的方法[J].锻压装备与制造技术,2005,40(5):87-89.
[8]谌峰,王波.热锻模具失效分析[J].锻压装备与制造技术,2007,42(6):76-78.
模具失效形式与强化技术探析 篇2
关键词：Cr12型钢;模具失效;强化技术
1.Cr12类型钢制冷作模具失效形式
1.1过载失效
模具所出现的过载失效是因为模具工件承受太大负荷而导致的现象，如果模具工件欠缺足够的韧性，则容易出现开裂失效以及脆断失效，如果模具工件欠缺足够的强度，则容易出现塑性变形失效。其中，断裂失效往往难以修复，所以属于一种永久失效形式。这种形式包括模具产生开裂、折断、爆炸等。其特征表现为在产生失效之前并不会出现塑变征兆，突发性是其主要的特点之一。这种形式的失效主要是由于模具工件韧性和所承载的应力，当应力高于模具工件的应力承载能力时，则多余应力则会导致工件产生扩展动能，从而导致模具在短时间之内出现爆裂。另外，冷作模具会因为强度不足而产生过载失效现象。如冷挤压冲头、冷镦中由于模具材料欠缺抗弯曲抗力、抗压抗力等，会引发弯曲变形、下凹以及镦粗等失效现象，这种现象一般与模具欠缺硬度以及工作荷载过大引起，针对这种失效形式，应当变更热处理方式或者模具材料。
1.2磨损失效
模具所出现的磨损失效主要是因为被加工材料和加工材料产生相对运用过程中出现的损耗，这种磨损包括均匀磨损与不均匀磨损两类。磨损形式十分常见的为均匀磨损，即模具工件表面尺寸出现均匀减少的形式。模具的不均匀磨损产生的原因包括碳化物、外来污物所产生的磨粒磨损，受到剪切力作用而出现的微裂纹等。任何冷作模具在工作过程中都无法完全避免磨损现象，所以模具使用寿命在很大程度上被模具所具有的承受磨损能力相关。当均匀磨损带来的损耗是模具工件出现尺寸变化和形状变化时，模具的尺寸与形状就会与使用范围不符，从而导致模具出现失效现象，因此对于工件质量和表面尺寸具有严格要求的模具在确保模具不出现断裂情况时，模具表面所具有的抗磨损能力对模具使用寿命发挥着决定性作用。
1.3疲劳失效
在冷作模具的制造与工作中中，加工材料所承受的加载工作应力是具有周期性的，这种应力模式和小能量多冲疲劳实验具有相似支出。在应力应变作用中，模具会不断产生微裂纹，并且这种微裂纹会不断的扩大，从而导致冷作模具出现疲劳失效的情况。然而在失效形式方面，冷作模具与结构钢具有着很大差异，这种差异体现为模具的寿命中很大一部分都在产生疲劳裂纹，大多数情况中，模具裂纹的扩展与产生并没有明显的界限。通过对疲劳失效微观形态的分析可以看出，材料表面中集中应力的部分最容易产生疲劳裂纹，如表面刀痕、碳化物集中部分等。在疲劳短文所具有的形貌方面，表现出了与脆性断口的相似性，由于冷作模具所具有的工作周期十分突出，并且疲劳特征也十分明显，所以模具所出现的疲劳失效被认为是一种正常的失效现象。
2.Cr12类型钢制冷作模具强化技术
2.1对原材料开展质量控制
模具加工中对原材料做出良好的控制，有利于提高模具质量，所以，在模具加工过程中，需要对原材料做出严格把关，避免因为材料问题而导致模具过早失效。在此方面，有必要对模具材料做出四个步骤的检查，一是宏观检验。在钢材入库检验过程中，宏观检验是最为基础的步骤，即对钢的外观是否存在结晶、裂纹以及破损等现象做出检查，需要注意的问题包括折叠、裂缝、白点、气泡、输送、偏析等;二是化学成分检验。对模具材料所具有的化学成分做出检验是确保材料具有良好性能的重要保障，在此过程中，可以使用光谱分析仪器来开展检验工作;三是非金属夹杂检测。模具材料如果具有过多的非金属夹杂，会影响材料性能，如硫化物过多会提高材料热脆性等，因此，对非金属夹杂量做出检测是原材料检测中的重要步骤;四是县委组织检测。采购的Cr12类钢一般都经过了退火处理，这种处理的目的在于对钢的硬度进行降低，并确保钢材方便加工，并且为热处理工作作出准备。Cr12类钢中往往含有许多共晶碳化物，而这些物质所具有的不均匀性会对材料使用性能产生很大影响，因此，有必要对碳化物的大小与分布作出控制。
2.2确保热处理工艺的合理性
