刀具模具失效模式分析

第一节模具失效的原因分析塑料模具的失效形式主要体现在以下几个方面：选材、钢料品质、模具设计、模具加工质量、热处理、模具表面处理、模具使用等。

1)表面磨损、局部崩裂、变形及断裂；模具的耐磨性，随着模具硬度的提高而增加，但在硬度相同的情况下，韧性愈好耐磨性愈高，所以，模具硬度越高，冲击性能会下降，会促使磨损裂纹的形成和扩展，从而加速磨损的进程。

要提高耐磨性，必须注意硬度和韧性的良好配合。

2)由于塑料制品的表面粗糙度及精度要求较高，再加上不少塑料中含有氯氟元素，其产生的腐蚀性气体的腐蚀，会加剧模具的磨损失效，所以，因表面磨损造成的模具失效比例大；3)因未调整好低压保护，胶件的压模造成模具表面凹陷的情况也时有发生；4)小型模具在大吨位机台上超载使用时，容易产生表面凹陷、皱纹、堆塌等，特别是在棱角处易产生塑性变形；5)由于塑料制品成型模具形状复杂，存在许多棱角、薄壁等部位，在这些部位会产生应力集中，而发生断裂。

6)模具材质选择不当。

具体见《模具选材原则》。

7)模具工件热处理工艺不良。

从模具失效分析得知，70％的模具失效是由于热处理不当与选材不当造成的。

二、模具失效改善途经：采用正确的钢料热处理工艺与钢料表面处理工艺为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。

热处理加热温度的高低、保温时间的长短、冷却速度的快慢和炉内气氛等工艺参数的选择不当，都会造成淬火开裂或早期失效。

众所周知，磨损、粘结均发生在表面，疲劳、断裂也往往从表面开始，因此，对模具表面的加工质量要求非常高。

但实际上由于加工痕迹的存在，热处理时表面氧化脱碳也在所难免。

因此，模具的表面性能反而比基体差。

采用热处理新技术是提高模具性能的经济而有效的重要措施。

模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。

基体的强韧化在于提高基体的强度和韧度，减少断裂和变形。

表面强化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。

模具失效分析概述摘要：模具失效是指模具丧失了正常工作能力,不能生产出正品。

模具有冷作模具、热作模具、压铸模等。

它们的失效方式主要有塑性变形、磨损、疲劳、断裂等。

本文主要介绍冷作模具、热作模具的失效种类、原因以及对策。

关键词：模具；失效分析；对策The Summarize of Mould Failure Analysis Abstract: Mould failure means that the mould lost it's ability to work and can’t produce products.The mould contains cold working mould,hot working mould,die casting die and so on.The way of mould’s failure have plastic yield,wear,fatigue,part and so on.In this article ,I will mainly introduce the kind of failure,reason,and counterpart of cold working mould and hot working mould.Key words:mould;failure analysis;counterplan引言模具是制造技术中的重要基础工艺装备，其质量不仅关系到生产制品的质量和性能，而且直接影响到制造成本和效率[1]。

模具失效，即模具经自然磨损或损坏，致使模具不能继续发挥其原来设计之初所要求的效能。

具体来说，模具失效的情况大致分成以下3种：模具已完全不能工作；模具仍能工作，但已无法实现指定功能；模具由于结构上存在严重损伤等原因，无法继续安全操作[2]。

以下主要讲述一些模具失效的种类及对策。

1 模具失效冷、热模具在服役中失效的基本形式可分为：塑性变形；磨损；疲劳；断裂。

模具失效分析模具失效分析对提高模具质量的作用模具是生产出合格制件的关键因素，模具质量的好坏，直接影响的各类产品的质量、成本，一副模具从开始设计到交付使用要经过设计、原材料选用、坯料制作、机械加工、热处理、检验等诸多环节，每个环节出现问题都会给模具的质量造成不利影响，轻者降低使用寿命，重者使模具报废无法使用。

模具质量主要包含以下几个方面：1、制件质量：生产出合格的制件，制件尺寸、粗糙度、内在质量等符合图纸的设计要求；2、使用寿命：在保证制件质量的前提下，模具所能够顺利完成的生产的制件数量；3、模具的使用维护：操作是否方便、维修是否容易等；模具质量的优劣，直接影响至用户的采用，质量不好的模具能够保证用户生产的制件的产品质量，确保用户如期保质保量顺利完成制件的生产。

