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1、3/27/2023,1,模具失效与维护,3/27/2023,2,模具寿命的高低是衡量模具质量的重要指标之一。它影响产品质量、生产率和成本。无论是模具的大型化、复杂化还是高精度、高效率，都依赖于模具寿命的提高。提高模具寿命的宗旨就是延缓模具的失效。失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到模具失效的原因和解决的措施，从而达到提高模具寿命的最终目的。,3/27/2023,3,01 失效与失效学1什么是失效？将“产品丧失其规定功能的现象”称之为失效。2机械产品的失效大致可分为三种类型：完全丧失其规定的功能；部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆满地完成规定的任务；严重损伤，再
2、不能安全地继续工作，此时应及时调换或修补。机械产品的失效形式主要有过量的变形、断裂和表面损伤等。,3/27/2023,4,3间接经济损失 由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失；引起其他企业停产或减产的损失；影响企业的信誉和市场竞争能力所造成的损失。4失效学 失效学是研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的一门学科。,3/27/2023,5,02 模具失效分析的意义1引起模具失效的因素 材料方面的因素内因：包括材料品质及加工工艺方面的各种因素；环境方面的因素外因：包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。2失效分析的意义 通过对失效残骸的研究，可查明模具失效的
3、机理和过程，并对失效的原因做出判断，从而可有针对性地采取改进和预防措施，避免同类失效的再发生，达到改进模具质量、延长使用寿命、提高服役安全性和可靠性的目的。,3/27/2023,6,3/27/2023,7,03 本课程的性质、任务、学习方法和最终目的 模具失效与寿命是模具设计与制造专业的一门专业课称。本课程的任务是使学生了解模具寿命与失效的关系及其与工业生产的关系；了解模具结构、模具工作条件、模具材料性能和模具制造等因素对模具寿命的影响；掌握分析模具失效的方法，培养解决问题的能力，为合理的模具设计与模具加工奠定必备的基本理论知识，从而即可以达到“防患于未然”又可以做到“亡羊补牢”，最终达到提高
4、模具寿命的目的。,3/27/2023,8,本课程学习的具体要求是：熟悉模具失效与寿命中名词术语的概念和定义。了解模具失效的形式，掌握对不同模具失效形式分析与判断的方法和模具材料抗失效性能指标及应用。认识提高模具寿命的重要性，掌握有关因素对模具寿命的影响和影响模具失效的基本因素，并能正确应用这些规律指导模具的设计与制造。具有正确选择模具材料和模具热处理工艺的能力和将所学知识用于模具设计、模具加工、模具使用和管理的能力。,3/27/2023,9,本课程要求：1本课程为考查课。2考核方式为以平时每章的大作业（小论文）的累计得分并参照出勤和课堂综合表现作为该课程成绩。3每次作业按规定时间发到：m200
5、6_4答疑在系办公室随时进行。5联系电话：13902028066,3/27/2023,10,第1章 模具失效的基础知识 研究模具的失效问题就必须熟悉各种模具的工作条件和失效形式，进而学习运用失效分析的基本知识来判断模具失效的性质，分析失效的原因，最终从各个方面提出预防失效或推迟失效的防护措施。在防止模具失效的各种因素中，模具材料抵抗失效的性能指标是最直接、最重要的因素。根据模具的失效形式，对模具材料提出合理的性能指标，是模具设计和选材的依据，也为正确制定模具制造工艺指明了方向。,3/27/2023,11,11 模具失效和失效分析111 模具失效与模具损伤1 什么是模具失效？当模具零件在服役中产
6、生了过量变形、断裂破坏、表面损坏等现象后，将丧失其原有的功能，达不到预期的要求，或变得不安全可靠，以致不能继续正常地服役，这些现象统称为模具失效。广义上讲，模具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作零件不能再用。如热挤压冲头被镦粗变形，冷冲裁模刃口崩刃或过度磨损，型腔损坏、变形等。,3/27/2023,12,2模具失效的过程 模具失效一般有一个发展过程，以断裂失效为例：,零件表面产生缺陷,萌生微裂纹,裂纹扩展直至断裂,3/27/2023,13,3模具的损伤 模具在制造和使用中产生了某些缺陷，如表面轻度磨损、微裂纹等，但还没有丧失规定的功能而仍可继续服役，那么，这些缺陷就称为模
7、具的损伤。显然，损伤可成为破断的裂源，损伤的积累也可导致失效。,损伤,损伤,损伤,失效,3/27/2023,14,模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役时，称为模具的早期失效，也叫做非正常失效。早期失效发生在模具的使用初期，主要是由于模具设计和制造上的缺陷一经使用就显露出来，进而诱发失效。这一阶段的失效几率甚高，但随着使用时间的延长而迅速减低,模具经过使用初期的考验而未发生失效，就进入了随机失效阶段。在理想的情况下，未达到正常寿命的模具不应该发生失效现象。但由于环境的偶然变化，操作者的人为差错，或者因管理不善而造成的某些损伤，仍可能导致失效。这种失效的发生几率很低，且随着使用时间的