在模具制造与加工中，模具材料选取以及热处理工艺选取不合理是导致冷作模具提早失效的重要原因，因此在延长模具寿命方面，确保热处理工艺的选取合理性是十分重要的。在模具热处理过程中，过高的加热温度会导致过烧现象的出现，而太低的加热温度则会导致模具的硬度欠缺。同时回火质量也对模具质量产生着很大的影响，欠缺回火会产生过多的奥氏体残留，并容易导致模具出现提早失效。同时，模具表面脱碳也应当需要尽量避免。
2.3强化深冷处理
相对于其他热处理工艺而言，深冷处理具有着简单易行的特点在Cr12MoV钢经过常规1020—1040℃淬火后，会出现约占30%的奥氏体残余，这种物质欠缺耐磨性以及硬度，并且容易导致磨削裂纹的产生。而经过深冷处理之后，奥氏体会向马氏体转变，并析出超细碳化物，这能够提高钢的冲击韧性、硬度、和耐磨性，并能够实现Cr12MoV钢模具寿命以及力学性能的提升。
2.4开展表面强化处理
在确保模具基体具有较高强度和韧性基础上，模具表面要具有较高的耐腐蚀性、耐磨性以及较低的摩擦系数等。在对这些性能做出改善的过程中，不仅要提高材料的热处理效果，同时要重视表面处理技术的应用，如复合处理技术、表面改性、表面涂覆，对模具表面的应力状态、组织结构以及化学成分做出改变等，这种处理效果相对于提高热处理效果而言具有更加经济的特点，同时也能够获得较好的效果。当前模具避免处理技术有很多，在Cr12MoV钢模具的表面强化处理中，可以应用硬化膜沉积技术、渗氮及多元复合渗技术等。
参考文献：
[1]张先鸣.Cr12型冷作模具钢及热处理工艺[J].模具制造.2011（06）
[2]余文明.Cr12模具钢复合热处理工艺研究[J].科技创新导报.2010（11）
[3]苏以人.冷作模具失效分析及改进措施[J].机械制造.2010（05）
[4]吕晓霞，陆有，彭彦宏.Cr12MoV冷作模具失效分析[J].热加工工艺. 2010（16）
模具失效机理 篇3
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.
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[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.
潜油电泵偏磨失效机理分析 篇4
关键词：潜油电泵 偏磨 振动
中图分类号：G206文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0056-01
1 潜油电泵偏磨失效形态分析
自2010年以来，因离心泵偏磨造成胜利采油厂躺井50口，占总躺井数的10.8%，其偏磨形态特点为叶轮下止推垫片磨损或磨没，泵头和泵座扶正套磨损严重，泵轴偏磨成锯齿形或均匀磨细，如图1所示。
2 潜油电泵偏磨失效原因分析
造成潜油离心泵偏磨的可能原因有：离心泵细长件的直线度（泵轴，泵壳）；连接件端面垂直度（泵头，泵座）；电泵井井筒轨迹变化，如井斜、套管變形等；离心泵安装过程花键套与泵轴间的同轴度；油井含砂会加速泵内叶轮止推垫片磨损或磨没；机组在井下运转过程中，不适应井况，产生振动，加剧泵内如叶轮止推垫片、叶轮、导壳、泵轴、泵头、泵座间的偏磨现象。
为此，对离心泵偏磨可能原因进行逐步调查、逐一分析。一是先后3次对离心泵装配工序进行了现场检查，重点检查了轴、壳直线度，大件同轴度和垂直度，没发现明显问题。二是从机组生产到现场安装的过程中，存在机组存储、吊装、运输等环节不规范的现象，可能造成机组弯曲。但考虑到这是各类机组的共性问题，认为它也不是引起机组偏磨的主要原因。三是对井身轨迹的变化、全角变化率进行了分析、计算，符合机组所处的环境位置。
通过分析认为泵偏磨的主要原因：一是泵扬程曲线比较陡峭，高效区内扬程变化幅度大，供液变化时叶轮浮动变化大，垫片易磨损。二是叶导轮流体为径向流形式，流体转换路径为直流形，类似“矩形波”，流体转向“拐角处”易沉砂，造成泵砂卡。三是高效导叶轮扬程高，叶片长，“矩形波”幅度相对比较大，在含水高的情况下，水力冲击增大，轴向、径向“震动”加剧，含砂量增加，垫片易磨损，尤其下垫片更易磨损，出现叶轮偏磨；严重时，机组偏磨、泵轴偏磨成锯齿形，泵头、座扶正套磨损，严重甚至断轴。四是导叶轮因单级扬程高，叶轮下推力大，导叶轮止推摩擦副极易破坏。高效导叶轮壁薄，下止推摩擦副磨损后，叶轮下端扶正失效，造成偏磨。
