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1、第二章 模具寿命及其对工业生产的影响,2.2、模具寿命与生产率,2.3、模具寿命与产品成本,2.1、模具寿命与失效的基本概念,2.1、模具寿命与失效的基本概念,模具损伤：指模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹，但没有立即丧失服役能力的状态。,模具服役：模具安装调试后，正常生产合格产品的过程。,模具失效：指模具丧失正常的使用功能，不能通过一般的修复方法（如刃磨、抛磨等）使其重新服役的现象。,正常失效指模具使用一定期限后，由缓慢的塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏，达到预定寿命而产生的失效。,非正常失效指模具未达到一定工业水平公认的使用寿命而产生的失效。,模具使用寿命（也称为模具正常寿命）：指模具丧
2、失正常失效前生产出的合格产品的数目，若其在使用过程中经过多次修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。,铝合金铸件模具一般为4-8万次，个别可超过10万次，国外可达8-15万次以上；,常州宝马集团公司的步进电机定转子带双回叠片硬质合金级进模。具有转子冲片落料、旋转72再叠片，定子冲片落料、回转90再叠片、(以消除料厚误差)等功能。这两项模具精度达2m，步距精度2-3m，双回转精度1，寿命达到1亿次以上，制造周期5-6个月，而价格仅为同类进口模具的1/2-1/3，已达到国际先进水平，完全可以替代进口。,2.2、模具寿命与生产率,生产模具需要经历的阶段：设计、制造、安装调试、维护、直至
3、失效报废。,模具寿命与生产率之间关系：,T1：模具的设计时间 T2：模具的制造时间 T3：模具的安装调试时间 T4：模具的修复及维护时间 T5：模具的工作时间 单位：h,Q：生产率(件/h),N：设备的工作节奏,2.3、模具寿命与生产成本,模具生产的产品成本(V)主要包括：原材料费、工资、设备折旧费、模具费（M）及管理费等。,A：与模具无关的单位产品成本之和(含管理费),B：与模具有关的其他项目成本之和(不含管理费),模具费(M)=模具制作费(Mz)+模具材料费(Mc)+模具修理费(Mx),1000,1-T12 2-Cr12MoV 3-硬质合金,第三章 模具失效形式及机理,3.2、断裂失效,3
4、.3、塑性变形失效及多种失效形式的交互作用,3.1、磨损失效,失效的分类,研究失效的目的不同，常用的分类方法有两种：按经济法观点分类和按失效的形式及失效机理分类,1. 按经济法观点分类,失效,正常损耗失效,产品缺陷失效,误用失效,受累性失效,按失效的形式及失效机理分类,失效,过量变形失效,断裂失效模具局部断裂示意图,表面损伤失效,过量弹性变形失效,过量塑性变形失效模具的塑性变形,蠕变超限,韧性断裂,脆性断裂,疲劳断裂,蠕变断裂,应力腐蚀断裂,表面磨损失效,表面腐蚀失效,接触疲劳失效,3.1、磨损失效,表面磨损失效,实际生产中使用的模具种类繁多，工作状态差别很大，失效的形式及机理各不相同。,磨粒
5、磨损,粘着磨损,疲劳磨损,其它磨损,气蚀磨损,冲蚀磨损,腐蚀磨损,找出失效原因，并提出防护措施,磨粒磨损机理示意图,一、磨粒磨损,什么叫磨粒磨损？,外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面脱落的现象。,影响磨粒磨损的因素,磨粒硬度Hm与模具材料硬度H0,磨粒的大小和形状,模具与工件表面压力,磨粒尺寸与工件厚度的相对比值,提高磨粒磨损的措施,提高模具材料的硬度,进行表面耐磨处理,采用防护措施,粘着磨损机理示意图,二、粘着磨损,什么叫粘着磨损？,工具与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的节点发生剪切断裂，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象。,粘着磨损分类,影响