质量高的模具无法保证制件质量，模具过早失灵，不但影响制件的质量，提升产品生产成本，还可以影响制件的按期交货，对用户导致损失。

对于模具生产企业而言，生产出来无法保证用户建议质量的模具，企业就可以失去客户，直接影响至企业的存活。

模具失效分析目的在于针对失效模具表象及内在因素，对模具从设计到使用诸多环节，进行多学科交叉分析，找出失效的原因，判明经济责任，制定解决的措施，防止类似的失效再次发生，不断提高模具的质量。

现以较典型的失灵形式—脱落为基准详细表明模具失灵分析的方法和步骤:1、现场调查和模具断裂件的处理首先应付事故现场展开维护；分析人员尽早步入现场实地考察模具脱落失灵的部位与形式；查问生产设备的采用状况、操作方式情况和模具失灵过程并统计数据模具的实际使用寿命。

在调查过程中，应当特别注意搜集齐全所有的脱落碎块，以便确认主断口和展开断口分析。

在收集断裂碎块时，应注意保护断口的洁净和新鲜。

对于洁净的断口，应立即放人干燥器内进行保护；对有油泥污染的断口，应依次用汽油、丙酮(或三氯甲烷、苯等)、无水乙醇清洗断口，并用热风吹干后放入干燥器内；对于附有腐蚀产物的断口，可暂不清除腐蚀产物而直接放入干燥器内。

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2500 MPa.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)p 0材料力学厚壁筒受力分析理论公式拉应力压应力P 1R 21 - P 0 R 20R 20 -R 21P 1 -P 0R 21 R 20σt σr =()+R 2R 20-R 21()=R 20 -R 21P1R 21 - P 0 R 20-)(R 20-R 21R 2)(R 21 R 20P 1 -P 0①②③④⑤⑥当采用整体模时,如下图P 0 =0 代入①,②式)(R 20 -R 21R 2+=σt R 21 R 20P 1R 20 -R 21P 1R 21=P 1R 21R 20 -R 21(1+R 20R 2)P 1 R 21 R 20R 2R 20 -R 21()-P 1R 21 R 20 -R 21=σr =R 20 -R 21P 1R 21 )R 2R 201-(当R=R 1 时,分别代入公式③,④得σtR1σrR1=)R 21R 201+(R 20 -R 21P 1R 21)R 21R 21-(R 20 -R 21P 1R 21=P 1R 20 -R 21R 20 +R 21==-P 1所以实际应用中,整体式凹模 d外/ d内比值取4-6 符合上面计算结果.σtR0=P1(6R1)2 -R212R21=2 /35 P1=0.0571P1由公式⑦得当R0 = 6 R1时,=0.133P1=2 /15 P12R21(4R1)2 -R21P1=σtR0由公式⑦得3,整体模孔与外径的尺寸关系当R0 = 4 R1时,结论:1,σt切向应力不是均匀分布,靠近内表面处最大,靠近外表面处最小.2,凹模承载能力并非随壁厚的增加而按比例增加.如已知一整体模及 P1 ,R0 ,R1 , 则可求出模中某点应力状态,见下图σtR0σrR0=)R21R201+(R20 -R21P1R21)R20R201-(R20 -R21P1R21=P1R2-R212R21==0当R=R0时,分别代入公式③,④得⑧⑦三,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(二)模具塑性变形失效原因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 mg C①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 N②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(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.№ 74,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.(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。

确定刀具的失效模式并不十分困难——只需取下刀具（特别是在刀具目前预测寿命的约30％和70％时取下刀具），检测该加工阶段的切削刃状况，并对失效模式的描述进行对比。

（1）刀具的磨粒磨损再重复一遍，磨粒磨损是一种理想的失效模式。

磨粒磨损是因为工件材料磨擦划过刀具的主后刀面而造成的，在给定的加工中，对于某一特定刀具制造商提供的一定数量的刀片，其磨粒磨损趋向于具有重复性，因此也就具有可预测性。