3 振动及其对偏磨的影响
潜油电泵为一细长的离心泵，其级数高达几百级，每级都由一个“浮套”在轴上的叶轮组成，叶轮与导轮配对用于级与级之间的导流。叶轮—— 导轮总成装在一个直径很小的泵壳内。电泵主轴上下两端由扶正套扶正，扶正套与轴的间隙远比导轮和叶轮的间隙小。工作时，主轴带动叶轮在导轮所形成的环形空间内转动。
多级离心泵是一个组成零件多、刚性较差的系统。当泵稍弯曲或叶轮稍偏心时，很容易产生惯性力而使运转失稳。当潜油电泵的压力、排量出现波动时；电泵主轴弯曲产生交变载荷时；叶轮旋转不平衡时；井口管线回压出现波动时；泵壳弯曲时；当电机起动时转子在电磁力作用下与定子对形成冲击力或由于装配不当时，都会引起电泵主轴产生振动。
潜油电泵在工作过程中运行情况更复杂。由于叶轮与主轴一起在导轮形成的很小的环形空间内转动，当激发力施加在主轴上引起振动时，主轴横向振幅即最大挠度不可能超出叶轮与导轮间的最大间隙。振动使两接触面发生微动磨损，摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化。被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应力集中的根源。随着磨损的加剧，径向间隙越来越大，振动越来越厉害。随着振动的加剧，振幅受导轮内壁限制，形成叶轮外圆面与导轮内孔面的带冲击的强烈摩擦，从而形成电泵机组的振动，导致各级泵的不平衡和电泵主轴的微小弯曲，并通过金属与金属接触而传给保护器、电机，加速了电泵机组的损坏，引起电泵机组的失效。
泵轴为细长的柔性轴，只有在保证径向支撑完好时，才能在高转速下可靠运行。由于种种原因，如井液含砂或油层套管变形引起机组变形或由于机组本身的变形都会造成叶轮的径向磨损。当径向磨损超过允许配合间隙的最大值时，机组在运转过程中就会产生偏心振动。这种振动可以传输到轴上，同时会引起保护器机械密封失效以及电动机发热。同时，材料太软，扶正轴承磨损，间隙增大，起不到扶正作用。高速旋转的泵轴及轴上叶轮，会产生强烈的振动。泵轴失去扶正后，泵轴弯曲发生偏磨变成曲轴。
振动的加剧会加速潜油电泵的磨损，从而导致偏磨加剧；偏磨的加剧又会使偏心质量矩增加，振动的幅度更大，从而进入一个恶性循环。显而易见，振动是产生偏磨问题的关键。
4 解决途径和方法
为了解决泵轴、扶正套、叶轮径向磨损问题，开发设计成功了电泵专用硬质合金扶正套。并将其分别镶嵌在导轮和叶轮径向滑动接触部位，从而在此部位形成一个耐磨之磨擦副，提高导、叶轮径向耐磨水平，实现径向对泵轴和叶轮的强制扶正。扶正套在每节泵上按照800～900 mm间距均匀分布配置。同时在泵头、泵座处安装硬质合金扶正套，强制扶正。该技术投入潜油电泵修理生产后，100余套电泵。从对井上返回的旧电泵解体检查看，导叶轮和泵轴磨损大大减轻。
5 结语
潜油电泵出现偏磨以后，容易影响泵效、增加能耗和检泵周期。本文通过分析潜油电泵的失效形态，指出振动、流体流向变化、沉砂以及下止推摩擦副磨损都是导致潜油电泵偏磨的原因，其中多级泵的振动是产生偏磨的最主要原因。在此基础上，开发设计成功了电泵专用硬质合金扶正套。
参考文献
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冲压模具失效形式及预防探讨 篇5
关键词：冲压模具,失效形式,预防探讨
本篇文章就冲压模具进行了一系列的探究讨论, 研究发现, 冲压模具的本身对冲产品有很大的影响, 甚至起到决定性的作用, 因此为了保证产品的质量, 增加工业企业的经济效益, 企业单位重视对失效形式的预防, 下文将对失效形式及预防措施进行深入论述。
1 冲压模具失效形式
1.1 磨损失效形式
