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常見問題

模具失效的基本原因及預防措施!

 1 模具失效
冷熱模具在服役中失效的基本形式可分為:塑性變形;磨損;疲勞;斷裂。
(1)塑性變形。
塑性變形即承受負荷大于屈服強度而產生的變形。如凹模出現型腔塌陷、型孔擴大、棱角倒塌陷以及凸模出現鐓粗、縱向彎曲等。尤其熱作模具,其工作表面與高溫材料接觸,使型腔表面溫度往往超過熱作模具鋼的回火溫度,型槽內壁由于軟化而被壓塌或壓堆。低淬透性的鋼種用作冷鐓模時,模具在淬火加熱后,對內孔進行噴水冷卻產生一個硬化層。模具在使用時,如冷鐓力過大,硬化層下面的基底抗壓屈服強度不高,模具孔腔便被壓塌。模具鋼的屈服強度一般隨碳(c)的含量從某些合金元素的增多而升高,在硬度相同的情況下,不同化學成分的鋼具有的抗壓強度不同,當鋼硬度為63HRC時,下列4種鋼的抗屈服強度由高到低依次順序為:W18Cr4V>Cr12>Cr6WV>5CrNiW。
(2)磨損失效。
磨損失效是指刃門鈍化、棱角變圓、平面下陷、表面溝痕、剝落粘膜(在摩擦中模具工作表而粘了些坯料金屬)。另外,凸模在工作中,由于潤滑劑燃燒后轉化為高壓氣體,對凸模表面進行劇烈沖刷,形成氣蝕。
冷沖時,如果負荷不大,磨損類型主要為氧化,磨損也可為某種程度的咬合磨損,當刃口部分變鈍或沖壓負荷較大時,咬合磨損的情況會變得嚴重,而使磨損加快,模具鋼的耐磨性不僅取決于其硬度,還決定于碳化物的性質、大小、分布和數量,在模具鋼中,目前高速鋼和高鉻鋼的耐磨性較高。但在鋼中存在有嚴重的碳化物偏析或大顆粒的碳化物情況下,這些碳化物易剝落,而引起磨粒磨損,使磨損加快。較輕冷作模具鋼(薄板沖裁、拉伸、彎曲等)的沖擊,載荷不大,主要為靜磨損。在靜磨損條件下,模具鋼的含碳量多,耐磨性就大。在沖擊磨損條件下(如冷鐓、冷擠、熱鍛等),模具鋼中過多的碳化物無助于提高耐磨性,反而因沖擊磨粒磨損,而降低耐磨性。
研究表明,在沖擊磨粒磨損條件下,模具鋼含碳量以O.6%為上限,冷鐓模在沖擊載荷條件下工作,如模具鋼中碳化物過多,容易固沖擊磨損而山現表面剝落。這些剝落的硬粒子將成為磨粒,加快磨損速度。熱作模具的型腔表面,由于高溫軟化而使耐磨性降低,此外,氧化鐵皮也起到磨料的作用,同時還有高溫氧化腐蝕作用。
(3)疲勞失效。
疲勞失效的特征:東莞精密模具某些部位經過一定的服役期,萌生了細小的裂紋,并逐漸向縱深擴展,擴展到一定尺寸時,嚴重削弱模具的承載能力而引起斷裂。疲勞裂紋萌生于應力較大部位,特別是應力集中部位(尺寸過渡、缺口、刀痕、磨損裂紋等處),疲勞斷裂時斷門分兩部分,一部分為疲勞裂紋發展形成的疲勞處破裂斷面,呈現貝殼狀,疲勞源位于貝殼頂點。另一部分為突然斷裂,呈現不平整粗糙斷面。
使模具發生疲勞損傷的根本原因為特環載荷,凡可促使表面拉應力增大的因素均能加速疲勞裂紋的萌生。
冷作模具在高硬狀態下工作時,模具鋼具有很高的屈服強度和很低的斷裂韌性。高的屈服強度有利于推遲疲勞裂紋的產生,但低的斷裂韌性使疲勞裂紋的擴展速率加快和臨界長度減小,使疲勞裂紋擴展循環數大大縮短,因此,冷作模具疲勞壽命主要取決于疲勞裂紋萌生時間。
熱作模具一般在中等或較低的硬度狀態下服役,模具斷裂韌性比冷作模具高得多,因此,在熱作模具中,疲勞裂紋的擴展速度低于冷作模具,臨界長度大于冷作模,熱作模具疲勞裂紋的亞臨界擴展周期較冷作模長得多,但熱作模具表面受急冷,急熱很易萌生冷熱疲勞裂紋,熱作模具的疲勞裂紋萌生時間比冷作模短得多,因此,許多熱作模其疲勞斷裂壽命主要取決于疲勞裂紋擴展的時間。
(4)斷裂失效。
斷裂失效常見形式有:崩刃、腡齒、劈裂、折斷、脹裂等,不同模具斷裂的驅動力不同。冷作模具、所受的主要為機械作用力(沖壓力)。熱作模所受除機械力外,還有熱應力和組織應力,有許多熱作模具的工作溫度較高,又采用強制冷卻,其內應力可遠遠超過機械應力,因此,許多熱作模的斷裂主要與內應力過大有關。<
模具斷裂過程有兩種:一次性斷裂和疲勞斷裂。一次性斷裂為模具有時在沖壓時突然斷裂,裂紋一旦萌生,后即失穩、擴展。它的主要原因為嚴重超載或模具材料嚴重脆化(如過熱、回火不足、嚴重應力集十及嚴重的冶金缺陷等)。
2 模具失效原因及預防措施
(1)結構設計不合理引起失效。
