1、模具失效與防護(hù),模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)課程,2008年五月,緒論,一、模具在生產(chǎn)中的作用及國(guó)內(nèi)外制造概況 1.模具在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的作用,1）模具是制品成形的一種重要工藝裝備。 2）模具是利用壓力加工實(shí)現(xiàn)少無切削工藝的關(guān)鍵。 3）模具質(zhì)量影響到壓力加工技術(shù)水平的高低。 4）模具的制造水平還是影響成形工藝所采用的自動(dòng)化等先進(jìn)設(shè)備能否發(fā)揮優(yōu)越性的重要因素。,2.國(guó)內(nèi)外模具制造的現(xiàn)狀和趨勢(shì) 1）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)劇烈。 2）對(duì)模具的要求提高了。 3）逐漸實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、商品化。 4）我國(guó)逐漸發(fā)展成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。,與國(guó)外的差距： a.標(biāo)準(zhǔn)化程度低； b.模具品種少、 效率低； c.模具制造精度低、周期長(zhǎng)

2、； d.模具壽命短、材料利用率低； e.技術(shù)力量落后，管理水平較差。,二、模具成形工藝及分類 1.模具成形工藝 鍛、軋、沖、鐓、擠、彎、旋、拉、拔等多種形式。,2.模具的分類 1）按模具所加工材料的再結(jié)晶溫度分 a.冷變形模具 變形在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行。 b.熱變形模具 變形在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行。 c.溫變形模具 變形在冷、熱變形之間。,2）按模具加工坯料的工作溫度分 a.熱作模具 高溫下進(jìn)行加工。 b.冷作模具 常溫下進(jìn)行加工。 c.溫作模具 介于以上二者之間。 3）按模具成形的材料分 a.金屬成形用模具。 b.非金屬成形用模具。 4）按模具的用途分 鍛造模具、沖壓模具、擠壓模具、拉拔模具、

3、壓鑄模具、塑料模具、橡膠模具、陶瓷模具、玻璃模具、其他模具等。,模具常用分類方法：,三、模具壽命概況及本課程的任務(wù) 1.模具壽命的基本本概念 1）高質(zhì)量、壽命長(zhǎng)的模具，能影響模具的成本和工作量等。 2）模具壽命關(guān)系到少、無切削工藝的推廣應(yīng)用。 3）模具的壽命影響到一些先進(jìn)高效率、多工位壓力加工設(shè)備正常效能的發(fā)揮。 4）模具壽命影響到模具鋼的消耗。 5）提高模具壽命，實(shí)質(zhì)上意味著和模具失效作斗爭(zhēng)。,2.國(guó)內(nèi)外模具壽命概況 國(guó)內(nèi)外模具壽命比較：,我國(guó)的模具壽命只相當(dāng)于工業(yè)先進(jìn)國(guó)家的1/51/3。,3.本課程的性質(zhì)與任務(wù) 模具失效與防護(hù)是模具專業(yè)的一門專業(yè)課。本課程的任務(wù)是使學(xué)生了解模具失效的基本知

4、識(shí)，能初步分析常用模具的失效原因，提出相應(yīng)的技術(shù)要求，提高合理選用模具材料和恰當(dāng)安排模具處理工藝的能力。,本課程是一門新的跨學(xué)科的綜合技術(shù)，又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的實(shí)用技術(shù)，要求學(xué)生具有一定的力學(xué)基礎(chǔ)、材料學(xué)基礎(chǔ)和模具設(shè)計(jì)、制造的專業(yè)知識(shí)。,第一章 模具失效的基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié) 失效和失效分析 一、失效與損傷,模具壽命特性曲線,早期失效：模具設(shè)計(jì)和制造的缺陷。 隨機(jī)失效：環(huán)境、操作者及管理的因素。 耗損失效：到了模具壽命的終止期。,二、失效的分類,按失效形式及失效機(jī)理分：,（1）過量變形：過量彈性變形、塑性變形。 （2）斷裂：韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂。 （3）表面損傷：磨

