冷挤压模的工作条件及失效形式

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1、三. 冷挤压模的工作条件及失效形式1. 冷挤压模的工作条件冷挤压模具工作时，将大截面的坯料挤压为小截面的工件，坯料受到强烈的三向压应力 作用，发生剧烈的塑性流动，由于被挤压材料的变形抗力较高，如钢的冷挤压，其变形抗力 高达 1960MPa 以上，使模具承受强大的挤压反作用力和摩擦力。摩擦功和变形功转化成热能， 使模具表面升温达300r左右（局部可达300r以上）。此外，每一次挤压过程都是在很短的瞬 间完成的，从而使模具在工作时温度升高，不工作时温度又下降，就是说模具还承受着冷热 交变温度和多次冲击负载的作用。如此严酷的工作条件，使得冷挤压模具的使用寿命比其它 模具要低。2. 冷挤压模的主要失效

2、形式冷挤压模具的凸、凹模由于受力状况有所不同，所以失效形式有所差异，一般凸模易于 折断，凹模易于胀裂。冷挤压凸模的失效形式主要有折断、磨损、镦粗、疲劳断裂和纵向开 裂；冷挤压凹模的失效形式主要有胀裂和磨损。冷挤压模具的磨损主要是磨粒磨损和粘附磨损，磨损主要发生在凸模的工作端部和凹模 内壁。模具表面温度的升高可能会使模具材料的表层软化，从而加速磨损失效的过程。冷挤压时，凸模可能在弯曲应力或应力集中的作用下折断，或因脱模时的拉应力拉断。 凸模肩部由于承受很高的压应力和摩擦力，易产生麻点和磨损，成为导致凸模折断的疲劳源。 若凸模选材或热处理不当，在压应力和弯曲应力的作用下，将产生纵向弯曲或镦粗，镦粗

3、一 般发生在距工作端部 1/31/2 凸模工作长度处。一旦发现凸模镦粗，应立即重磨。如果凸模 因抗压强度不够发生镦粗，在工作部位表面会产生拉应力，引起表面纵裂。若继续挤压，裂 纹将扩展并连接起来，造成掉块（凹模表面成片剥落）。若凹模抗拉强度不够，挤压时在切向拉应力的作用下，会产生胀裂（纵向开裂），凹模型 腔变化的部位会发生横向开裂。如果采用预应力组合凹模，长期工作中内层凹模型腔内壁会 因拉、压交变循环的切向应力作用导致疲劳开裂。任何模具，其失效形式并非一成不变。模具在服役过程中，在不同的部位，会承受不同 形式的作用力，可能导致出现多种损伤形式并存的现象。由于模具材料的性能、模具的结构、制造工艺

4、、压力加工设备的特性和加工操作方法的 不同，各种损伤形式的发展速度有很大的差异，多种损伤形式的相互促进会加速模具的失效。 因此，同样的模具可能会导致完全不同的失效形式和服役寿命。对模具进行失效分析，不仅要查明其失效形式、失效原因及影响因素，还应当了解其它 可能导致损伤的原因及影响因素，掌握全面的情况。在克服某一种失效形式时，还要防止其 它损伤的发展，以确保和延长模具的服役期限。11.1.2 影响冲压模具寿命的因素及提高冲模寿命的措施. 影响冲压模具寿命的因素模具因磨损或其它形式失效，不可修复而报废之前所加工的产品件数，称为模具的使用 寿命。为了提高冲压模具的寿命，必须对已失效的模具进行分析，了

5、解和掌握失效的原因和 影响模具寿命的主要因素。1. 模具材料的影响(1) 模具材料性能的影响 各种模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断 裂抗力、冷热疲劳抗力等性能均有所不同，材料的性能必须满足模具的具体使用要求，否则 将导致模具的早期失效。如模具工作在循环载荷下时，使用疲劳抗力差的材料将会萌生疲劳 裂纹，裂纹的不断扩展将引起模具的断裂失效。(2) 模具钢材冶金质量的影响 若钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物，则容易形成 裂纹源，引起模具早期断裂失效。当钢中的碳化物过多，形成网状、大块状或带状偏析时， 将严重降低钢的冲击韧度及断裂抗力，引起模具的早期断裂、崩块及开裂等。钢材中存在

6、中 心疏松和白点，会降低模具的抗压强度，使模具淬火开裂及工作表面凹陷。2. 模具结构的影响(1) 模具几何形状的影响 模具的几何形状对成形过程中坯料的流动和成形力产生很大 的影响，从而影响模具的寿命。如图11-8所示为三种形状的反挤压凸模其中a、b两种结构 的凸模比c结构的凸模降低挤压力20%,但a、b两种结构的凸模端面倾斜角不能过大，否则 虽然降低了挤压力，但凸模容易因挤偏受到弯曲应力而折断。a)整体式b)组合式图 11.1.4 挤压凸模结构形式(2) 模具间隙的影响 模具的凸凹模工作间隙不仅影响工件的质量，还影响模具的寿命。 例如拉深模的间隙过小将增加摩擦阻力，易擦伤工件表面，并增大了模具

