第五章_影響模具壽命的因素

1、Chapter 5 影響模具壽命的因素影響模具壽命的因素主要內(nèi)容主要內(nèi)容影響模具壽命的因素主要包括：模具結構設計、模具工作條件、模具材料、模具的熱加工和冷加工、模具使用狀況等方面的因素。第一節(jié)第一節(jié) 模具結構模具結構一、模具的幾何形狀影響模具壽命的幾何形狀因素主要包括：模具的圓角半徑、凸模端面形狀、凹模錐角和凹模截面變化的大小等。（一）圓角半徑 模具的圓角半徑可分為外（凸）圓角半徑和內(nèi)（凹）圓角半徑。工作部位圓角半徑的大小，不僅對工藝及成型件質量有影響，也對模具的失效形式及壽命產(chǎn)生影響。什么是應力集中？應力集中是指受力構件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應力顯著增大的現(xiàn)象。 應力

2、集中對構件強度的影響 脆性材料對于由脆性材料制成的構件，應力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應力到達強度極限之前。因此，在設計脆性材料構件時，應考慮應力集中的影響。塑性材料對于由塑性材料制成的構件，應力集中對其在靜載荷作用下的強度則幾乎無影響。所以，在研究塑性材料構件的靜強度問題時，通常不考慮應力集中的影響。 采用圓角結構可以獲得良好的工藝效果，同時，也可避免拐角處產(chǎn)生應力集中。 小的凸圓角半徑會使局部受力惡化，在四角半徑處產(chǎn)生較大的應力集中。易萌生裂紋，導致斷裂。大的圓角半徑使模具受力均勻，不易產(chǎn)生裂紋。1.凹模的錐角和截面變化（一）幾何角度冷擠壓凹模的型腔截面變化越小，尺寸過渡越平緩，則擠壓力

3、越小。2.凸模的端面形狀二、模具的結構形式（一）整體式模具與組合式模具整體式模具主要指凹模是由一塊整金屬加工成的模具。不可避免地存在凹角半徑，易造成應力集中，并引起開裂。 組合式模具是把模具在應力集中處分割為兩部分或幾部分，再組合起來使用的模具。采用組合式模具可避免應力集中和裂紋的產(chǎn)生。模具結構的組合方法有多種形式：1.組合凸模結構圖5-9（a）心軸根部容易發(fā)生應力集中2.組合凹模結構V型槽底易于發(fā)生應力集中而斷裂底部R處易于發(fā)生應力集中而斷裂3.預應力鑲套凹模用高強、高韌材料制造凹模體，工作部分采用淬硬的高速鋼或硬質合金等高硬度、高耐磨性材料，通過壓力將工作部分鑲入凹模體成為組合式模具。優(yōu)點

4、：可以滿足型腔表面高耐磨性和整體高強、韌性的要求。采用預應力鑲套，使模具產(chǎn)生預切向壓應力，降低成型過程中的拉應力峰值，可有效提高模具壽命。層數(shù)越高，壽命越高。（二）模具的工作間隙沖裁模凸、凹模的刃口間隙是工作間隙，也叫沖裁間隙，不僅影響沖裁過程和沖裁質量，也影響模具的壽命。工作間隙過小時，沖裁過程中擠壓作用增強，模具承受的壓力和摩擦力增大，從而使凸模、凹模的側面磨損加劇。適當增加間隙，可以減輕不利影響。 設計時要綜合考慮，能夠獲得高質量沖裁斷面的最佳間隙值和保證模具較高壽命的最佳間隙值。（三）模具的結構剛度*1.模具的導向裝置2.凸模剛度設計要點3.塑料模的剛度結構（四）減輕工作載荷 冷擠壓模