5、損、接觸疲勞、腐蝕。,三、失效分析 （一）失效分析的任務(wù),失效原因的分析和防護(hù)措施的提出，可從以下幾方面入手： （1）合理選材 （2）合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）合理加工與裝配 （4）合理使用與保養(yǎng) （5）嚴(yán)格質(zhì)量控制 （6）表面強(qiáng)化,（二）失效分析的方法和步驟以斷裂為例 1.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和模具斷裂件的處理 2.模具制造工藝和服役歷史的調(diào)查及質(zhì)量檢驗(yàn) 3.模具工作條件和斷裂狀況分析 4.斷口分析 5.斷裂原因的判定 6.提出防護(hù)措施,第二節(jié) 模具的工作條件及失效形式 模具的失效形式主要有：塑性變形、磨損、斷裂和冷熱疲勞等。,一、冷作模具的工作條件及失效形式 （1）冷沖裁模,冷沖裁過程示意圖 a）彈性變形階

6、段 b）塑性變形階段 c）剪裂階段,比值d/t與模具壽命的關(guān)系,設(shè)沖頭工作部分的直徑為d，板料厚度為t，則比值d/t越小，沖頭受力越大，其壽命就越低。,冷沖裁模磨損過程三階段,冷沖裁模刃口損傷過程示意圖 a)局部塑變 b)摩擦磨損 c）疲勞損壞,模具刃口在壓力和摩擦力的作用下，最常見的失效形式是磨損。,薄板沖裁模（t1.5mm），受力較小，主要失效形式是磨損。 厚板沖裁模（t 1.5mm）受力較大，其失效形式除了磨損外，還可能發(fā)生局部斷裂（崩刃）。,冷作模具局部斷裂示意圖,（二）冷擠壓模和冷鐓模 1.冷擠壓模,冷擠壓工藝分類示意圖 a）正擠壓 b）反擠壓 c）復(fù)合擠壓,在模具的作用下，金屬沿凸

7、、凹模間隙或凹模?？诹鲃?dòng)，使原來的坯料成形為薄壁空心件或橫截面較小的成品、半成品。,以擠壓活塞銷的正、反復(fù)合擠壓工藝為例，擠壓在1600KN壓力機(jī)上進(jìn)行。,冷擠壓活塞銷示意圖,沖頭的塑性變形和整體斷裂 a）彎曲 b）鐓粗 c）折斷 d）劈裂,冷擠壓凹模受力狀況分析：,凹模筒壁內(nèi)的應(yīng)力分布,凹模內(nèi)壁的應(yīng)力最大，且處于二向應(yīng)力狀態(tài)。,在凹模筒內(nèi)壁，拉應(yīng)力t和壓應(yīng)力r的數(shù)值，均為最大值，即,凹模的脹裂和塑性變形 a）?？诿浟?b）模口脹大,采用抗拉強(qiáng)度較低的脆性材料制造凹模，在tmax的作用下易發(fā)生脹裂； 采用抗壓強(qiáng)度較低的韌性材料制造凹模，在rmax的作用下易發(fā)生塑性變形。,失效形式：,2.冷鐓鍛

8、模 最常見的失效形式是磨損和疲勞斷裂。還可能產(chǎn)生?？诿洿?、棱角堆塌、腔壁脹裂等。,（三）冷拉深模 冷拉深模主要用于板材的冷拉伸成形。工作時(shí)的沖擊較小，型腔表面主要承受板材變形的劇烈磨擦。 失效形式：磨粒磨損和粘著磨損。,二、熱作模具的工作條件及失效形式 （一）錘鍛模 1.錘鍛模的工作原理及工作條件 工作原理：,錘上模鍛 1上模 2坯料 3下模 4鍛件,高溫坯料2放在下模3上，錘頭與上模1快速下行，打擊坯料2，迫使坯料與模具發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。,工作條件： （1）模具的受力 （2）模具的受熱 t = 0.38t1 + 0.62t2,（3）模具的冷卻：用冷空氣、水、油或在型腔表面涂抹潤(rùn)滑油。 （4）型腔