6、粘着磨损的因素,材料性质,表面压力,材料硬度,提高粘着磨损的措施,粘着磨损机理,三、疲劳磨损,什么叫疲劳磨损？,两接触面相对运动时，在循环应力（机械应力与热应力）的作用下，使使表层金属脱落的现象。,表面或亚表面经外力反复作用一定周期,表面产生局部的塑性变形和加工硬化,某些组织不均匀处由于应力集中产生裂纹源,裂纹源扩展到表面或与纵向裂纹相交,磨损剥落,影响疲劳磨损的因素,硬度,材质,表面粗糙度,提高粘着磨损的措施,进行表面强化处理,合理选择润滑剂,气蚀磨损机理,四、气蚀磨损和冲蚀磨损,什么叫气蚀磨损？,金属表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成小麻点和凹坑的现象。,局部气压低于蒸汽
7、压形成气泡或液体中析出的气泡,流到高压区,气泡破裂,模具浅表层产生疲劳裂纹,形成泡沫海绵状空穴,产生高温和极大冲击力,反复作用,局部金属脱离表面或气化,扩展至表面,容易发生气蚀磨损的模具：,注塑模、压铸模,冲蚀磨损机理,什么叫冲蚀磨损？,液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象。,速度不高的反复撞击产生疲劳裂纹，形成麻点和凹坑,强烈撞击造成局部材料断裂,腐蚀磨损机理,五、腐蚀磨损,什么叫腐蚀磨损？,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，再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象。,模具表面与周围介质发生化学或电化学反应
8、,腐蚀磨损分类,氧化磨损,特殊介质腐蚀磨损,六、磨损的交互作用,3.2、断裂失效,断裂失效,模具出现大裂纹或分离为两部分和属部分，丧失服役能力时，称为断裂失效,模具局部断裂示意图,返回,整体断裂,折断,劈裂,断裂的分类及其特征,晶体结构 晶体点阵（晶格）,晶体结构的几个基本概念,空间点阵: (Lattice),为了便于研究晶体中原子分子或离子的排列情况,近似的将晶体看成无错排的理想晶体,忽视其物质性抽象排列于空间的无数集合点,这些点代表原子(分子或离子)的中心,也可是彼此等同的原子群或分子群的中心,各点的周围环境相同,这些点的空间排列称为空间点阵,简称点阵,线缺陷（位错）,点缺陷,从原子点看位
9、错运动,从线角度看位错运动,穿晶断裂原理,一、一次性断裂,1、穿晶断裂,因拉力作用而引起的解理断裂（沿特定晶面的断裂）。,位错反应理论,位错塞积理论,体心立方晶体中位错反应示意图,注意：高温下解理裂纹不易形成；低温下易行成解理裂纹。,2、沿晶断裂,裂纹沿晶界面扩展而造成金属材料的脆断。,杂质元素偏聚造成的沿晶断裂,晶界沿沉淀相造成的沿晶断裂,材料本身的沉淀相或杂质元素偏聚,晶界弱化,沿晶裂纹,环境介质或高温的促进作用,疲劳裂纹的萌生,二、疲劳断裂,疲劳断裂：,模具在循环载荷的作用下服役一段时间后所引起的断裂。,沿晶界萌生裂纹,表面不均匀变形萌生裂纹,沿夹杂物和第二相萌生微裂纹,疲劳裂纹扩展速率
10、,疲劳裂纹扩展,裂纹扩展第二阶段,裂纹扩展第一阶段,滑移面的取向与拉应力轴呈45角，扩展深度一般为几微米到100微米,A：经一个加载-卸载循环后裂纹向前扩展长度 C、m：材料常数 N：应力循环次数 K：应力强度因子振幅,估计模具承载能力,三、断裂力学在模具失效分析中的作用,估计模具剩余寿命,利用探伤手段测得裂纹尺寸后，利用公式根据材料性能，可求出相应的临界应力,指导修模工艺,四、影响断裂失效的主要因素,模具表面形状,模具材料,3.3、塑性变形失效及多种失效形式的交互作用,一、塑性变形失效,模具在使用过程中，发生了塑性变形，改变了几何形状或尺寸，而不能修复或服役时，称为塑性变形失效。,表现形式为
11、：塌陷、弯曲、镦粗等。,模具的塑性变形,冲头弯曲,冲头镦粗,凹模模口胀大,凹模的塌陷,塑性变形失效机理,室温下，机械负荷和模具的室温强度,模具某部位所受的应力超过了当时温度下模具材料的屈服强度，会以滑移、孪晶、晶界滑移等方式产生塑性变形，造成模具失效。,产生塑性变形的主导因素：,高温下，模具的工作温度和材料的高温强度,二、多种失效形式的交互作用,磨损对断裂及塑性变形的促进作用,塑性变形对磨损和断裂的促进作用,一、冷作模具的服役条件及失效形式,冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。,冷作模具,冷冲裁模,冷拉深模,冷挤压模,冷镦模,冷作模具都是在常温下对工件材料施力，使其产