磨损主要出现在模具和胚料之间, 这是由于在冲压制作过程中两者会发生相对运动, 产生摩擦, 重复磨损的生产操作会使得模具表面不符合生产标准, 无法进行高质量冲压工件的生产, 这就是所谓的磨损失效形式。机械制造过程中机械磨损的现象十分普遍, 其中可以将其归成下面几类: (1) 磨粒磨损, 这种情形主要是由于两者之间存在异物, 会加剧模具磨损, 不仅如此, 严重时会使模具表面物质脱落, 难以实现符合标准冲压产品的制作。 (2) 黏着磨损, 两者之间相互作用会出现受力不均匀的现象, 也很容易出现 (1) 中的现象。 (3) 疲劳磨损, 磨具的长时间使用会对本身造成疲劳损耗, 例如出现裂纹、材料脱落等。 (4) 腐蚀磨损, 在冲压制作过程中, 模具会接触到水、空气等具有腐蚀性物质, 对模具造成磨损。
1.2 断裂失效形式
在模具实际使用过程中, 由于长时间的使用, 材质难免会出现断裂的现象, 不仅如此如果不及时更换或维修, 模具裂纹会不断变大, 对冲压件有很大的影响。其中主要分为两种, 一种类型是使用时压力不均等, 导致模具出现大范围的断裂;另外一种是由于表面劳损出现细小裂纹, 时间越长裂纹越大, 这两种都会给工件制作带来很大的困扰, 对其进行控制的研究迫在眉睫。
1.3 变形失效形式
这是由于生产过程中模具受到过大的负载压力, 对模具造成大的冲击, 使得模具性状发生改变, 这几乎是不可逆转的, 同时也就是说必然会导致工件的不合格, 因此需要加强对该项失效形式的预防。
2 冲压模具失效形式的预防措施
2.1 选取正确的模具材料
要选择硬度高、韧性好、强度高的材料来制作模具, 可以有效提高模具的基础性能, 另外模具还有凹凸模具之分, 通过长时间的制作经验表明, 凸模比凹模所需的材料要好很多, 这样冲压模具在进行大量生产时才能有更高的保障。
2.2 模具的合理设计
根据冲压件的实际需求, 结合模具制作, 设计出最科学合理的模具, 首先可以增大冲压间隙来减小其带来的压力, 起到保护模具的作用;可以对冲压模具进行磨平操作, 减少模具表面的粗糙物, 减少冲件和模具之间的磨粒磨损, 预防失效形式, 增加其工作寿命;另外可以采用先进的新型材料, 创新提高冲压模具生产技术, 当然在预防冲压模具以及保护模具本身是要注意, 必须要以冲压件的合格成型为基础。
2.3 提高冲压模具使用寿命的策略分析
在实际冲压过程中要注意冲件和模具两者之间的材料类型的对应, 通常情况下要选择材料亲和力小的模具来进行冲压, 这是为了减少粘附磨损;新形势下, 各企业开始重视新型材料的开发, 注重在冲压工业过程中引入新材料, 利用性能良好的优质合金来制作模具, 打好预防基础, 之后在淬火过程中注意淬透性, 这很大程度上决定了模具的开裂失效形式。
润滑操作能够有效地延长模具的使用寿命, 主要是通过对模具表面进行打磨来完成, 增加光洁度, 减少摩擦阻力;另外在模具不使用的情况下要将上下模分隔开, 避免对模具接触处造成磨损, 影响工件生产。定期检查模具表面, 及时找到裂纹并予以不就, 预防大范围的失效形式的产生。例如可以采用现代化科技, 进行强化处理, 将无法保证高质量生产的模具集中起来, 对其进行低温化学热处理、气相沉积或激光处理等等操作, 这些预防措施经过一系列的检验发现能够很有效的提高模具表面的硬度、韧性和光滑度, 未来可以从此处来实现技术突破。
3 结束语
本篇文章对生产中常遇到的模具失效形式进行了论述分析, 其中主要是从材料、设计、维护、强化等多个方面入手的, 并基于冲件的实际生产提出了一系列的预防措施, 还进行了针对性较强的分析和探讨。优化了冲件的制作过程, 增加了模具的使用寿命, 对提高企业冲件生产质量和产量都有着重大意义, 推动了我国模具制造工业的快速发展。
参考文献
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汽车冲压模具弹簧失效的原因探析 篇6
1 弹簧材料的试验概括
1.1 化学成分
从失效弹簧丝上截取一段样品 (OTEVA-70钢丝) 进行化学成分检测, 检测结果表明该样品的化学成分均在标准范围内, 具体如表1。
1.2 试验分析
1) 金相观察:应用Nikon金相显微镜对样本断口处周边实行显微组织分析。在打磨、抛光及腐蚀处理后进行细致观察, 样本边缘与中间部位的组织无任何差异[2]。显微组织就是经中温回火马氏体与残余奥氏体 (如图1) 。原因是该弹簧钢样本中具有Cr合金元素, 能够引起C曲线出现右移, 这在一定程度上使其淬透性有所增加。Si可有效阻止渗碳体的析出, 进而使未发生转变的奥氏体含碳量增加, 这就使得奥氏体更加稳定。