9、表面摩擦：坯料在模具型腔中熱塑變流動(dòng)產(chǎn)生。,2.錘鍛模的基本失效形式 （1）模具型腔部分的斷裂 a）早期脆斷： 斷口宏觀形貌特征：從斷裂源開始，裂紋呈人字花紋向外擴(kuò)展。 b）機(jī)械疲勞斷裂： 特征：所受沖擊力大，周次小，是較大沖擊能量的沖擊疲勞。 斷口特征：一般疲勞斷口的特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)較小。,（2）型腔表面的熱疲勞 熱疲勞：溫度循環(huán)變化熱應(yīng)力循環(huán)變化疲勞破壞。,放大鏡下的網(wǎng)狀熱疲勞裂紋,氧化膜破裂侵蝕溝形成示意圖,（3）型腔表面磨損： （4）模具型腔的塑性變形：常發(fā)生于受力大且溫升高的部位。 溫度升高s下降，當(dāng)s時(shí)塑變。,（5）模具燕尾開裂：,錘鍛模的失效形式與部位 1磨損 2塑變 3裂紋或開

10、裂,失效部位：水平面和凸臺(tái)易發(fā)生塑變，側(cè)面易出現(xiàn)磨損，型腔深處及燕尾的凹圓角半徑處易萌生裂紋，導(dǎo)致斷裂。,（二）熱擠壓膜 1.熱擠壓模的工作條件,2.熱擠壓模的失效形式 早期脆斷，疲勞斷裂，熱疲勞，型腔堆塌和磨損等。,（三）熱沖裁模： 1.工作條件：模具刃口承受擠壓，摩擦，沖擊載荷及熱負(fù)荷等。 2.失效形式：熱磨損，崩刃和斷裂。,（四）壓力鑄造模 1.工作條件 承受壓力、沖刷、侵蝕、高溫作用及頻繁的急冷、急熱作用。,2.失效形式 壓鑄鋅合金時(shí)，壓鑄模型腔表面T400C熱負(fù)荷小，模具工作壽命較長(zhǎng)。 壓鑄鋁合金時(shí)，失效形式主要是粘模、侵蝕、熱疲勞和磨損。 壓鑄銅合金時(shí)，失效形式主要是熱疲勞龜裂。

11、壓鑄鐵合金時(shí)，型腔表面氧化、腐蝕嚴(yán)重，加之更易產(chǎn)生塑變和熱裂，模具的壽命極低。,三、塑料模具的工作條件及失效形式 （一）塑料模的工作條件,注塑成形示意圖 14模具 15噴嘴 16料筒 17分流梳18加料斗 19注射活塞,工作條件：型腔承受的注射壓力一般為40140MPa，閉模壓力為80300MPa或更高，受熱溫度為140300C。還要承受摩擦和腐蝕的作用。,（二）塑料模具的失效形式 1.型腔表面的磨損和腐蝕,經(jīng)滲碳淬火的純鐵模具壓制不同塑料時(shí)的磨損曲線 1含礦物填料的氨基塑料 2玻璃纖維增強(qiáng)塑料 3增強(qiáng)酚醛樹脂 4普通膠木粉,2.塑性變形,膠木膜局部塑變失效示意圖,3.斷裂：受壓力較大，局部應(yīng)

12、力狀態(tài)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)因素引起應(yīng)力集中。 4.疲勞和熱疲勞：塑料模的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷都是循環(huán)變化的。,第三節(jié) 模具材料的抗失效性能指標(biāo) 一、材料抵抗過量變形失效的性能指標(biāo) （一）彈性變形的抗力指標(biāo)E和G,主要與材料基體原子本身的性質(zhì)有關(guān)，而對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)的變化不敏感。,（二）塑性變形的抗力指標(biāo),模具塑性變形的失效形式 a）塌陷 b）鐓粗 c）彎曲,根本原因：在外加載荷作用下模具整體或局部產(chǎn)生的應(yīng)力值大于模具材料的屈服極限S。,塑性變形抗力指標(biāo)： 1）冷作模具鋼用壓縮試驗(yàn)測(cè)定其壓縮屈服點(diǎn)。 2）熱作模具材料的塑變抗力主要取決于其室溫屈服強(qiáng)度。 3）也可以用其硬度來評(píng)價(jià)材料的塑變抗力。,二、材料抵抗斷裂

