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1、第四章 模具寿命的影响因素,广东海洋大学 工程学院 赵娟,第一节 模具的失效分析,一、失效分析的意义,失效分析是对已经失效的模具进行失效过程分析，探索并解释模具的失效原因。 作用：分析结果可以为正确选择模具材料、合理制定模具制造工艺、优化模具结构设计以及为模具新材料的研制和新工艺的开发等提供有指导意义的数据。可预测模具在特定使用条件下的使用寿命。,二、失效分析的一般步骤和内容：,第二节 影响模具寿命的主要因素,一、模具结构设计,1.工作间隙,例：冲模工作间隙对刃口应力大小及磨损速度有显著影响 间隙过小刃口磨损严重；过大刃口易变形,2.模腔结构,（1）整体模具与组合模具 整体模具：易存在凹圆角半
2、径，应力集中大，易开裂。 措施：采用组合结构；采用预应力加强环；采用多层结构；不同模块采用不同材料和不同处理方式，便于加工，便于更换，提高模具的整体寿命。,（2）模具的导向 导向装置作用： a.保证模具工作中模具零件相互位置精度;b.增加模具抗弯曲、偏载能力;c.避免模具不均匀磨损;d.避免凸、凹模间相互啃伤。对于小间隙或无间隙的大中型型腔模、冲裁模、精冲模更为重要。因此，在其他条件相同的情况下，模具的导向精度愈高，模具的寿命愈高。,3.模腔过渡圆角半径（R） 模具零件的两个面相交处,都会用圆角半径相连。圆角半径是模具零件上的一个重要参数。圆角半径分为外（凸）圆角半径和内（凹）角半径。 外（凸
3、）圆角半径主要影响成形工艺 R过小增加成形力，易造成锻件折叠缺陷 内（凹）角半径主要影响模具受力和寿命,4.模具工作部位角度 例 锤锻模、压铸模、塑料模等脱模斜度对模具受力影响较大 反挤压凸模端面设计如图,说明：a、b设计优于c b端面角度过大，以造成偏载而折断,二、模具工作条件,1.成形工件的材料和温度 1）成形件材质 a.工件材质强度模具寿命（例固体件液体；金属件非金属件；黑色金属有色金属） b.模具材料和制件材料亲和力越大，易产生粘着磨损模具寿命； 2）成形件温度 制件温度高模具材料强度，粘着磨损，热疲劳和热冲击作用模具寿命；,2.设备特性 1）设备精度和刚度 设备导向精度高上、下模不易
4、错位，模具磨损均匀模具寿命高；例：注塑机机械压力机模锻锤 设备刚度大成形时弹性变形小上、下模配合好模具寿命高；例：曲柄压力机，开式结构闭式结构,2）设备运行速度 设备运行速度冲击，冲击能量来不及传递和释放，局部应力集中模具寿命 3.润滑与冷却 1）润滑： 作用：a.减少模具与工件的直接接触,减少磨损,降低成形力； b.阻碍模具温度升高，有利于工艺顺利进行，提高模具寿命。例：拉深时,毛坯和凹模接触面的润滑；模锻时模膛的润滑. 注：不适当部位的润滑是有害的。例：拉深时，毛坯和凸模表面的润滑；模锻时毛边槽的润滑 润滑剂和润滑方式对模具寿命有显著的影响 2）冷却成形热工件的模具，会因接受工件的热量而升
5、温，模具温度升高，其强度下降。特别是热作模具要防止模具温度过高 方式：a.内冷式：冷却缓和,模具温差小,冷却效果好,但结构复杂; b.外冷却：冷却效果明显,但模具内外温差大,易产生热疲劳.,三、模具材料的性能,通常模具工作硬度是最重要的技术指标, 硬度过高-易造成模具断裂 硬度过低-塑性变形和磨损严重 合理确定模具工作硬度,工程材料的性能,使用性能,工艺性能,强度,冲击韧度,耐磨性,耐腐蚀性,硬度,热稳定性,锻造性 切削加工性 热处理性 淬透性,二、模具的工作条件与使用性能 模具的工作条件可近似分为,室温冲击力较小工况,室温冲击力较大工况,高温冲击力较小工况,高温冲击力较大工况,(一)室温冲击
