模具失效与防护前言及第一章

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1、模具失效与防护,模具设计与制造专业课程,2008年五月,绪论,一、模具在生产中的作用及国内外制造概况 1.模具在现代工业生产中的作用,1）模具是制品成形的一种重要工艺装备。2）模具是利用压力加工实现少无切削工艺的关键。3）模具质量影响到压力加工技术水平的高低。4）模具的制造水平还是影响成形工艺所采用的自动化等先进设备能否发挥优越性的重要因素。,2.国内外模具制造的现状和趋势 1）市场竞争剧烈。 2）对模具的要求提高了。 3）逐渐实行标准化、专业化、商品化。 4）我国逐渐发展成为国民经济的基础工业。,与国外的差距： a.标准化程度低；b.模具品种少、 效率低；c.模具制造精度低、周期长；d.模具

2、寿命短、材料利用率低；e.技术力量落后，管理水平较差。,二、模具成形工艺及分类 1.模具成形工艺 锻、轧、冲、镦、挤、弯、旋、拉、拔等多种形式。,2.模具的分类 1）按模具所加工材料的再结晶温度分 a.冷变形模具 变形在再结晶温度以下进行。 b.热变形模具 变形在再结晶温度以上进行。 c.温变形模具 变形在冷、热变形之间。,2）按模具加工坯料的工作温度分 a.热作模具 高温下进行加工。 b.冷作模具 常温下进行加工。 c.温作模具 介于以上二者之间。3）按模具成形的材料分 a.金属成形用模具。 b.非金属成形用模具。4）按模具的用途分锻造模具、冲压模具、挤压模具、拉拔模具、压铸模具、塑料模具、

3、橡胶模具、陶瓷模具、玻璃模具、其他模具等。,模具常用分类方法：,三、模具寿命概况及本课程的任务 1.模具寿命的基本本概念 1）高质量、寿命长的模具，能影响模具的成本和工作量等。2）模具寿命关系到少、无切削工艺的推广应用。3）模具的寿命影响到一些先进高效率、多工位压力加工设备正常效能的发挥。4）模具寿命影响到模具钢的消耗。5）提高模具寿命，实质上意味着和模具失效作斗争。,2.国内外模具寿命概况 国内外模具寿命比较：,我国的模具寿命只相当于工业先进国家的1/51/3。,3.本课程的性质与任务模具失效与防护是模具专业的一门专业课。本课程的任务是使学生了解模具失效的基本知识，能初步分析常用模具的失效原

4、因，提出相应的技术要求，提高合理选用模具材料和恰当安排模具处理工艺的能力。,本课程是一门新的跨学科的综合技术，又是一门实践性很强的实用技术，要求学生具有一定的力学基础、材料学基础和模具设计、制造的专业知识。,第一章 模具失效的基础知识 第一节 失效和失效分析 一、失效与损伤,模具寿命特性曲线,早期失效：模具设计和制造的缺陷。 随机失效：环境、操作者及管理的因素。 耗损失效：到了模具寿命的终止期。,二、失效的分类,按失效形式及失效机理分：,（1）过量变形：过量弹性变形、塑性变形。 （2）断裂：韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂。 （3）表面损伤：磨损、接触疲劳、腐蚀。,三、失效

5、分析 （一）失效分析的任务,失效原因的分析和防护措施的提出，可从以下几方面入手： （1）合理选材 （2）合理结构设计 （3）合理加工与装配 （4）合理使用与保养 （5）严格质量控制 （6）表面强化,（二）失效分析的方法和步骤以断裂为例 1.现场调查和模具断裂件的处理2.模具制造工艺和服役历史的调查及质量检验3.模具工作条件和断裂状况分析4.断口分析5.断裂原因的判定6.提出防护措施,第二节 模具的工作条件及失效形式 模具的失效形式主要有：塑性变形、磨损、断裂和冷热疲劳等。,一、冷作模具的工作条件及失效形式 （1）冷冲裁模,冷冲裁过程示意图 a）弹性变形阶段 b）塑性变形阶段 c）剪裂阶段,比值

6、d/t与模具寿命的关系,设冲头工作部分的直径为d，板料厚度为t，则比值d/t越小，冲头受力越大，其寿命就越低。,冷冲裁模磨损过程三阶段,冷冲裁模刃口损伤过程示意图 a)局部塑变 b)摩擦磨损 c）疲劳损坏,模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损。,薄板冲裁模（t1.5mm），受力较小，主要失效形式是磨损。厚板冲裁模（t 1.5mm）受力较大，其失效形式除了磨损外，还可能发生局部断裂（崩刃）。,冷作模具局部断裂示意图,（二）冷挤压模和冷镦模 1.冷挤压模,冷挤压工艺分类示意图 a）正挤压 b）反挤压 c）复合挤压,在模具的作用下，金属沿凸、凹模间隙或凹模模口流动，使原来的坯料成形