5、和冷鐓鍛模等工作中承受較重的靜載荷或沖擊載荷，這些模具的結構設計除了保證結構剛度外，還應特別注意采用減輕工作載荷和減少應力集中的結構，使模具各部分受力盡量均勻，避免局部應力過大而發(fā)生早期失效。沖頭壓力與壽命的關系改變工件形狀和冷擠壓工藝（五）熱作模具結構要點 熱作模具結構設計應注意：1.避免突出尖角2.采用內(nèi)冷結構3.減輕熱-機械載荷模具工作條件包括被加工坯料的狀況，鍛壓設備的特性及工作條件，模具工作中的潤滑、冷卻及使用維護狀況等。這些因素對模具的壽命和失效都會造成影響。第二節(jié)第二節(jié) 模具工作條件模具工作條件一、成型件的材質和成型溫度1.成型件的材質成型件按材質分為金屬材料和非金屬材料。按狀態(tài)

6、分為固體材料和液體材料。非金屬材料、液體材料強度低，所需的成型力小，模具受力小，因此使用壽命長壽命：非金屬金屬；液體材料固體材料金屬件強度越高，需要的變形力越大，模具所承受的力也越大，模具的使用壽命越短。壽命：有色金屬黑色金屬成型件材料與模具材料的親和力愈大，在成型過程中越容易與模具產(chǎn)生粘著磨損，則模具的壽命越低。坯料的表面狀態(tài)對模具受力、磨損也有較大影響。當成型件表面光亮。性能均勻、表面存在較薄的氧化層或磷化膜時，對模具的工作有利。2.成型溫度 成型溫度對材料強度有影響，同時也影響模具與成型件接觸面的情況。 在成型高溫工件時，模具因受熱而升溫，隨著溫度的升高，模具的屈服強度下降，易發(fā)生塑性變

7、形。二、設備特性1.設備的精度與剛度滑塊運動的導向精度越高，模具上、下?；騽印⒍６ㄎ痪仍礁?，越不易產(chǎn)生附加的橫向載荷和轉矩，使模具磨損均勻，則模具的壽命越高。 設備的剛度越大，在成型過程中產(chǎn)生的彈性變形越小，模具上下模或動定?？奢^好地保證正確的配合狀態(tài)。2.設備速度設備速度越高，模具在單位時間內(nèi)受到?jīng)_擊越大，設備施力時間越短，越易造成局部應力超過模具材料的屈服應力或斷裂強度。因此，設備速度越高，模具越易發(fā)生斷裂或塑性變形失效。對于熱作模具，其失效形式受熱鍛壓設備的加載速度、沖壓頻率和沖壓能量的影響。設備的沖壓頻率高，使模具的平均溫度高而溫度變化幅度小，容易導致模具因熱強度不足而產(chǎn)生塑性變形

8、失效。當沖壓頻率低時，模具的熱振幅大而平均溫度低，容易導致模具的冷熱疲勞失效。三、模具的使用與維護模具的正確操作，使用和維護對模具的壽命有很大的影響。模具使用時應嚴格遵守操作規(guī)范：對模具要進行正確的安裝和調(diào)整；保證良好的導向和剛性；應定時檢查，及時排除故障，并注意潤滑及冷卻；注意定期維護保養(yǎng)等。第三節(jié) 模具材料的影響 模具材料的成分、組織、質量及性能對模具的承載能力，使用壽命及加工精度、制造成本等均有較大影響。 選材不當，性能要求不合理，將導致模具的早期失效或者造成浪費。因此，根據(jù)模具的工作條件合理選用模具材料是保證模具既安全可靠又經(jīng)濟合理的關鍵因素。一、模具材料的性能模具的基本性能包括使用性

9、能和工藝性能。（一）使用性能1.強度定義：模具材料抵抗失效最重要的性能。常用s b 0.2表示提高模具屈服強度可采取措施：降低模具的實際應力a.降低工作應力b.減少殘余應力c.降低應力集中選擇屈服強度高的材料屈服強度-材料成分、組織狀態(tài)、冶金質量（2）材料的抗拉強度是衡量材料抵抗斷裂能力的指標。（3）斷裂韌度（KIC）是衡量模具材料抵抗裂紋擴展斷裂能力的指標。取決因素內(nèi)在因素：化學成分、組織結構外在因素：溫度、應變速率內(nèi)部因素凡是能提高強度、塑性的化學成分和組織結構，也能提高斷裂韌度，反之則降低。a.細化晶粒的合金元素，使強度塑性提高；固溶強化，塑性降低；形成金屬間化合物或第二相顆粒，塑性降低