2) 断口分析:应用PHILIP电子显微镜对样本断口处进行扫描观察, 以了解其形状。从整体层面看, 断口部位周边的表层未有明显磨损、斑痕等情况, 但存在明显的疲劳裂纹, 表明只有一个单纯性疲劳裂纹源、疲劳扩散区域及迅速断裂区域, 表明该弹簧断裂的性质为疲劳型断裂。疲劳型裂纹源部位的性状, 是典型的一种沿晶断裂, 裂纹表层存在诸多微型裂纹。裂纹产生区域相对较小, 它的寿命在疲劳寿命中的比例很小, 主要集中在裂纹的扩展区。疲劳扩展区域的典型疲劳条纹是自疲劳源逐步发展而来的, 表现为弧线环状发展, 和裂纹扩展向垂直。该区域大致为弹簧断面的50%左右, 表明它的运行存在一定的疲劳周期, 此点和实际寿命运行1.2万h后出现的断裂相对吻合, 但和规定标准的4.5万h寿命有较大距离。瞬时断裂区域是疲劳裂纹逐步发展到临界值后出现的快速性断裂, 存在静载断口的表征, 在电子显微镜下可清晰观察到大量韧窝, 可以看出原材质塑性良好。
3) 硬度检测:在样本断口周边部位沿径向截取一截面, 再抛光出来后得到金相样本采用洛氏硬度计开展硬度测定, 其三点硬度分别是:49.4HRC、48.5HRC及48.6HRC, 平均硬度为48.9HRC。
2 汽车冲压模具弹簧失效的原因分析
从该失效弹簧样本的检测结果看, 其化学成分均满足要求;从金相观察分析, 样本表层未出现明显划伤、锈蚀等缺陷, 也无明显夹杂物;从断口情况看, 裂纹源主要在样本内侧表层周边。弹簧相关的理论是, 当圆柱形螺旋弹簧受轴向载荷作用时, 应力最大点一般在弹簧材料横截面内侧。其横截面任意点总应力, 应为剪切及扭转两类剪应力矢量和, 通常于临近轴线内侧, 总应力将上升到最大值, 其计算式为:τmax=τs+τ;τmax=4p/πd2+8p D/πd3;τmax=8p D/πd3 (d/2d+1) 。其中, P为轴向载荷, 范围在556到860N间;D为拉伸弹簧中径, 大致为46.5mm;d为弹簧丝直径, 大致为6mm。
通过该计算式进行计算可得到, 该样本弹簧在运行过程中内侧所承受的最大交变应力大致是323~500MPa, 该型号钢丝在当前设计中的应力为900~1000MPa, 在高交变载荷下, 而内侧表面同时承受最大交变剪切及扭转应力, 所以在弹簧丝的内侧表层周边部位会形成裂纹源, 且会在断口部位出现微裂纹。在交变应力作用下, 此种微裂纹会闭合、融合发展等, 持续向前发展, 进而转变为疲劳扩展区域, 疲劳裂纹扩展到临界值后出现瞬间断裂, 造成弹簧过早失效。弹簧丝实测平均硬度是48.8HRC, 而该型号钢丝的硬度要求是50~51HRC, 其硬度的减少, 使得材质的抗疲劳断裂性能明显降低。
3 汽车冲压模具弹簧失效改进对策
根据试验结果, 为改进汽车冲压模具的失效, 避免断裂, 提高使用寿命, 应做好这几方面的工作:1) 提升主片的长度, 可有效减小极限扭转应力。2) 提升弹簧总成自由弧高, 能大幅改善和提升弹簧的满载变形值。虽然强度降低, 但弹簧承载力未减弱, 因变形量提升高, 平顺性得到提高, 进而提升弹簧的抗冲击性能。3) 加大减振器, 能有效减少振动。4) 强化表层质量, 增强叶片表面。一是喷丸工序内转变成应力喷丸, 可提升疲劳强度。二是降低表层脱碳层深度。因表层脱碳, 通常于金属表层易出现软点, 此类软点在一定程度上会导致疲劳裂纹的出现。在表层脱碳、淬火过程中, 加热时间和一系列钢材存在关系。通常淬火回执时间越长, 脱碳层就会越深。减少钢板炉内停留时间, 不但能大幅降低脱碳深度, 还能细化晶粒, 改善其塑性。三是表层抛光处理。通过该工序可有限去除叶片表层的脱碳层和其它缺陷, 可大幅提升弹簧疲劳强度, 但是需要花费较长时间, 增加了成本, 所以往往只对高级轿车的弹簧叶片开展抛光处理。5) 改善热处理工艺。在制造汽车冲压弹簧时, 应用了形变热处理及高温快速回火等新工艺, 降低失效发生率。
参考文献
[1]刘蕾, 严智勇.冲件预断槽折断不良原因分析与解决措施[J].金属加工, 2011 (9) :47-51.