13、失效的性能指標(biāo) （一）快速斷裂失效的抗力指標(biāo) 1.斷裂的類型和方式 （1）斷裂類型：韌性斷裂和脆性斷裂。,（2）斷裂方式：正斷和切斷 材料斷裂的三種情況： 1）當(dāng)maxSk,而自始至終maxs時(shí)，材料發(fā)生正斷，是脆性斷裂。 2）先使max s，繼而使max k，而自始至終maxSk，材料發(fā)生切斷，使韌斷。 3）先使max s，繼而使maxSk,然而max k時(shí)，材料發(fā)生正斷，是韌斷。,（3）斷裂形式穿晶斷裂和晶界斷裂,晶間斷口的微觀形貌,韌窩斷口的掃描電鏡照片,斷口微觀形貌呈“冰糖塊”。,韌性穿晶斷裂斷口的微觀形貌呈韌窩狀。,解理斷口上的河流花樣,河流花樣形成示意圖,脆性穿晶斷裂： 解理斷裂斷

14、口的微觀形貌特征是由若干解理臺(tái)階相匯合形成的“河流花樣”。,根據(jù)河流支流合并為主流的方向，可以確定裂紋在微觀區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展的方向。,準(zhǔn)解理斷裂過程示意圖 a）形成解理裂紋 b）裂紋長(zhǎng)大 c）通過塑性撕裂形成撕裂棱,準(zhǔn)解理微觀斷口,斷口的微觀形貌特征：在準(zhǔn)解理小平面內(nèi)有向四周放射的河流花樣，小平面間存在大量短而彎曲的撕裂棱。,2.影響脆性斷裂的基本因素 （1）材料的性質(zhì)和健全度 影響因素：原子間的鍵合強(qiáng)度，健全度，各薄弱相相遇幾率。,稱為應(yīng)力狀態(tài)的軟性系數(shù)。 值越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料發(fā)生韌斷的傾向越大；反之，應(yīng)力狀態(tài)就越硬，材料傾向于脆性斷裂。,（2）應(yīng)力狀態(tài),（3）工作溫度,溫度對(duì)s和Sk的

15、影響示意圖,（4）加載速度 隨著加載速度的增加， s升高，而Sk變化不大，因而當(dāng)VVc時(shí)，材料處于脆性狀態(tài)。,當(dāng)TSk，這時(shí)材料處于脆性狀態(tài)。 影響因素：成分、純潔度、晶格類型、晶粒大小和組織狀態(tài)。,3.無裂紋材料的斷裂抗力 模具斷裂失效方式：脆斷多，韌斷少。 原因：1）韌斷前要產(chǎn)生塑變，模具尚未達(dá)到斷裂就以塑變而 失效；2）多數(shù)模具材料的k較高而Sk較低，它們?cè)谳^軟的應(yīng)力 狀態(tài)下不易發(fā)生韌斷，而在較硬的應(yīng)力狀態(tài)下易發(fā)生脆斷。,4.含裂紋材料的斷裂抗力,三種基本裂紋形式,斷口受力示意圖,以張開型裂紋為例：,當(dāng)K1=K1C時(shí)，,當(dāng)C時(shí)，就使裂紋前沿的K1K1C，模具材料便發(fā)生快速斷裂。,材料的斷

16、裂韌度K1C：表示材料所能承受的裂紋前沿的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子值，又稱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。,5.材料對(duì)應(yīng)力腐蝕延遲斷裂的抗力,被氧化物覆蓋的金屬的SCC示意圖 1氧化物層； 2酸性溶液； 3晶界或滑移面； 4金屬； F拉應(yīng)力,腐蝕電池： 陽(yáng)極：MeMe+ + e 陰極：O2+ 4H+ + 4e2H2O,（二）疲勞斷裂失效的抗力指標(biāo) 1.疲勞的基本概念,正弦波循環(huán)應(yīng)力及其參數(shù),循環(huán)應(yīng)力多種多樣，表現(xiàn)在它的波形、對(duì)稱性、隨時(shí)間的變化規(guī)律各有不同。,m為循環(huán)應(yīng)力的靜載分量， a為交變分量。 當(dāng)R1時(shí)，maxmin，其應(yīng)力循環(huán)是對(duì)稱的； 當(dāng)R1時(shí)，則為不對(duì)稱循環(huán)； 若不對(duì)稱循環(huán)的R0，則min0，稱之為脈動(dòng)