10、；b.基體相晶體結構易于發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂時，材料的斷裂韌度高。c.細化晶粒既可以提高強度，又可以提高塑性，斷裂韌度也可提高。d.金屬材料中的非金屬夾雜物使斷裂韌度降低；脆性第二相隨著體積分數(shù)的增加，斷裂韌度降低；適量韌性第二相能夠提高材料的斷裂韌度。e.顯微組織的類型和亞結構對材料的斷裂韌度有影響。馬氏體組織特征馬氏體組織特征(1)板條狀馬氏體板條狀馬氏體 單元體單元體(單晶單晶體體) 板條狀板條狀組合特征：組合特征：馬氏體束 一些位向相同的板條晶構成馬氏體束；一些位向相同的板條晶構成馬氏體束； 原奧氏體晶粒中含原奧氏體晶粒中含35個位向不同的個位向不同的 M 束束 塊狀馬氏體塊狀馬

11、氏體0.10.3m10 m 主要存在于低碳鋼中主要存在于低碳鋼中( C%0.2%) 低碳低碳馬氏體馬氏體 形成溫度較高形成溫度較高 高溫高溫馬氏體馬氏體 亞結構亞結構位錯位錯 片狀馬氏體片狀馬氏體 組織形態(tài)及特點：組織形態(tài)及特點： 單元體：片狀，單元體：片狀， 中間厚、兩邊薄中間厚、兩邊薄凸透鏡狀凸透鏡狀或針狀；或針狀； 組合特征：組合特征： 片與片之間不平行，約呈片與片之間不平行，約呈60； 晶粒大小不等，先大后小，晶粒大小不等，先大后小， 先形成的先形成的 M 片貫穿片貫穿A晶粒；晶粒； 亞結構：亞結構： 平行的細小孿晶平行的細小孿晶 孿晶孿晶馬氏體。馬氏體。 形成的溫度較低形成的溫度較低

12、低溫馬氏體低溫馬氏體 高碳鋼中常出現(xiàn)高碳鋼中常出現(xiàn)高碳馬氏體高碳馬氏體孿晶孿晶塑性與韌性塑性與韌性片狀片狀M：硬而脆；：硬而脆； 板條板條M：強而韌：強而韌 與亞結構有關與亞結構有關板條板條M 塑韌性好的原因：塑韌性好的原因： 含碳量低含碳量低, 過飽和度?。贿^飽和度??； 淬火內(nèi)應力小，形成微裂紋的敏感度??；淬火內(nèi)應力小，形成微裂紋的敏感度??；高碳片狀高碳片狀M塑韌性差的原因：塑韌性差的原因： C過飽和度高，畸變大，過飽和度高，畸變大， 淬火內(nèi)應力大，形成微裂紋的敏感度高。淬火內(nèi)應力大，形成微裂紋的敏感度高。1 組織形態(tài)組織形態(tài) 上貝氏體上貝氏體(550 350 )組織構成：組織構成： (C)

13、+Fe3C 鐵素體：鐵素體： 碳過飽和碳過飽和( 0.03%)； 成束、板條狀平行排列；成束、板條狀平行排列； 位錯（位錯（108109cm-2)； 滲碳體：粒狀或短桿狀分布滲碳體：粒狀或短桿狀分布在在 F 板條之間。板條之間。貝氏體轉變貝氏體轉變上貝氏體上貝氏體Fe3C過飽和過飽和相相羽毛狀羽毛狀下貝氏體下貝氏體(350 230 )組織組織: (C)+FexC 鐵素體：鐵素體： 碳過飽和碳過飽和( 0.3%) 針、片狀，互不平行；針、片狀，互不平行； 更高密度位錯。更高密度位錯。 滲碳體：粒狀或短桿狀平行滲碳體：粒狀或短桿狀平行分布在分布在 F 相內(nèi)部。相內(nèi)部。過飽和過飽和相相Fe3C針狀針