模具失效机理 篇7
1 锤锻模具的失效形式及性能特点
1.1 锤锻模具的失效形式
破裂是锤锻模具最严重的失效形式。
一方面在锻造过程中, 模锻承受巨大的瞬时冲击载荷, 当应力超过模锻材料强度极限, 裂纹首先在模具应力集中处产生, 然后迅速发展, 引起整个锻模突然冲击破裂。或者是锻模在较长的工作时间内, 在反复改变负荷的应力作用下, 以应力集中处出现的裂纹为起点, 然后逐渐扩展而破坏材料的连续性, 当承受应力的有效截面减小到一定程度, 不足以抵抗破坏应力时, 整个截面骤然破裂。
另一方面, 锻造过程中, 炽热的毛坯与锻模表面直接接触, 以及变形金属被强迫剧烈流动与型槽表面产生强烈摩擦, 使得型槽表面温度高于内部;取出锻件后, 由于润滑与冷却的作用, 型槽表面温度又急剧降低, 低于模具内部温度, 从而出现不断变换方向的温度梯度, 产生交替变化的拉压应力。模具表层金属在这种反复交替变化的温度应力作用下极易生成疲劳裂纹而破坏。过量磨损是锤锻模具的第二种常见失效形式。锻造过程中, 模具在捶击瞬间, 温度、压力升高, 毛坯在型槽表面被迫剧烈流动, 产生强摩擦而导致型槽表面非均匀磨损。磨损使得锻件外形轮廓尺寸增大, 模具型槽表面呈现粗糙不平的沟痕, 使锻件表面质量下降, 当达到模具设计公差以上时, 产生磨损失效。塑性变形是锤锻模具的第三种常见失效形式。高温锻造时, 在金属流动剧烈的部位, 高温毛坯热量的传递, 摩擦产生的附加热量, 使这些部位温度急剧升高, 强度下降;或由于接触及过小, 冲击力太大, 造成模具局部乃至整个型面上发生不可恢复的塑性变形而导致失效。
1.2 锤锻模具的性能特点
锤锻模具型腔表面经常被升温到400~450℃, 而且模具的截面一般都比较大, 模具型腔形状比较复杂。因此, 结合锤锻模具的三种主要失效形式, 锤锻模具应具有较高的高温强度与耐磨性, 良好的抗热疲劳性能, 良好的导热性, 高的淬透性, 以保证整个模具截面得到均匀的力学性能, 良好的冲击韧度和低的回火脆性倾向。
2 加强设备管理, 正确使用和维护锤锻模具
一是要正确使用锤锻模具。装模过程中要求下模的燕尾与锤头和砧座上的燕尾槽贴合, 并与打击力垂直;燕尾两侧斜面与锤头, 砧座接触面间的不平行度, 以及楔铁两侧配合的不平行度均达到要求;必须保证锤头导向协调一致, 否则会造成锻模锁扣的过度磨损, 甚至压塌或打坏;在打紧楔铁时, 应同时用锤头带动上模轻击下模, 才能使锻模紧固。热锻模具钢的导热性差, 为避免模具横截面上出现大的温差, 以及由于温差引起的温度应力, 改善模具钢的室温冲击韧性低的状况, 模具在锻造前必须预热, 减小模具表层与心部的温差, 降低温度应力, 同时明显提高冲击韧性, 延长使用寿命的目的。为了减少坯料与模具型槽间的摩擦, 利于金属流动, 应加强对模具的润滑;润滑剂能冷却模具, 保持模具型面的硬度, 减少磨损;润滑剂使得毛坯与模具型面之间的直接接触改变为间接接触。毛坯表面涂覆玻璃润滑剂还可以起到防止氧化与绝热保护的作用, 减少高温毛坯的热量直接传递给模具, 减少模具热应力和热疲劳。模具使用时需要冷却模具, 保证锻模具备一定的强度和硬度。氧化皮对锻件表面质量和模具寿命有较大的影响, 尽可能改进加热设备, 采用少无氧化加热, 终锻前采用制坯方法或机械方法清除坯料上的氧化皮并及时清理落入型槽里的氧化皮可减轻模具磨损。
二是要加强锤锻模的维护修理。平常要认真检查锻模型槽磨损是否严重, 有无塑性变形, 压塌, 划痕和裂纹, 燕尾根部圆角处有无裂纹, 发现应及时处理。锻模须搁置一段时间时, 应清除氧化皮残渣和尘污, 再用黄油润滑整个模具面和型槽, 封于模具库;不要将型槽敞开放在车间过道上, 因在湿度大的环境中, 容易产生应力腐蚀。
3 提高锤锻模具使用寿命的途径
