模具材料及失效分析：第三章_模具失效形式及机理

模具材料及模具失效分析一、模具材料模具是工业生产过程中常见的一种工具，用于制造各种产品的零部件。

模具的材料选择非常重要，直接关系到模具的使用寿命和制造成本。

现代模具材料主要包括金属材料和非金属材料两大类。

1.金属材料金属材料通常具有良好的韧性和耐磨性，可以承受较大的应力和变形，常用的金属材料有：(1)工具钢：工具钢是最常见的模具材料之一，具有高硬度、耐磨性好、韧性适中等特点。

根据具体的工作条件和要求，可以选用热处理工具钢、非调质工具钢或高速钢等不同种类的工具钢。

(2)铸造钢：铸造钢适用于大型模具的制造，具有较高的强度和耐磨性。

根据具体需要，可以选择低合金铸造钢、合金钢或特殊耐磨铸造钢等。

(3)铝合金：铝合金具有良好的加工性能和寿命，适用于制造小型模具。

常用的铝合金有铝青铜、铝镁合金等。

2.非金属材料非金属材料通常具有良好的绝缘性能和耐腐蚀性能，可以避免产品受到外部环境的干扰，常用的非金属材料有：(1)塑料模具材料：塑料模具材料具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，适用于制造精密零件。

常用的塑料模具材料有聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯等。

(2)橡胶模具材料：橡胶模具材料具有良好的弹性和耐磨性，适用于制造高要求的橡胶制品。

常用的橡胶模具材料有丁腈橡胶、硅橡胶等。

模具失效是指模具在使用过程中出现的各种损坏、故障和失效现象。

模具失效会导致产品质量下降、生产效率降低等问题。

模具失效通常可以分为以下几个方面进行分析：1.磨损失效：模具在使用过程中，由于受到较大的力和摩擦作用，会产生磨损现象。

磨损主要分为表面磨损和体积磨损两种类型，可以通过表面硬度测试、磨损重量测量等方法进行分析。

2.疲劳失效：模具在长期使用过程中，由于频繁的应力变化和变形，会产生疲劳现象。

疲劳失效一般表现为裂纹、断裂等现象，可以通过金相组织观察、断口形貌分析等方法进行分析。

3.塑性变形失效：模具在使用过程中，由于受到较大的应力和变形，会产生塑性变形现象。

模具失效分析目录1引言模具失效2模具失效形式案例分析及其改进2、1模具磨损失效2、2模具断裂失效2、3模具塑性变形失效3总结4参考文献1引言模具失效冲压模具就是冲压生产中必不可少的工艺装备,就是技术密集型产品。

冲压件的质量、生产效率以及生产成本等,与模具设计与制造有直接关系。

模具设计与制造技术水平的高低,就是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一,在很大程度上决定着产品的质量、效益与新产品的开发能力。

生产中的冲压模具经过一定时间使用后,由于种种原因不能再冲出合格的产品,同时又不能修复的现象称为冲压模具的失效。

由于冲压模具类型、结构、模具材料、工作条件的不同,所以冲压模失效的原因也各不相同。

一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。

模具的失效也可分为:正常失效与早期失效模具模具在工作中,与成形坯料接触,并受到相互作用力产生一定的相对运动造成磨损。

当磨损使模具的尺寸、精度、表面质量等发生变化而不能冲出合格的产品时,称为磨损失效,磨损失效就是模具的主要失效形式,为冲模的正常失效形式,不可避免。

按磨损机理,模具磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。

①磨粒磨损硬质颗粒存在于坯料与模具接触表面之间,或坯料表面的硬突出物,刮擦模具表面引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。

②黏着磨损坯料与模具表面相对运动,由于表面凹凸不平,黏着部分发生剪切断裂,使模具表面材料转移或脱落的现象称为黏着磨损。

③疲劳磨损坯料与模具表面相对运动,在循环应力的作用下,使表面材料疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。

④腐蚀磨损在摩擦过程中,模具表面与周围介质发生化学或电化学反应,引起表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。

在模具与坯料相对运动过程中,实际磨损情况非常复杂。

工作中可能出现多种磨损形式,它们相互促进,最后以一种磨损形式失效。

冲裁模的工作条件冲裁模具主要用于各种板料的冲切。

从冲裁工艺分析中我们已经得知,板料的冲裁过程可以分为三个阶段:弹性变形阶段塑性变形阶段剪裂阶段对于薄板冲裁模,由于模具受到的冲击载荷不大,在正常的使用过程中,模具因摩擦产生的刃口磨损就是主要的失效形式磨损过程可分为初期磨损,正常磨损与急剧磨损三个阶段初期磨损阶段模具刃口与板料相碰时接触面积很小,刃口的单位压力很大,造成了刃口端面的塑性变形,一般称为塌陷磨损, 其磨损速度较快、正常磨损阶段当初期磨损达到一定程度后,刃口部位的单位压力逐渐减轻,同时刃口表面因应力集中产生应变硬化。

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 2-R 21P 1 -P 0R 21R 20σt σr =()+R 2R 2-R 21()=R 2-R 21P1R 21- P 0 R 20-)(R 2-R 21R 2)(R 21R 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 2-R 21=σr =R 2-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 2-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。