14、狀 3 貝氏體的機械性能貝氏體的機械性能 （1）強度和硬度）強度和硬度 鐵素體：鐵素體： 取決于晶粒大小、取決于晶粒大小、C及及Me固溶強化、位錯密度固溶強化、位錯密度 碳化物：取決于彌散度、數(shù)量碳化物：取決于彌散度、數(shù)量 s(B上上)s(B下下)（2） 韌性韌性 ak（ B下）下）ak（ B上）上）原因：原因： B上中碳化物分布條間，上中碳化物分布條間，有明顯方向性，尺寸較大；有明顯方向性，尺寸較大；借助特殊的熱處理工藝 通過改變金屬材料顯微組織的結構、形態(tài)和分布，可以提高斷裂韌度。a.亞溫淬火工藝亞共析鋼在兩相區(qū)不完全奧氏體化后淬火的熱處理工藝熱處理組織：優(yōu)點：獲得針狀鐵素體+馬氏體的復相

15、組織，使強度和韌度提高。例：20MnVBb.超高溫淬火工藝針對中碳結構鋼，如40CrNiMo鋼、42CrMo鋼奧氏體晶粒顯著粗大，塑性和沖擊功降低，斷裂韌度提高斷裂韌度提高機理：馬氏體形態(tài)孿晶位錯，斷裂機理準解離微孔聚集型馬氏體板條束間存在殘余奧氏體薄膜，阻止裂紋擴展碳化物及夾雜物溶入奧氏體，減少了微裂紋形成源。c.形變熱處理分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理。高溫形變熱處理動態(tài)再結晶，細化奧氏體晶粒，細化淬火后馬氏體強度和韌性都提高低溫形變熱處理細化奧氏體晶粒，增加位錯密度，碳化物彌散沉淀，降低奧氏體含碳量，增加細小馬氏體含量提高強度和韌性。外部因素一般來說，溫度降低使結構鋼斷裂韌度降低；增

16、加應變速率使斷裂韌度降低。絕熱效應應變速率斷裂韌性2.沖擊韌度沖擊韌度或沖擊功是衡量模具承受沖擊載荷或沖擊能量能力的指標。3.硬度材料抵抗外部物體壓入的能力成為硬度。硬度，抗壓強度耐磨性抗咬合能力， 韌性抗冷熱疲勞能力可切削性要根據(jù)模具工作環(huán)境設計合適的硬度。4.耐磨性材料抗磨損的能力稱為耐磨性，通常用磨損量表示。耐磨性相關因素：材料的強度、韌性、硬度。 鋼中碳化物數(shù)量、大小及分布。根據(jù)磨損機理，提出相應措施，減輕磨損。5.耐蝕性材料抗周圍介質腐蝕能力稱為耐蝕性。（1）腐蝕程度的表示方法均勻腐蝕程度用平均腐蝕速度表示，腐蝕速度又可用單位時間的腐蝕深度或用質量的減少或增加來表示。局部腐蝕用裂紋擴

17、展速率或材料性能降低程度來表示。（2）防止金屬腐蝕的措施根據(jù)使用情況和要求選擇設計上盡可能降低熱應力，避免流體停滯、局部過熱等添加緩蝕劑 去除有害介質金屬表面覆蓋耐腐蝕層采用電化學保護的方法對金屬通以電流進行極化。6.熱穩(wěn)定性在高溫下，材料保持其組織、性能穩(wěn)定的能力稱為熱穩(wěn)定性。受溫度影響時，材料內(nèi)部原子的活動能力增加，使材料產(chǎn)生塑性提高而強度、硬度下降的趨勢，引起材料承載能力及耐磨損能力下降。但溫度超過相變溫度時，材料將發(fā)生組織轉變現(xiàn)象，而引起材料性能的變化。7.耐熱疲勞性定義：高溫下，材料承受應力頻繁變化的能力稱為耐熱疲勞性。（1）熱疲勞性產(chǎn)生原因模具熱膨脹或收縮收到約束作用；零件本身存在

