模具失效的原因及预防措施

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模具失效的原因及预防措施


[摘要]叙述了模具失效的几种基本形式，分析了其原因和防范措施。
关键词 模具失效 塑性变形 磨损 疲劳 断裂

1 前言
模具在生产应用过程中，经常发生各种不同情况的失效，浪费大量的人力、物力，影响了生产进度。以下主要讲述模具的几种基本失效形式及失效的原因以及预防措施。
2 模具失效
冷热模具在服役中失效的基本形式可分为：塑性变形；磨损；疲劳；断裂。
(1)塑性变形。
塑性变形即承受负荷大于屈服强度而产生的变形。如凹模出现型腔塌陷、型孔扩大、棱角倒塌陷以及凸模出现镦粗、纵向弯曲等。尤其热作模具，其工作表面与高温材料接触，使型腔表面温度往往超过热作模具钢的回火温度，型槽内壁由于软化而被压塌或压堆。低淬透性的钢种用作冷镦模时，模具在淬火加热后，对内孔进行喷水冷却产生一个硬化层。模具在使用时，如冷镦力过大，硬化层下面的基底抗压屈服强度不高，模具孔腔便被压塌。模具钢的屈服强度一般随碳(c)的含量从某些合金元素的增多而升高，在硬度相同的情况下，不同化学成分的钢具有的抗压强度不同，当钢硬度为63HRC时，下列4种钢的抗屈服强度由高到低依次顺序为：W18Cr4V>Cr12>Cr6WV>5CrNiW。
(2)磨损失效。
磨损失效是指刃门钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落粘膜(在摩擦中模具工作表而粘了些坯料金属)。另外，凸模在工作中，由于润滑剂燃烧后转化为高压气体，对凸模表面进行剧烈冲刷，形成气蚀。
冷冲时，如果负荷不大，磨损类型主要为氧化，磨损也可为某种程度的咬合磨损，当刃口部分变钝或冲压负荷较大时，咬合磨损的情况会变得严重，而使磨损加快，模具钢的耐磨性不仅取决于其硬度，还决定于碳化物的性质、大小、分布和数量，在模具钢中，目前高速钢和高铬钢的耐磨性较高。但在钢中存在有严重的碳化物偏析或大颗粒的碳化物情况下，这些碳化物易剥落，而引起磨粒磨损，使磨损加快。较轻冷作模具钢(薄板冲裁、拉伸、弯曲等)的冲击，载荷不大，主要为静磨损。在静磨损条件下，模具钢的含碳量多，耐磨性就大。在冲击磨损条件下(如冷镦、冷挤、热锻等)，模具钢中过多的碳化物无助于提高耐磨性，反而因冲击磨粒磨损，而降低耐磨性。
研究表明，在冲击磨粒磨损条件下，模具钢含碳量以O.6％为上限，冷镦模在冲击载荷条件下工作，如模具钢中碳化物过多，容易固冲击磨损而山现表面剥落。这些剥落的硬粒子将成为磨粒，加快磨损速度。热作模具的型腔表面，由于高温软化而使耐磨性降低，此外，氧化铁皮也起到磨料的作用，同时还有高温氧化腐蚀作用。
(3)疲劳失效。
疲劳失效的特征：模具某些部位经过一定的服役期，萌生了细小的裂纹，并逐渐向纵深扩展，扩展到一定尺寸时，严重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部位，特别是应力集中部位(尺寸过渡、缺口、刀痕、磨损裂纹等处)，疲劳断裂时断门分两部分，一部分为疲劳裂纹发展形成的疲劳处破裂断面，呈现贝壳状，疲劳源位于贝壳顶点。另一部分为突然断裂，呈现不平整粗糙断面。
使模具发生疲劳损伤的根本原因为特环载荷，凡可促使表面拉应力增大的因素均能加速疲劳裂纹的萌生。
冷作模具在高硬状态下工作时，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产生，但低的断裂韧性使疲劳裂纹的扩展速率加快和临界长度减小，使疲劳裂纹扩展循环数大大缩短，因此，冷作模具疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹萌生时间。
热作模具一般在中等或较低的硬度状态下服役，模具断裂韧性比冷作模具高得多，因此，在热作模具中，疲劳裂纹的扩展速度低于冷作模具，临界长度大于冷作模，热作模具疲劳裂纹的亚临界扩展周期较冷作模长得多，但热作模具表面受急冷，急热很易萌生冷热疲劳裂纹，热作模具的疲劳裂纹萌生时间比冷作模短得多，因此，许多热作模其疲劳断裂寿命主要取决于疲劳裂纹扩展的时间。
(4)断裂失效。
断裂失效常见形式有：崩刃、脶齿、劈裂、折断、胀裂等，不同模具断裂的驱动力不同。冷作模具、所受的主要为机械作用力(冲压力)。热作模所受除机械力外，还有热应力和组织应力，有许多热作模具的工作温度较高，又采用强制冷却，其内应力可远远超过机械应力，因此，许多热作模的断裂主要与内应力过大有关。
