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模具失效的原因及预防措施
作者:郑州工业高等专科学校 杨宗田
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塑料模具展厅
注塑模具, 吹塑模具, 挤出模具, 吸塑模具, 瓶胚模具, ...
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)模具材料质量差引起的失效。

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。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/1/2005)
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佳工网友 于7/7/2005 10:36:00 PM评论说:
如能帮我解决这方面的问题请回信给我
wuzicheng0717@126.com
佳工网友 于7/7/2005 10:34:00 PM评论说:
你这里提到的主要是针对冷冲模具吧?
试问如做橡胶无飞边模具,撕边位吾开尖能行吗/有何方法?


对 塑料模具 有何见解?请到 塑料模具论坛 畅所欲言吧!


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