正确选择锻模材料是基础。模具材料是模具工业的基础, 模具的承载能力、精度、使用寿命和制造周期在程大程度上取决于所选的模具材料。锻模材料应具有高的室温和高温强度, 高的韧性, 还要求导热性好, 热膨胀系数小。大型热锻模具钢除加入恰当比例的合金元素外, 采用真空精炼或电渣重熔, 是获得高韧性, 高寿命模具钢的重要途径。对于等温模锻用的模具材料, 采用真空感应熔炼或真空感应加真空自耗来减少冶金缺陷是十分必要的。正确的锻模结构设计是关键。锤锻模上的圆角半径要足够, 尤其是型槽深处的凹圆角半径不能过小, 此处往往是应力集中的危险部位, 加之反复急冷急热等都会使该处容易产生裂纹;型槽壁厚和模块厚度应足够, 对大吨位锻锤上使用的锻模, 以防变形金属在捶击下向水平方向冲击, 从而使锻模产生过大的拉应力。模具的热处理和表面强化是保证硬度的基本工艺, 锻模可以通过强韧化热处理工艺以及复合涂层技术延长寿命, 应用高温淬火, 高温回火工艺可提高3Cr2W8V等热锻模具材料的热强性和热稳定性;应用低温回火工艺可提高用作轧辊的热锻模具材料的硬度, 强度, 韧性和抗疲劳能力, 应用表面处理工艺可大大提高热锻模抗氧化性能及耐磨性能。
摘要：文章结合锤锻模具的失效形式及性能特点, 从加强设备管理, 正确使用和维护锤锻模具、正确选择锻模材料、合理设计锻模结构、强化锻模热处理和表面强化处理等方面论述了提高锤锻模具使用寿命的方法和途径。
关键词：锤锻模具,使用方法,延寿途径
参考文献
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模具失效机理 篇8
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.
模具失效机理 篇9
塑封电子元器件诞生于20世纪60年代底, 凭借其成本低、重量轻以及可大量生产的优势, 得到了工业界的高度认可与推广应用。近年来, 通过相关领域的共同努力, 塑封器件在封装材料、生产工艺, 以及芯片钝化等方面越来越成熟, 但是诸如腐蚀失效、爆米花失效等问题依然影响着器件的可靠性。因此, 必须要加强对塑封电子元器件的研究, 尤其要重点探究其温度失效机理, 进而提高塑封电子元器件的可靠性与实用性。
1 塑封电子元器件的温度失效机理概述
塑封电子元器件的温度失效机理主要包括以下三个方面内容:
1) 塑封电子元器件中存有的分层问题, 尽管会在环境应力的作用下进一步发生扩展, 但是扩展是有限度的。塑封电子元器件的这个特征能够有效应用于塑封电子元件器的筛选, 进而促进产品可靠性的提高[1]。
2) 塑封电子元器件中的键合线断裂问题需要工作人员格外注意。热膨胀系数的不匹配会使得分层界面产生应力, 假如键合线从分层界面穿过, 在受到温度应力的影响时, 键合线势必会出现疲劳断裂的情况, 最终使得电子元器件出现功能异常或性能异常。
3) 在使用硅橡胶灌封电子元器件时, 灌封材料内部会由于收缩产生一定的内应力, 在低温时, 在光滑的界面处会产生分层现象, 导致温度失效。所以, 在应用这种类型的电子元器件时, 需要高度注意温度极限的使用, 避免分层现象。与此同时, 对于那些自行生产的大量的灌封组件, 要能够在一些连续的界面处设置分隔结构, 诸如加强框等, 以此来有效阻止器件缺陷的进一步扩展, 同时提高电子产品的安全性与实用性。
2 塑封电子元器件的失效机理
2.1 冲温与低温失效
由于受到外界温度变化的冲击, 或者低温环境下受到塑封料与芯片间应力, 模制化合物和基片之间, 以及与引线框架之间出现的分裂与分层现象, 就是所谓的冲温或低温失效。塑封料和芯片的膨胀系数相差非常大, 温度的变化势必导致塑封料和芯片之间发生移动, 进而导致芯片的机械应力产生, 并且会随着温度的降低而增大, 进而导致芯片表面出现划痕或刺破现象。美国的相关研究表明, 热应力的引起主要是塑封料、芯片、焊接剂, 以及引线框架等材料的线膨胀系数发生不匹配情况导致, 进而出现元器件分层集中应力的现象[2]。因此, 工作人员要选择合适的与热膨胀系数相匹配的材料, 同时要尽量避免应力集中出现, 进而避免元件器分层失效的现象。实践证明, 有限元分析能够有效完成塑封电子元器件温度失效机理的探究。