7、为薄壁空心件或横截面较小的成品、半成品。,以挤压活塞销的正、反复合挤压工艺为例，挤压在1600KN压力机上进行。,冷挤压活塞销示意图,冲头的塑性变形和整体断裂 a）弯曲 b）镦粗 c）折断 d）劈裂,冷挤压凹模受力状况分析：,凹模筒壁内的应力分布,凹模内壁的应力最大，且处于二向应力状态。,在凹模筒内壁，拉应力t和压应力r的数值，均为最大值，即,凹模的胀裂和塑性变形 a）模口胀裂 b）模口胀大,采用抗拉强度较低的脆性材料制造凹模，在tmax的作用下易发生胀裂；采用抗压强度较低的韧性材料制造凹模，在rmax的作用下易发生塑性变形。,失效形式：,2.冷镦锻模 最常见的失效形式是磨损和疲劳断裂。还可能

8、产生模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂等。,（三）冷拉深模冷拉深模主要用于板材的冷拉伸成形。工作时的冲击较小，型腔表面主要承受板材变形的剧烈磨擦。 失效形式：磨粒磨损和粘着磨损。,二、热作模具的工作条件及失效形式 （一）锤锻模 1.锤锻模的工作原理及工作条件 工作原理：,锤上模锻 1上模 2坯料 3下模 4锻件,高温坯料2放在下模3上，锤头与上模1快速下行，打击坯料2，迫使坯料与模具发生相对运动。,工作条件： （1）模具的受力 （2）模具的受热t = 0.38t1 + 0.62t2,（3）模具的冷却：用冷空气、水、油或在型腔表面涂抹润滑油。 （4）型腔表面摩擦：坯料在模具型腔中热塑变流动产生。,2.

9、锤锻模的基本失效形式 （1）模具型腔部分的断裂a）早期脆断： 断口宏观形貌特征：从断裂源开始，裂纹呈人字花纹向外扩展。b）机械疲劳断裂： 特征：所受冲击力大，周次小，是较大冲击能量的冲击疲劳。 断口特征：一般疲劳断口的特征，裂纹扩展区较小。,（2）型腔表面的热疲劳 热疲劳：温度循环变化热应力循环变化疲劳破坏。,放大鏡下的网状热疲劳裂纹,氧化膜破裂侵蚀沟形成示意图,（3）型腔表面磨损：（4）模具型腔的塑性变形：常发生于受力大且温升高的部位。温度升高s下降，当s时塑变。,（5）模具燕尾开裂：,锤锻模的失效形式与部位 1磨损 2塑变 3裂纹或开裂,失效部位：水平面和凸台易发生塑变，侧面易出现磨损，型

10、腔深处及燕尾的凹圆角半径处易萌生裂纹，导致断裂。,（二）热挤压膜 1.热挤压模的工作条件,2.热挤压模的失效形式早期脆断，疲劳断裂，热疲劳，型腔堆塌和磨损等。,（三）热冲裁模： 1.工作条件：模具刃口承受挤压，摩擦，冲击载荷及热负荷等。2.失效形式：热磨损，崩刃和断裂。,（四）压力铸造模1.工作条件 承受压力、冲刷、侵蚀、高温作用及频繁的急冷、急热作用。,2.失效形式 压铸锌合金时，压铸模型腔表面T400C热负荷小，模具工作寿命较长。 压铸铝合金时，失效形式主要是粘模、侵蚀、热疲劳和磨损。 压铸铜合金时，失效形式主要是热疲劳龟裂。 压铸铁合金时，型腔表面氧化、腐蚀严重，加之更易产生塑变和热裂，

11、模具的寿命极低。,三、塑料模具的工作条件及失效形式 （一）塑料模的工作条件,注塑成形示意图 14模具 15喷嘴 16料筒17分流梳18加料斗 19注射活塞,工作条件：型腔承受的注射压力一般为40140MPa，闭模压力为80300MPa或更高，受热温度为140300C。还要承受摩擦和腐蚀的作用。,（二）塑料模具的失效形式1.型腔表面的磨损和腐蚀,经渗碳淬火的纯铁模具压制不同塑料时的磨损曲线 1含矿物填料的氨基塑料 2玻璃纤维增强塑料 3增强酚醛树脂 4普通胶木粉,2.塑性变形,胶木膜局部塑变失效示意图,3.断裂：受压力较大，局部应力状态复杂，结构因素引起应力集中。 4.疲劳和热疲劳：塑料模的机械