18、溫度梯度；組合件之間存在溫差；膨脹系數(shù)不同的材料相配合或連接；（2）提高耐熱疲勞抗力的措施選擇最佳結構，避免應力集中選擇優(yōu)良的抗熱疲勞性的材料采用表面強化工藝對于低周疲勞和熱疲勞失效，可通過改善材料塑性來改善材料塑性來改善失效抗力。（二）工藝性能1.鍛造工藝性能材料對鍛造工藝的適應性稱為鍛造工藝性能。2.切削加工工藝性能材料切削加工的難易程度稱為切削加工工藝性能。3.熱處理工藝性能材料在熱處理時，獲得所需組織、性能的難易程度稱為熱處理工藝性能。4.淬透性二、模具使用性能的選擇模具的工作條件可近似分為：室溫載荷較??；室溫載荷較大；高溫載荷較?。桓邷剌d荷較大；1.室溫載荷較小的工況強度越高，硬度越

19、高，耐磨性越好，壽命越高，如沖裁模拉深模2.室溫載荷較大的工況高的強度、耐磨性，好的韌性，如冷鐓模、冷擠模3.高溫載荷較小的工況高溫強度、高溫耐磨性、耐冷熱疲勞性、熱硬度及熱疲勞性，適當?shù)臎_擊韌度，如曲柄壓力機鍛模。4.高溫載荷較大的工況高的高溫韌性，合適的高溫強度、熱硬性及耐熱疲勞性，如錘鍛模、高速錘鍛模模具材料的性能指標雖然很多，含義不同，但是它們之間是有關聯(lián)的。采用多種冶煉方法和熱處理方法，獲得高強度、高韌性的合金材料一直是材料工業(yè)發(fā)展所追求的目標。三、模具鋼冶金質量的影響1.非金屬夾雜物2.碳化物偏析3.中心疏松和白點第四節(jié) 模具制造一、模塊的鍛造主要是為了改善材料內(nèi)部缺陷，獲得模塊的

20、需要的內(nèi)部組織和使用性能，并使模塊獲得一定的形狀和尺寸。（一）模塊的加熱及冷卻1.模塊毛坯的加熱提高鍛造性能2.模塊毛坯的冷卻進行緩慢冷卻（二）鍛造操作方法*1.鐓粗2.拔長3.心軸擴孔4.滾圓（三）鍛造比*模塊鍛造時變形程度的一種表示方法。二、模具零件的加工模具制造一般是要經(jīng)過切削加工、磨削加工和電火花加工。加工中的質量問題尤其是加工表面的質量，也會顯著影響模具的耐磨性、斷裂抗力、疲勞強度及熱疲勞抗力等。（一）切削加工的影響表面粗糙度、尺寸精確（二）磨削加工的影響在磨削過程中，由于局部摩擦生熱，容易引起磨削燒傷和磨削裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應力，造成對零件力學性能的影響，甚至導致零

21、件失效。合理選擇磨削用量和砂輪，正確使用切削液和控制冷卻效果，可防止或較小磨削缺陷的產(chǎn)生。（三）電火花加工的影響加工原理是在工作液中利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達到零件要求的尺寸、形狀及表面質量。電火花加工表面溶化層熱影響層基體金屬三、模具熱處理缺陷熱處理缺陷模具表面或內(nèi)部組織和性能的影響引起模具的熱處理變形影響模具的尺寸精度和位置形狀精度熱處理工藝對模具材料的改性有著非常重要的作用，但一般的熱處理過程都會使材料產(chǎn)生各種缺陷，影響模具承載能力，降低使用壽命。（一）模具熱處理一般缺陷1.過熱和過燒由于加熱溫度過高、保溫時間過程及爐內(nèi)溫度不均勻等，引起