2.2 潮气入侵
在众多导致塑封电子元器件失效的因素中, 潮气入侵是最直接的。潮气入侵会导致诸如腐蚀失效、爆米花失效等问题。潮气能够通过外引线框和塑封料的界面进入电子元器件的管壳, 然后沿着塑封料和内引线的界面进入芯片。再者, 塑封料本身就具有一定的透水性, 潮气也能够直接从其扩散到芯片上。潮气中含有非常多的离子沾污物, 一旦与芯片的键合区或者金属层发生反应, 必然导致电流增大、电路断裂等情况的发生, 从而影响电子元器件的正常工作。针对这种问题, 工作人员可以改进芯片钝化层, 提高芯片的工艺质量, 通过塑封料透水性与吸水性的优化来避免潮气对塑封电子元器件的消极影响[3]。
信息产业部对电流的抗湿性能进行了研究, 实验证明采用透水率较低、内应力较小的塑封料能够对电路表面的吸附水汽向芯片渗漏起到有效阻止, 进而提高电路的抗湿性。与此同时, 塑封材料的吸湿性较强, 如果长时间在相对潮湿的环境里, 必然会吸附一定的潮气, 进而消弱塑封材料与芯片材料的粘接强度。塑封料的内部吸水性只是导致塑封元器件开裂的外部原因, 其内部原因才是根本, 即塑封元器件结构中的芯片粘接剂、塑封料, 以及引线框架共同产生的热应力引起的。因此, 要想表面分层与分裂现象, 工作人员就必须要加强电子元器件的封装改造工作, 通过采取一系列有效措施来避免开裂现象的发生。
2.3 塑封工艺缺陷
塑封电子元器件的失效除了受到外界因素的影响之外, 塑封工艺缺陷也是导致电子元器件功能失效的重要原因, 诸如芯片粘贴工艺缺陷、材料空洞等。同时, 芯片与框架吸附的水汽同样也能够使得元器件出现分层失效的现象, 这样的问题可以通过烘烤芯片与框架来避免。芯片开裂是由于塑封工艺自身的缺陷而导致的处于工作状态下的元器件粘片层应力过大造成的[4]。
为了减少芯片开裂这种工艺缺陷, 工作人员可以选择那些热膨胀系数和芯片相匹配的粘接材料, 或者选择那些芯片焊区与封装材料相匹配的粘接材料, 同时, 工作人员需要对粘接工艺中的潮气浓度进行合理控制, 避免材料吸入过多潮气。此外, 封装缺陷还包括诸如气泡、引线弯曲不当, 以及剖离等。通过以上研究发现, 各种封装失效的情况之间是相互影响的, 随着塑封工艺的进步, 封装工艺的缺陷发生的可能性必然降低, 合理优化参数能够进一步避免封装缺陷问题。
3 结语
随着塑封器件在材料、设计以及生产工艺等方面的改进, 塑封电子器件在电子市场中的地位逐渐提高。但是, 塑封电子元器件的温度失效问题一直受到社会与相关人士的高度关注, 加强对其失效问题的研究, 势在必行。塑料封装正在朝着高密度、高性能的方向发展, 相信在不久的将来, 功能完善的塑封电子元器件会应用于社会的各个领域。
摘要：塑封电子元器件在如今的封装产业中有着其他器件不可替代的优势, 对其性能与功能的研究引起了社会的高度关注。文章首先从三个方面对塑封电子元器件的温度失效问题进行了详细地概述, 然后从冲温与低温失效、潮气入侵、以及塑封工艺缺陷3个方面对塑封电子元器件的失效机理一一阐述清楚, 希望对同行业朋友有所参考价值。
关键词：塑料封装,电子元器件,温度,失效机理
参考文献
[1]路浩天, 卢晓青, 蔡良续, 等.塑封电子元器件温度失效机理研究[J].装备环境工程, 2013 (6) :36-39;43.
[2]李新, 周毅, 孙承松, 等.塑封微电子器件失效机理研究进展[J].半导体技术, 2008, 33 (2) :98-101.
[3]张鹏, 陈亿裕.塑封器件失效机理及其快速评估技术研究[J].半导体技术, 2006, 31 (9) :676-679.