17、循環(huán)。,它們之間的關(guān)系為：,疲勞斷裂的特點(diǎn)： 1）失效抗力低。 2）突然斷裂。 3）對(duì)缺陷高度敏感。 4）塑性變形的高度局部性和不均勻性。 5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散。 6）疲勞斷口有明顯特征。,疲勞斷口示意圖,2.疲勞曲線和疲勞極限,鋼和有色金屬的N曲線,max越大，Nf越小； max越小，Nf越大。,疲勞極限：當(dāng)max低于一定值時(shí)，試樣可以無限次運(yùn)轉(zhuǎn)而不發(fā)生斷裂，這個(gè)一定值稱為疲勞極限。用1表示。,3.疲勞極限1和靜強(qiáng)度的關(guān)系 1）對(duì)b1300MPa（硬度約小于40HRC）的鋼， 10.5 b； 2）對(duì)b1300MPa的鋼，11600MPa （硬度約大于48HRC）的鋼： 10.25（11.35)

18、b。,4.材料在其它循環(huán)應(yīng)力下的疲勞極限 （1）不同循環(huán)應(yīng)力特性下的疲勞極限 max=m+a,當(dāng)max不變，且a0（拉應(yīng)力）時(shí)， a與R的關(guān)系：,當(dāng)R1時(shí)， m0， a達(dá)最大， a max； 隨著R值增大， a逐漸減小； 當(dāng)R1時(shí)， a 0， m max。,（2）不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限 經(jīng)驗(yàn)表明，彎曲疲勞極限1和拉壓疲勞極限1 p、扭轉(zhuǎn)疲勞極-1限間存在下列近似關(guān)系：,對(duì)同一材料，不同應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞極限有： 11 p-1。,5.材料的低周疲勞及其抗力,幾種材料的低周疲勞曲線,低周疲勞曲線： pNf 對(duì)于同一種材料，p越小，Nf越高；對(duì)于不同材料，塑性越高，對(duì)塑性應(yīng)變循環(huán)的耐受性越好，低周疲

19、勞壽命也越高。,6.影響疲勞強(qiáng)度的因素 （1）應(yīng)力集中的影響 （2）表面狀態(tài)的影響 （3）尺寸因素的影響 （4）材料本身的影響,7.材料在其他條件下的疲勞及其抗力 （1）沖擊疲勞 在沖擊載荷的多次作用下所發(fā)生的疲勞破壞稱為沖擊疲勞。,在材料內(nèi)部產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力水平不僅與材料的最小截面有關(guān)，而且與材料的整體尺寸和柔度有關(guān)。整體柔度增大，沖擊應(yīng)力減?。徽w剛度增大，沖擊應(yīng)力增大。,（2）熱疲勞 循環(huán)熱應(yīng)力：,（3）腐蝕疲勞,特點(diǎn)： 1）不需要特定的介質(zhì)。 2）即使KmaxKISCC,仍會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞開裂。,3）曲線無水平部分。 4）條件腐蝕疲勞極限和強(qiáng)度之間不存在比例關(guān)系。 5）頻率越低，腐蝕疲勞極限和壽命也越低。 6）有多個(gè)疲勞源，有特殊的多齒狀宏觀斷口特征，并有腐蝕產(chǎn)物存在。,純機(jī)械疲勞和腐蝕疲勞的 N曲線,三、材料抵抗表面損傷失效的性能指標(biāo) （一）磨粒磨損及材料的耐磨性 機(jī)理：,磨粒磨損機(jī)理模型,磨粒磨損： 第一階段，磨粒壓入金屬表面。 第二階段，磨粒與金屬表面的相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)。,低應(yīng)力磨損：摩擦副之間的壓力不超過磨粒的破壞強(qiáng)度。要求材料有高硬度和耐磨性。 高應(yīng)力磨損：多發(fā)生在摩擦表面承受高能量沖擊載荷時(shí)，其應(yīng)力很高，足以將磨粒打碎，并使材料表面層產(chǎn)生小量塑性變形。要求材料加工硬化后硬度高，基體保持良好塑性。,磨粒耕犁與犁皺模型,（二）粘著（咬合）磨損及