12、生分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的成品或半成品件。,冷冲模具工作对象是金属或非金属板材依靠冷冲模具的刃口完成冷冲压加工中的分离工序。,1.冷冲裁模,冷冲模具的主要工作部位凸模（冲头）和凹模的刃口，靠它们对板料施加压力，使其产生弹性变形、塑性变形和分离过程。,冷冲模具的最常见的失效形式是模具刃口的磨损，厚板冲裁模还会塑性变形、断裂或崩刃。,凸模（冲头）承受压力同时还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用。凹模的刃口端面和侧面承受挤压和摩擦力的作用。,2.冷拉深模,依靠模具使金属坯料产生塑性变形而获得一定尺寸、形状的产品,最常见的失效形式是磨损，有时还会产生咬合、擦伤、变形等失效形式。,承受的冲击
13、力不大，受到摩擦力十分强烈。凸模承受压力和摩擦力；凹模承受径向张力和摩擦力的作用。,3.冷镦模,在冲击力的作用将金属棒状坯料镦成一定尺寸、形状的产品。,最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。,在室温条件下工作，塑性变形大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击力和摩擦力；凹模承受胀力和摩擦力的作用。,4.冷挤压模,依靠模具使金属坯料在强大而均匀的近似静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品,主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效，有时还会产生胀裂失效。,在进行冷挤压加工时，模具承受强大的挤压力（如正挤压钢材时，挤压力约为20002500MPa），同时产
14、生很大的摩擦力，由于摩擦和变形，模具的局部表面温度可达400以上。此外由于金属坯料不平整，凸模和凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致，还会使的偏载或横向弯曲载荷。,二、热作模具的服役条件及失效形式,锤锻模在服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时受到交替的加热和冷却的作用。,热作模具,锤锻模,压力机锻模,热挤压模,热冲裁模,压铸模,热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具。,主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、断裂失效、冷热疲劳、断裂失效等。,热挤压模,热挤压模工作时，承受压缩应力和弯曲应力，脱模时承受一定的拉应力，受热温度
15、较高，如在挤压铜合金和结构钢时，模具型腔的温度可达600800，后还要进行冷却。,热挤压模是使被加热金属坯料在高温压力下成形成形,主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、断裂失效、冷热疲劳断裂失效及模具型表面的氧化失效等。,压铸模具的型腔表面要承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具的型腔表面进行冷却和润滑，而使模具承受急冷、急热作用；,热作模具工作时既承受机械载荷，又承受热载荷，且在循环状态下工作。,压铸模,主要的失效形式是磨损失效、粘模失效、侵蚀失效、冷热疲劳等。,三、塑料模的服役条件及失效形式,塑料模是用于成型塑料制品的模具。,塑料模,注射模,压缩模,挤出模,气动成型模,塑料模按成型固化不同可分为：,压注模,根据成型方法的不同，塑料模可分为：,塑料模,热固性成型塑料模,热塑性成型塑料模,热固性塑料模工作温度为150250，工作压力约为20008000MPa，物料以固体粉末状态或预制坯料状态进入模具型腔。受力大、易磨损、受热、有时腐蚀。,热塑性塑料模工作温度为150250，工作压力约为20006000MPa，物料以粘流状态进入模具型腔。受压、易磨损、受热、有时腐蚀，但不严重。,主要的失效形式是磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失效、断裂失效、疲劳失效及热疲劳失效等。,1.失效与使用寿命的概念,2.失效形式与机理,本节重点,