22、模具鋼晶粒粗大的現(xiàn)象稱為過熱。當加熱溫度過高而引起晶界出現(xiàn)局部熔化和氧化的現(xiàn)象稱為過燒。過熱引起模具力學性能變差，尤其沖擊韌性下降，產(chǎn)生變形和開裂，使用時易造成早期失效。過熱可通過重新加熱消除，過燒不能消除。2.氧化和脫碳模具淬火加熱時保護不良，介質中含有較多氧化物或腐蝕物質，加熱超過一定溫度時會使模具表面氧化、脫碳或腐蝕。采用鹽浴爐加熱和箱式保護加熱可以有效防止氧化脫碳的產(chǎn)生。3.熱處理裂紋模具預處理組織不良、碳化物偏析嚴重、冷加工應力過大淬火操作不當、模具本身形狀復雜薄厚不均等，都可能導致產(chǎn)生淬火裂紋。淬火裂紋將使模具報廢，不易發(fā)現(xiàn)的裂紋將引起模具的早期斷裂。（1）產(chǎn)生裂紋的原因（2）防止

23、裂紋的措施 嚴格控制原材料的內(nèi)部質量淬火前采用一定的工藝措施（a）采用預熱措施（b）控制冷卻速度（c）加熱后淬火前進行充分預冷選擇合理的淬火工藝淬火后模具立即回火，合金鋼模具至少回火兩次以上需返修或重新淬火模具，必須進行充分中間退火。 4.硬度不足和軟點模具鋼經(jīng)過熱處理出現(xiàn)硬度不足或軟件的缺陷，使材料性能變化，承載能力下降，尤其是耐磨性受到影響。（1）產(chǎn)生硬度不足的原因淬火前材料內(nèi)部存在缺陷熱處理工藝不當a加熱溫度過低或保溫時間不足；b冷卻速度過慢c回火溫度過高（2）產(chǎn)生軟點的主要原因模具鋼中存在化學成分偏析，組織不均勻等缺陷熱處理工藝不當a加熱溫度過高；b各部位受熱不均勻、冷卻速度不均勻c淬

24、火介質達不到應有的冷卻效果d局部冷卻速度慢（3）熱處理工藝中防止軟點的措施選擇模具材料的碳化物偏析應在規(guī)定級別。淬火加熱前除去模具表面氧化皮，加熱時注意保護選擇合適淬火冷卻介質淬火冷卻時，模具上下、左右往復運動，防止模具零件冷卻過程中互相接觸。5.黑色斷口鋼產(chǎn)生石墨化的特征?？繜崽幚黼y以消除，必須重新鍛造，然后快速冷卻，才可消除。6.脆性（1）產(chǎn)生脆性的主要原因冶金質量差；原始組織粗大，碳化物分布不均勻熱處理工藝不當（2）防止脆性措施控制質量，進行預先熱處理改善組織選定合適回火溫度，保證足夠回火時間，避免回火脆性7.表面腐蝕（麻點）（1）產(chǎn)生表面腐蝕的原因箱式爐中防護劑使用不良，引起氧化、脫碳鹽浴爐加熱時，校正劑選用不當模具進行空冷淬火，或在空氣中預冷時間過長硝鹽浴存在大量氨離子，使模具產(chǎn)生電化學腐蝕模具淬火后沒有及時清洗，受到殘余鹽腐蝕（2）防止腐蝕措施裝箱保護鹽浴及時脫氧、撈渣；盡量不進行空冷淬火硝鹽使用溫度不超過500，淬火與回火后及時清洗（二）模具熱處理應力和變形影響模具熱處理的因素非常復雜，需要從各方面采取措施來控制，以防止模具的變形失效。1.熱應力及其引起的變形模具在加熱和冷卻過程中，尤其是在劇烈的淬火冷卻時，由于表面和心部之間或不同截面尺寸的各部分之間的溫度差而引起脹縮量不一致，從而在