7、的磨损。冲裁模的 间隙过小会加剧凸凹模的磨损，降低模具的使用寿命。(3) 结构形式的影响 模具的结构形式不合理将导致应力集中而断裂失效。如图 11-9a 所示为正挤压空心工件的整体凸模，挤压时极易在心轴根部产生应力集中而折断。改为图 11-9b 所示组合式，消除了应力集中，可以防止模具的早期断裂失效。3. 模具制造工艺的影响(1) 锻造工艺的影响 如果锻造工艺不合理，会降低钢材的性能，造成锻造缺陷，形成导 致模具早期失效的隐患。常见的锻件表面缺陷有裂纹、折叠、凹坑等，内部缺陷有组织偏析、流线分布不合理、疏松、过热、过烧等。锻造时镦击力过大，变形量过大，易产生裂纹。加热不均，温度过高会产生材料晶

8、粒粗 大的过热现象、或导致晶界熔化和氧化的过烧现象。停锻后冷却速度过快容易开裂，特别是 高碳高合金钢，锻造温度范围较窄，操作不当极易开裂。锻造不充分会产生组织应力，热处 理时也易发生变形开裂。若模具材料中的非金属夹杂物锻压后，流线分布走向与凸模轴线垂 直，则可能引起横向折断；如果分布走向与轴线平行，则可能发生纵向劈裂。(2) 加工工艺的影响 切削加工时没有彻底去除材料表面脱碳层，将会降低模具的表面硬 度，加剧了模具磨裂及淬裂的倾向。切削的表面粗糙、尺寸连接处不光滑，或留有尖角和加 工刀痕，将萌生疲劳裂纹，造成模具疲劳失效。磨削加工时进给量过大、冷却不足则容易产 生磨削裂纹和磨削烧伤，减低模具的

9、疲劳疲劳强度和断裂抗力。电火花成形及线切割加工， 会使模具表面产生拉应力和显微裂纹，导致表面剥落和早期开裂。若材料淬火后的内应力很 高，电火花加工时应力会重新分布，引起模具变形或开裂。(3) 热处理工艺的影响 模具淬火加热时温度过高，容易造成模具的过热、过烧，冲击韧 度下降，导致早期断裂。如果淬火温度过低，会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力，容易 造成模具的塑性变形、磨损失效。淬火加热时不注意采取保护措施，会使模具表面氧化和脱 碳，脱碳将造成淬火软点或软区，降低模具的耐磨性、疲劳强度和抗咬合能力，影响其使用 寿命。淬火冷却速度过快或油温过低，模具容易产生淬火裂纹。如果回火温度太低，而且不 够充

10、分，将无法消除淬火过程中的残余应力使模具的韧性降低，容易发生早期断裂。4. 模具工作条件和使用维护的影响(1) 被加工材料的影响 被加工材质的不同、厚度的不同对模具寿命有很大的影响。被加 工材料的强度越高、厚度越大，模具承受的力也越大，模具的寿命相对较低若被加工材质与 模具材料的亲和力大，在冲压成形过程中会和模具发生粘附磨损，降低模具的寿命。如用 Crl2MoV钢制作拉深模，拉深镍基合金钢板时，极易产生粘附咬合及拉毛现象，改用GT35钢 结硬质合金制作拉深凹模，粘附咬合倾向大为减轻，提高了模具的寿命。被加工材料的表面状态，对模具的磨损也有很大的影响。采用表面没有氧化黑皮、脱碳 层，仅有极薄的氧

11、化膜或磷化膜的坯料，对模具冲压最为有利。如用 T10A 钢为工作部件制造 的冲裁模，冲裁表面光亮的薄钢板时，每刃磨一次可冲3万件，冲裁同等厚度的热轧钢板时， 由于表面有氧化黑皮，每次刃磨只能冲裁1.7 万件左右。(2) 冲压设备特性的影响 冲压设备的刚度和精度对模具的寿命影响极大。开式压力机为 C 型框架，刚度较差。在冲压力的作用下易产生变形，造成上、下模中心线不重合，模具工 作间隙不均，甚至啃刃、崩刃。此外，冲裁过程结束的瞬间，载荷急速锐减，压力机在冲压 过程中积聚的变形能量突然释放，造成上、下模间的冲击振动，即所谓“失重插入”现象， 这也加剧了模具的磨损。因此，精密冲裁或使用硬质合金冲裁模