磨粒磨损成为首选失效模式的另一个原因是其可以显示磨损的发展进程。

通常，切削中出现的某些现象可以表明磨粒磨损正在加大。

这些现象有的能观察到（如工件上出现毛刺、被加工表面光洁度发生变化等），有的能听到（如切削噪声逐渐变化等）。

通过这些加工现象，可以很容易地确定何时需要更换刀片。

由于磨粒磨损是一种理想的磨损形式，因此当加工中刀具出现磨粒磨损时，通常无需改变加工工艺。

当然，某些刀具牌号和涂层确实能够提供更高的耐磨性（尤其在高速切削时），如果刀具出现磨粒磨损，改用这些刀具牌号或涂层则可以延长刀具寿命。

（2）刀具的月牙洼磨损一般来说，月牙洼的产生可能同工件材料与刀片前刀面相互作用引起的任何磨损形式有关。

最常见的月牙洼磨损是由钢制工件与硬质合金刀具之间的化学作用（即刀具前刀面渗出的碳溶入切屑中）引起的。

不过，月牙洼磨损也有可能是由高速切削铸铁时切屑划过刀具前刀面的磨蚀作用所引起。

月牙洼磨损的危险性在于切削刃通常仍然完好无损，刀具也能保持相对正常的切削状态，直至刀具出人意料地突然失效。

为保护刀具前刀面避免月牙洼磨损，可采取的应对措施包括：①减小切削速度以降低切削刃温度；②减小进给率以减小刀片承受的应力；③选用涂层刀具牌号以加强对前刀面的保护；④改进刀具几何形状以减小直接作用于前刀面上的切削力。

（3）刀具的沟槽磨损刀具产生沟槽磨损的原因通常是在全切深情况下被加工工件表面某处的切削条件与其余部分相比发生恶化造成的。

导致工件表面切削条件出现差异的原因可能与工件表面剥落有关；也可能由冷作应力或加工硬化所引起；还有可能与某些似乎无关紧要的因素——例如油漆——有关，工件表面的油漆有可能对切入工件不太深的切削刃起到一种淬火作用。

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刀具失效形式一：刀具磨损：按磨损原因可分为：(1)磨料磨损。

被加工材料中常有一些硬度极高的微小颗粒，能在刀具表面划出沟纹，这就是磨料磨砂损。

磨料磨损在各个面都存在，前刀面最明显。

而且各种切削速度下都能发生麻料磨损，但对于低速切削时，由于切削温度较低，其它原因产生的磨损都不明显，因而磨料磨损是其主要原因。

另处刀具硬度越低磨料麻损越严重。

(2)冷焊磨损。

切削时，工件、切削与前后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而会发生冷焊。

由于摩擦副之间有相对运动，冷焊将产生破裂被一方带走，从而造成冷焊磨损。

冷焊磨损一般在中等切削速度下比较严重。

根据实验表明，脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；多相金属比单向金属小；金属化合物比单质冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。

高速钢与硬质合金低速切削时冷焊比较严重。

(3)扩散磨损。

在高温下切削、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变刀具的成分结构，使刀具表层变得脆弱，加剧了刀具的磨损。

扩散现象总是保持着深度梯度高的物体向深度梯度低物体持续扩散。

例如硬质合金在800℃时其中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳扩散到钢中去；PCD刀具在切削钢、铁材料时当切削温度高于800℃时，PCD 中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面形成新的合金，刀具表面石墨化。

钴、钨扩散比较严重，钛、钽、铌的抗扩散能力较强。

故YT类硬质合金耐磨性较好。

陶瓷和PCBN切削时，当温度高达1000℃-1300℃时，扩散磨损尚不显著。

工件、切屑与刀具由于材料的同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具的磨损。

这种在热电势的作用下的扩散磨损，称为“热电磨损”。

(4)氧化磨损。

当温度升高时刀具表面氧化产生较软的氧化物被切屑摩擦而形成的磨损称为氧化磨损。

如：在700℃~800℃时空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化物、碳化钛等发生氧化反应，形成较软的氧化物;在1000℃时PCBN与水蒸气发生化学反应。