6、力较小工况 由于冲击力较小,模具材料的韧性要求远没有对强度和耐磨性的要求高,这类模具(如冲裁模和拉深模)的强度愈高,硬度愈高,耐磨性愈好,寿命愈高。 （二）室温冲击力较大工况 模具需具有高的强度，耐磨性，并具有较好的韧性，这类模具(如冷镦模和冷挤模),（三）高温冲击力较小工况 在高温冲击力较小工况下，模具需要高的高温强度、高温耐磨性、耐冷热疲劳性、热硬度及热疲劳性，同时，应具有适当的冲击韧度。 （四）高温冲击力较大工况 在高温冲击力较大工况下，模具需要高的高温韧性，同时，应具有合适的高温强度、热硬性、及耐热疲劳性，这类模具(如锤锻模和高速锤锻模)。 因此，从模具的使用情况来看，根据模具的工作工
7、况，选用具有适当的强度和韧性匹配的模具，从而使模具寿命最高。,四、模具制造质量,1.锻造工艺的影响 锻造目的：得到所需模具形状毛坯，改善材料组织和性能。 焊合气孔、疏松、微裂纹，提高致密度； 改善材料中流线分布，使其受力更合理； 改善碳化物形状、尺寸、分布 注：锻造时要合理制定毛坯的加热工艺、冷却工艺和锻造工艺 （镦粗比、拔长比、扩孔、滚圆等）。,1.锻造工艺的影响 锻造目的：得到所需模具形状毛坯，改善材料组织和性能。 焊合气孔、疏松、微裂纹，提高致密度； 改善材料中流线分布，使其受力更合理； 改善碳化物形状、尺寸、分布 注：锻造时要合理制定毛坯的加热工艺、冷却工艺和锻造工艺 （镦粗比、拔长比
8、、扩孔、滚圆等）。,加热工艺的影响 毛坯在加热过程中，由于热量是从外表面向里面传递，温度是外高、内低，存在温度差，带来温度应力。温度越大，带来的温度应力越大。因此，在低温段缓慢加热，使毛坯受热均匀。 冷却工艺的影响 毛坯锻后冷却时，存在温度应力、组织应力，还有锻后的残余应力。因此，模具钢在锻后的冷却过程中，有产生淬火裂纹的倾向，都应锻后缓冷，即随炉冷。 锻造操作方法 1.锻造工序：基本工序、辅助工序、精整工序。 2.锻造时所用的基本工序包括：镦粗、拔长、冲孔 、扩孔。 镦粗:使坯料高度减少而横截面增大的工序。 拔长：使坯料横截面减少、长度增加的工序。,2.模具的机加工和电加工 模具加工包括:模
9、具外形的加工和工作型腔面的加工。 （1）外形和尺寸加工这些部位不与工件接触，对模具寿命的影响不大。可用车、铣、刨、磨等加工，不能有缺陷。 （2）工作型腔面加工-这些部位的形状一般比较复杂，且和工件直接接触，承受高温、高压以及与坯料有剧烈的相对摩擦运动，因此，模具的加工对模具寿命的影响主要指这些工作型面的加工质量对模具寿命的影响。可用机加工和电加工 1）机加工：保证模具加工技术要求。如工作面不能有刀痕；尺寸过渡处要光滑；圆角半径不能太小；磨削精加工要严格控制磨削工艺，保证磨削质量。 2）电加工：主要有电火花切割、成形，电解等 要注意控制表面电烧伤层及残余应力和微裂纹等缺陷。,三、模具热处理和表面
10、处理 合理制定热处理工艺和表面强化处理工艺是充分发挥模具材料潜力、提高模具使用寿命的关键。否则，热处理或表面处理不当，造成热处理缺陷，将导致模具早期失效。 1.氧化和脱碳 氧化：氧化气氛中加热（570），表面产生氧化皮影响淬火冷却能力和冷却均匀性。 脱碳：表面碳含量降低淬火后硬度不足，出现“淬火软点”，淬火层产生较大的残余应力等。 改善措施：采用盐浴炉加热；或采用保护气氛，或固体 保护剂埋箱加热（小批量、小件）。 常用保护剂：木炭，生铁，旧渗碳剂，石英砂，氧化铝粉等。,2、过热和过烧 过热：加热温度过高或高温下加热时间过长，造成A晶粒粗大，淬火后组织粗大、性能显著降低的现象。 可通过重新热处理
11、进行修正（如正火，细化晶粒正常淬火+回火） 过烧：加热温度过高，导致局部晶界熔化、氧化，淬火后性能严重恶化。 无法修复，只能报废。 3、淬火硬度不足产生原因：a. 原材料中存在组织缺陷，如碳素工具钢中出现石墨碳等b. A化温度低、保温时间不足；c. 淬火冷却速度不够,使得部分奥氏体发生了分解,而不能形成足够数量的马氏体组织；d. 加热时产生氧化、脱碳现象；e. 回火温度过高,从而使硬度降低许多。防范措施：a. 碳素钢不易采用多次高温退火，防止石墨化；b. 严格控制淬火、回火工艺；c. 保证足够的冷却速度；,d. 保护加热，防止氧化、脱碳现象； 4、淬火“软点” 产生原因： a. 材料存在严重的