12、具时，最好采用刚度较好， 精度高的闭式压力机。(3) 润滑条件的影响 良好的润滑条件可以有效降低摩擦力、摩擦热和冲压力，减少模具 的磨损，显著提高模具的使用寿命。如冲裁硅钢片时，采用润滑的模具寿命大约是无润滑模 具的 10 倍。使用的润滑剂和润滑方式是否适当，对模具的使用寿命影响很大。如不锈钢表壳 挤光模，工作时采用机油润滑，模具寿命只有80 件；改用二硫化钼配制润滑剂，使用寿命可 达1 万件。二.提高冲模寿命的措施对于拉深模，粘附磨损是拉深模具失效的重要原因，一般粘附易发生在性质相近的材料 之间，所以应根据被拉深材质的不同，选择相应的模具材料，。如果被拉深材料为有色金属， 模具材料可以选用铸

13、铁、钢材和硬质合金；若被拉深材料为黑色金属，则模具材料选用有色 金属、硬质合金以及与其亲和力小的钢铁材料。对于冷挤压模，如果模具承受的单位挤压力很大，则应使用高淬透性的材料如基体钢、 高速钢，否则未淬硬的材料心部会引起模具塑性变形。如果凸模受偏心力较大，则应选用高 强韧性的材料。挤压工件形状复杂、生产批量大或者被挤压坯料强度高，选择硬质合金或钢 结硬质合金可以提高模具的寿命。冷镦模在选材上，应注意钢的原始组织和化学成分，钢材不应有原始组织缺陷，如偏析、 夹杂和少量缩孔等。在高负荷条件下工作的冷镦模，模具用钢要有较高的纯度，硫、磷含量 要严格控制。一般钢材含碳量在0.80.9%韧性较好，含碳量在

14、0.951.05%为硬韧，含碳量 在1.051.15%为硬性，大型模具含碳量取下限，小型模具取上限。(1) 合理设计模具在保证冲裁工件质量的前提下，冲裁模具应尽可能选用较大的冲裁间隙，以降低冲裁力， 减小模具的磨损。为了提高凸模的刚度，加强其抗偏载能力，以防止工作时凸模弯曲变形或 折断。一般凸模头部截面积和尾柄部截面积大约分别取为工作端面面积的2 倍和 4 倍，必要 时对凸模进行导向保护。可以采用弹性卸料板，对板料施加一定的压边力，以减少因板料滑 移或翘曲对凸模的作用力。为确保冲压过程中冲裁间隙均匀，避免啃刃和刃口的不均匀磨损， 可选用精确的模具导向装置，例如使用滚珠导柱导套。拉深模的凸、凹模

15、间隙设计要合理：间隙过小，摩擦阻力增大将使模具磨损加剧；间隙 过大，则使制件起皱而加大模具的磨损；间隙不均，在模具工作中会产生不均匀内应力，使 模具的使用寿命下降。模具的工作表面硬度要高，以减少磨损。模具的的表面粗糙度值要低， 同时被拉深板料的表面粗糙度值也要低一些，以减少拉深时的摩擦阻力，有利于拉深件的塑 性成形并提高模具的寿命。冷挤压模具的结构必须有足够的强度、刚度、可靠性和良好的导向性。采用最佳的凸模 形状，条件许可的情况下采用工艺轴，变单纯正挤压或反挤压为复合挤压，以降低单位挤压 力。挤压凸模不易过长，防止纵向弯曲。模具工作部件的过渡部分应设计足够大的圆角半径， 避免尖角过渡产生应力集

16、中现象。凹模易横向开裂部位应采用分割式结构，以消除应力集中。 采用预应力组合凹模结构以防止内层凹模的纵向开裂。采用阶梯式组合凹模比同尺寸的平口 组合凹模具有更大的承受径向内压力的能力。在冷镦模的凹模入口处，尽量设置足够大的渐变圆角，避免应力集中，并在出模方向上 作出拔模斜度。以利于坯料在型腔内的流动及降低模具的负荷。硬质合金或钢结硬质合金冷 镦模具的硬度高，耐磨性好，生产出来的产品精度高。可以采用硬质合金或钢结硬质合金镶 块的组合式结构，用加套的方法施加预应力，减少或抵消模具受到的冷镦力，以提高模具的 使用寿命。但硬质合金脆性很大，当模具形状复杂并在较高的冲击负荷下工作时，不应采用 硬质合金。提高模具制造加工质量要重视模具钢坯的锻造工艺，消除带状和网状碳化物分布，使流线和冲击力方向垂直。 锻造时为了充分打碎坯料中的碳化物，使其呈弥散状均匀分布，应采用高锻比变向镦拔的方 法。在制造加工过程中，必须严格保