尖銳轉角(此處應力集中高于平均應力十倍以上)和過大的截面變化造成應力集中,常常成為許多模具早期失效的根源。并且在熱處理淬火過程中,尖銳轉角引起殘余拉應力,縮短模具壽命。
預防措施:凸模各部的過渡應平緩圓滑,任何役小的刀痕都會引起強烈的應力集中,其直徑與長度應符合一定要求。
(2)模具材料質量差引起的失效。
模具材料內部缺陷,如疏松、縮孔、夾雜成份偏析、碳化物分布不均、原表面缺陷(如氧化、脫碳、折疊、疤痕等)影響鋼材性能,
a.夾雜物過多引起失效。
鋼中存在夾雜物足模具內部產生裂紋的根源,尤其是脆性氧化物和硅酸鹽等,在熱壓力加工中不發生塑性變形,只會引起脆性的破裂而形成微裂紋。在以后的熱處理和使用中訪裂紋進一步擴展,而引起模具的開裂。此外,在磨削中,由于大顆粒夾雜物剝落造成表面孔洞。
b.表面脫碳引起失效。
模具鋼在熱壓力加工和退火時,常常由于加熱溫度過高,保溫時間過長,而造成鋼材表面脫碳,嚴重脫碳的鋼材在機械加工后,有時仍殘留有脫碳層,這樣在淬火時,由于內外層組織的不同(表面脫碳層為鐵索體,內部為珠光體)造成組織轉變不一致,而產生裂紋。
c.碳化物分布不勻,引起失效。
Crl2、Cr112MoV等模具鋼含碳量和合金元素較高,形成了許多共晶碳化物,這些碳化物在鍛造比較小時,易呈現帶狀和網狀偏析,導致淬火時常出現沿帶狀碳化物分布的裂紋,模具在使用中裂紋進一步擴展,而造成模具開裂失效。
預防措施:鋼在緞軋時,東莞模具設計應反復多方向鍛造,從而鋼中的共晶碳化物擊碎得更細小均勻,保證鋼碳化物不均勻度級別要求。
(3)模具的機加上不當。
a 切削中的刀痕:模具的型腔部位或凸模的圓角部位在機加工中,常常因進刀太探而使局部留下刀痕,造成嚴重應力集中,當進行淬火處理時,應山集中部位極易產生微裂紋。
預防措施:在零件粗加工的最后一道切削中,應盡量減少進刀量,提高模具表面光潔度。
b 電加工引起失效。模具在進行電加工時,由于放電產生大量的熱,將使模具被加工部位加熱到很高溫度,使組織發生變化,形成所謂的電加工異常層,在異常層表面由于高溫發生熔融,然后很快地凝固,該層在顯微鏡下呈白色,內部有許多微細的裂紋,白色層下的區域發生淬火,叫淬火層,再往里由于熱影響減弱,溫度不高,只發生回火,稱回火層。測定斷面硬度分布:熔融再凝固層,硬度很高,達610~740HRC,厚度為30pu,淬火層硬度400~500HRC,厚為20pu?;鼗饘俑邷鼗鼗?,組織較軟,硬度為380~400HRC,厚為10pu。
預防措施:①用機械方法去除開常層中的再凝固層,尤其是微觀裂紋;②在電加工后進行一次低溫回火,使異常層穩定化,以防微裂紋擴展。
c磨削加工造成失效。模具型腔面進行磨削加工時,由于磨削速度過大,砂輪粒度過細或冷卻條件差等因素影響,均會導致磨削表曲過熱或引起表面軟化,硬度降低,使模具在使用中因磨損嚴重,或熱應力而產生 磨削裂紋,導致早期失效。
預防措施:①采用切削力強的粗砂輪或粘結性差的砂輪;②減少工件進給量;③選用合適的冷卻劑;④磨削加工后采用250~350℃回火,以除磨削應力。
(4)模具熱處理工藝不合適。
加熱溫度的高低、保溫時間長短、冷卻速度快慢等熱處理工藝參數選擇不當,都將成為模具失效因素。
a.加熱速度:模具鋼中含有較多的碳和合命元素,導熱性差,因此,加熱速度不能太快,應緩慢進行,防止東莞模具加工發生變形和開裂。在空氣爐中加熱淬火時,為防止氧化和脫碳,采用裝箱保護加熱,此時升溫速度不宜過快,而透熱也應較慢。這樣,不會產生大的熱應力,比較安全。若模具加熱速度快,透熱快,模具內外產生很大的熱應力。如果控制不當,很容易產生變形或裂紋,必須采用預熱或減慢升溫加速度來預防。
b.氧化和脫碳的影響。模具淬火是在高溫度下進行的,如不嚴格控制,表曲很易氧化和脫碳。另外,模具表面脫碳后,由于內外層組織差異、冷卻中出現較大的組織應力、導致淬火裂紋。
預防措施:可采用裝箱保護處理,箱內填充防氧化和脫碳的填充材料。
冷卻條件的影響
不同模具材料,據所要求的組織狀態、冷卻速度是不同的。對高合金鋼,由于含較多合金元素,淬透性較高,可以采用油冷、空冷甚至等溫淬火和等級淬火等熱處理工藝。

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