12、负荷和热负荷都是循环变化的。,第三节 模具材料的抗失效性能指标一、材料抵抗过量变形失效的性能指标 （一）弹性变形的抗力指标E和G,主要与材料基体原子本身的性质有关，而对材料组织结构的变化不敏感。,（二）塑性变形的抗力指标,模具塑性变形的失效形式 a）塌陷 b）镦粗 c）弯曲,根本原因：在外加载荷作用下模具整体或局部产生的应力值大于模具材料的屈服极限S。,塑性变形抗力指标：1）冷作模具钢用压缩试验测定其压缩屈服点。2）热作模具材料的塑变抗力主要取决于其室温屈服强度。3）也可以用其硬度来评价材料的塑变抗力。,二、材料抵抗断裂失效的性能指标（一）快速断裂失效的抗力指标1.断裂的类型和方式（1）断裂类

13、型：韧性断裂和脆性断裂。,（2）断裂方式：正断和切断 材料断裂的三种情况： 1）当maxSk,而自始至终maxs时，材料发生正断，是脆性断裂。2）先使max s，继而使max k，而自始至终maxSk，材料发生切断，使韧断。3）先使max s，继而使maxSk,然而max k时，材料发生正断，是韧断。,（3）断裂形式穿晶断裂和晶界断裂,晶间断口的微观形貌,韧窝断口的扫描电鏡照片,断口微观形貌呈“冰糖块”。,韧性穿晶断裂断口的微观形貌呈韧窝状。,解理断口上的河流花样,河流花样形成示意图,脆性穿晶断裂： 解理断裂断口的微观形貌特征是由若干解理台阶相汇合形成的“河流花样”。,根据河流支流合并为主流的

14、方向，可以确定裂纹在微观区域内扩展的方向。,准解理断裂过程示意图 a）形成解理裂纹 b）裂纹长大 c）通过塑性撕裂形成撕裂棱,准解理微观断口,断口的微观形貌特征：在准解理小平面内有向四周放射的河流花样，小平面间存在大量短而弯曲的撕裂棱。,2.影响脆性断裂的基本因素 （1）材料的性质和健全度 影响因素：原子间的键合强度，健全度，各薄弱相相遇几率。,称为应力状态的软性系数。 值越大，表示应力状态越软，材料发生韧断的倾向越大；反之，应力状态就越硬，材料倾向于脆性断裂。,（2）应力状态,（3）工作温度,温度对s和Sk的影响示意图,（4）加载速度随着加载速度的增加， s升高，而Sk变化不大，因而当VVc

15、时，材料处于脆性状态。,当TSk，这时材料处于脆性状态。影响因素：成分、纯洁度、晶格类型、晶粒大小和组织状态。,3.无裂纹材料的断裂抗力模具断裂失效方式：脆断多，韧断少。原因：1）韧断前要产生塑变，模具尚未达到断裂就以塑变而 失效；2）多数模具材料的k较高而Sk较低，它们在较软的应力 状态下不易发生韧断，而在较硬的应力状态下易发生脆断。,4.含裂纹材料的断裂抗力,三种基本裂纹形式,断口受力示意图,以张开型裂纹为例：,当K1=K1C时，,当C时，就使裂纹前沿的K1K1C，模具材料便发生快速断裂。,材料的断裂韧度K1C：表示材料所能承受的裂纹前沿的最大应力强度因子值，又称临界应力强度因子。,5.材

16、料对应力腐蚀延迟断裂的抗力,被氧化物覆盖的金属的SCC示意图 1氧化物层； 2酸性溶液； 3晶界或滑移面； 4金属； F拉应力,腐蚀电池： 阳极：MeMe+ + e 阴极：O2+ 4H+ + 4e2H2O,（二）疲劳断裂失效的抗力指标 1.疲劳的基本概念,正弦波循环应力及其参数,循环应力多种多样，表现在它的波形、对称性、随时间的变化规律各有不同。,m为循环应力的静载分量， a为交变分量。当R1时，maxmin，其应力循环是对称的； 当R1时，则为不对称循环； 若不对称循环的R0，则min0，称之为脉动循环。,它们之间的关系为：,疲劳断裂的特点： 1）失效抗力低。 2）突然断裂。 3）对缺陷高度敏感。 4）塑性变形的高度局部性和不均匀性。 5）试验数据分散。 6）疲劳断口有明显特征。,