模具断裂过程有两种：一次性断裂和疲劳断裂。一次性断裂为模具有时在冲压时突然断裂，裂纹一旦萌生，后即失稳、扩展。它的主要原因为严重超载或模具材料严重脆化(如过热、回火不足、严重应力集十及严重的冶金缺陷等)。
3 模具失效原因及预防措施
(1)结构设计不合理引起失效。
尖锐转角(此处应力集中高于平均应力十倍以上)和过大的截面变化造成应力集中，常常成为许多模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程中，尖锐转角引起残余拉应力，缩短模具寿命。
预防措施：凸模各部的过渡应平缓圆滑，任何役小的刀痕都会引起强烈的应力集中，其直径与长度应符合—定要求。
(2)模具材料品质差引起的失效。
模具材料内部缺陷，如疏松、缩孔、夹杂成份偏析、碳化物分布不均、原表面缺陷(如氧化、脱碳、折叠、疤痕等)影响钢材性能，
a．夹杂物过多引起失效。
钢中存在夹杂物足模具内部产生裂纹的根源，尤其是脆性氧化物和硅酸盐等，在热压力加工中不发生塑性变形，只会引起脆性的破裂而形成微裂纹。在以后的热处理和使用中访裂纹进一步扩展，而引起模具的开裂。此外，在磨削中，由于大颗粒夹杂物剥落造成表面孔洞。
b．表面脱碳引起失效。
模具钢在热压力加工和退火时，常常由于加热温度过高，保温时间过长，而造成钢材表面脱碳，严重脱碳的钢材在机械加工后，有时仍残留有脱碳层，这样在淬火时，由于内外层组织的不同(表面脱碳层为铁索体，内部为珠光体)造成组织转变不一致，而产生裂纹。
c．碳化物分布不匀，引起失效。
Crl2、Cr112MoV等模具钢含碳量和合金元素较高，形成了许多共晶碳化物，这些碳化物在锻造比较小时，易呈现带状和网状偏析，导致淬火时常出现沿带状碳化物分布的裂纹，模具在使用中裂纹进一步扩展，而造成模具开裂失效。
预防措施：钢在缎轧时，模具应反复多方向锻造，从而钢中的共晶碳化物击碎得更细小均匀，保证钢碳化物不均匀度级别要求。
(3)模具的机加上不当。
a 切削中的刀痕：模具的型腔部位或凸模的圆角部位在机加工中，常常因进刀太探而使局部留下刀痕，造成严重应力集中，当进行淬火处理时，应山集中部位极易产生微裂纹。
预防措施：在零件粗加工的最后一道切削中，应尽量减少进刀量，提高模具表面光洁度。
b 电加工引起失效。模具在进行电加工时，由于放电产生大量的热，将使模具被加工部位加热到很高温度，使组织发生变化，形成所谓的电加工异常层，在异常层表面由于高温发生熔融，然后很快地凝固，该层在显微镜下呈白色，内部有许多微细的裂纹，白色层下的区域发生淬火，叫淬火层，再往里由于热影响减弱，温度不高，只发生回火，称回火层。测定断面硬度分布：熔融再凝固层，硬度很高，达610~740HRC，厚度为30μm，淬火层硬度400~500HRC，厚为20μm。回火属高温回火，组织较软，硬度为380—400HRC，厚为10μm。
预防措施：①用机械方法去除开常层中的再凝固层，尤其是微观裂纹；②在电加工后进行一次低温回火，使异常层稳定化，以防微裂纹扩展。
c磨削加工造成失效。模具型腔面进行磨削加工时，由于磨削速度过大，砂轮粒度过细或冷却条件差等因素影响，均会导致磨削表曲过热或引起表面软化，硬度降低，使模具在使用中因磨损严重，或热应力而产生 磨削裂纹，导致早期失效。
预防措施：①采用切削力强的粗砂轮或粘结性差的砂轮；②减少工件进给量；③选用合适的冷却剂；④磨削加工后采用250~350℃回火，以除磨削应力。
(4)模具热处理工艺不合适。
加热温度的高低、保温时间长短、冷却速度快慢等热处理工艺参数选择不当，都将成为模具失效因素。
a．加热速度：模具钢中含有较多的碳和合命元素，导热性差，因此，加热速度不能太快，应缓慢进行，防止模具发生变形和开裂。在空气炉中加热淬火时，为防止氧化和脱碳，采用装箱保护加热，此时升温速度不宜过快，而透热也应较慢。这样，不会产生大的热应力，比较安全。若模具加热速度快，透热快，模具内外产生很大的热应力。如果控制不当，很容易产生变形或裂纹，必须采用预热或减慢升温加速度来预防。
b．氧化和脱碳的影响。模具淬火是在高温度下进行的，如不严格控制，表曲很易氧化和脱碳。另外，模具表面脱碳后，由于内外层组织差异、冷却中出现较大的组织应力、导致淬火裂纹。
预防措施：可采用装箱保护处理，箱内填充防氧化和脱碳的填充材料。
(1)冷却条件的影响。
不同模具材料，据所要求的组织状态、冷却速度是不同的。对高合金钢，由于含较多合金元素，淬透性较高，可以采用油冷、空冷甚至等温淬火和等级淬火等热处理工艺。

沸水

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