12、成分偏析，组织不均匀； b. 加热时模具表面有锈斑、油污或局部脱碳等； c. 淬火时工件相互接触； d. 冷却介质中杂质等较多或老化，造成冷却能力不足； e. 大尺寸、复杂模具淬火操作不当，如未搅动，产生气泡等； 防范措施： 模具材料使用前要检查夹杂和碳化物偏析（符合要求），通过预处理进行改善； b. 要清除材料表面氧化皮和铁锈； c. 采用保护加热，防止氧化、脱碳； d. 淬火冷却介质要定期清理和及时更换； e. 热处理操作要正确，避免工件相互接触； 5、黑色断口：高碳工具钢中由于石墨化，造成淬火硬度不足、不均匀甚至产生裂纹，断口呈黑色。,产生原因：a. 冶炼时，采用过多的Al，Si脱氧；
13、b. 锻造时，终锻温度高、冷却时700-800 时间 长造成石墨化 c. 多次球化退火造成石墨化； 改善措施：重新锻造并快冷。6、脆性 产生主要原因： a. 材料中存在严重的非金属夹杂物偏析； b. 碳化物呈网状、带状、聚集态等分布不均匀状态； c. 热处理操作不当；如A化温度过高、时间长，产生回火脆性； 防止措施： a. 严格控制钢材质量； b. 进行合理的锻造、预处理等改善组织； c. 制定合理热处理工艺，操作正确； 7、表面腐蚀（出现麻点）, 产生原因：a. 埋箱保护加热时，保护剂使用不当；b. 盐浴加热时，介质中含有腐蚀性夹杂； c. 硝盐回火时，温度过高及Cl-的电化学腐蚀；d. 盐
14、浴和硝盐浴处理后，未及时清理； 防止措施： a. 固体保护剂要烘干，盐浴介质要及时脱氧、捞渣； b. 硝盐使用温度不要过高 c. 热处理后，工件要及时清理； 8、裂纹 产生的主要原因： a. 原材料本身存在裂纹，或在锻造时产生裂纹； b. 高碳、高合金钢导热性差，当加热、或淬火冷却时速度较快，易产生裂纹； c. 淬火后未及时回火或回火不足； d. 模具有盲孔、或应力集中处，淬火时操作不当； 防止措施： a. 严格控制原料质量，避免缺陷； b. 高碳、高合金钢等导热性差的材料，采用预热或分段加热；,五、模具的维护和管理,1.模具维护 现场维护：包括模具安装后，工作过程及工作间隙中的维护 a.预热
15、：热作模具成形的毛坯温度高，在用室温下的模具成形高温毛坯时，由于巨大的温差使模具与毛坯接触的表面温度急剧上升，带来很大的热应力，易直接造成模具开裂。因此，为了降低热作模具使用时的热冲击，工作前先预热，减小模具和成形件间的温差，减小热应力； 预热温度一般为250-300；过高易造成模具材料强度降低，导致塑性变形； b.工作“间歇”时保温，温度一般为250-300，避免急冷急热现象及热应力的增加； 模具在使用过程中间停机时，模具温度会下降。模具服役一段时间后，由于热胀冷缩以及表面受热继续发生组织转变，将在模具内积累较大内应力。停工时，如不保温，模具经受一,次较大的冷冲击，开工时又经受一次较大的热冲
16、击。这样急冷急热带来的热应力与内应力叠加，易在模具内萌生裂纹并引起开裂。因此，停工时，必须对模具进行保温，减小模具经受的热冲击，保温温度为250-300。 c.停工时要缓冷 模具服役后，隔天再用或为了维修拆下前，不能让模具直接冷到室温，必须缓冷，使模具的温度缓慢下降，减少冷冲击。 二、非现场维护： 模具从设备上拆下来的维修称非现场维护。 a.去应力退火：模具使用一段时间后，存在了较大的内应力。过大内应力与工作载荷带来的应力相叠加很易达到破坏应力，造成模具的塑性变形与断裂。为了降低模具的内应力引起的失效概率，当模具使用一段时间后，将模具卸下，进行去应力退火，降低内应力，避免开裂； 2.模具的管理 模具在制造、使用过程中要严格按照规程进行。,b.超前修模： 模具服役一段时间（仍能正常服役）后，为了提高模具总寿命，把模具拆卸下来修理称为超前修模。 注意及时修模，消除局部塑性变形、裂纹等缺陷隐患，提高模具寿命； 2.模具的管理 模具的管理广义上讲，是指模具在制造、使用过程中要严格按照规程进行，生