8、延长其增长也很缓慢，呈随机分布,3/27/2023,15,112 模具失效的分类按照研究失效的目的不同，常用的失效分类方法有两种；1是按经济法观点分类，目的是明确失效造成损失的法律责任和经济责任；2是按失效形式及失效机理分类，目的是找出失效原因，并提出防护措施，以防止或推迟同一形式的失效现象重复发生的。,3/27/2023,16,1121 按经济法观点对失效分类，可将失效分为四种情况1正常耗损失效 模具的使用时间已到寿命终止期，属正常失效，应由产品使用者自己负责。但若产品制造者提供的使用说明书没有对使用寿命等做出明确规定，则制造者也要承担一定责任。2产品缺陷失效 属于产品质量问题，应由产品制造
9、者承担责任。3误用失效 属于使用不当造成的失效，应由产品使用者承担责任。但若产品制造者提供的使用说明书没有对有关操作做出明确规定，则制造者也要承担责任。4受累性失效 属于其他原因或自然灾害等不可抗拒的因素所导致的失效。,3/27/2023,17,1122 按失效形式及失效机理分类，大致可分为以下几类：过量弹性变形 1过量变形 韧性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 2断 裂 蠕变断裂 应力腐蚀断裂 磨损 3表面损伤 接触疲劳 腐蚀,3/27/2023,18,113 模具失效分析 1什么是失效分析？判断失效性质，分析失效原因，研究预防失效的措施等一系列的技术活动，称为失效分析。2失效分析的目的？主要目的是
10、避免或减少同类失效现象的重复发生，延长模具的使用寿命，提高经济效益和社会效益。,3/27/2023,19,1131 失效分析的任务 失效分析的任务：判断失效性质 分析失效原因 提出防护措施,失效的形貌特征,失效件的应力状态,失效材料的实际强度,失效的环境因素等,3/27/2023,20,模具失效原因的分析和防护措施的提出，可以从以下几个方面入手：,1合理选材,根据模具的工作条件和失效形式，提出相应的评价材料性能的指标，并由此选用合适的模具材料及热处理工艺，以满足使用要求。,2合理的结构设计,模具结构的设计，应尽量使各部分均匀受载，使应力流线均匀分布并平滑过渡，减小应力集中，强化薄弱环节。,3合
11、理加工与装配,模具的加工与装配应选择合理的工艺方案，正确按照技术要求和工艺规程实施，注意加工表面质量，减少可能造成的应力集中。,4合理使用与保养,按照操作规程对模具正确安装、合理使用并加强维护保养，减少环境损伤失效和随机失效。,5严格质量控制,控制模具材料的冶金质量及锻造、冷加工和热处理质量，防止或减少制造中的内外缺陷，从而防止或减少早期失效。,6表面强化,在对模具整体进行强韧化的同时，采取各种方法对模具工作表面进行强化和改性，是很有效的防护措施，能明显提高模具的服役寿命。,3/27/2023,21,1132 失效分析的方法和步骤 模具失效的形式不同，失效分析的方法和步骤也不尽相同。现以较典型
12、的失效形式断裂为例简要说明。,1现场调查和模具断裂件的处理,主要包括保护事故现场、察看断裂的形式和部位、询问操作情况和失效过程等工作。在调查过程中，应注意收集齐全所有的断裂碎块，以便确定主断口和进行断口分析。在收集断裂碎块时，应注意保护断口的洁净和新鲜。对于洁净的断口，应立即放入干燥器内进行保护；对有油泥污染的断口，应依次用汽油、丙酮（或三氯甲烷、苯等）、无水乙醇清洗断口，并用热风吹干后放入干燥器内；对于附有腐蚀产物的断口，可暂不清除腐蚀产物而直接放入干燥器内。,2模具制造工艺和服役历史的调查及质量检验,对模具制造工艺历史的调查，主要通过翻阅有关技术资料、检测报告，取样检查同批原材料，询问制造
13、者等方式进行，要核实制造中的各个环节是否符合有关标准规定和设计、工艺的技术要求。调查的内容一般为：材质状况、锻造质量、切削加工和磨削加工质量、电火花成形加工和线切割加工质量、热处理和表面处理质量、装配质量等。,为了进一步了解模具的内在质量，一般可进行无损探伤、化学成分分析、力学性能测定及组织鉴定等。对模具服役历史的调查，主要是查阅模具运行记录、调整及维修记录，了解锻压设备及被加工坯料的状况，询问操作者有关模具的使用条件和使用状况，是否按规程操作及有无异常现象等。,3模具工作条件和断裂状况分析,模具的工作条件主要包括受力状况和温度、介质等工作环境状况。,受力状况主要包括：载荷性质，如静载荷、冲击
14、载荷、循环载荷等；载荷类型，如拉深、压缩、扭转、弯曲等；应力情况，如应力的分布、最大应力的大小及部位，应力集中状况、断裂部位的应力状态和应力大小等。,工作环境状况主要包括工作温度的高低，工作温度的变化幅度及其所引起的热应力大小，介质种类、含量及腐蚀性等。,模具的断裂状况主要包括断裂处的塑性变形程度，断口的取向、位置、表面状况，以及断口和模具结构的关系等。通过断口状况分析，可初步确定断裂的性质和类型。,当模具断裂为多个碎块时，应找出最早断裂的主断口。其方法是：将各碎块按照模具原来的形状拼合在一起，并察看其密合程度，密合最差、裂隙最大的断口为最早断裂的主断口。通过肉眼观察或用量具测量断口处的塑性变
15、形量，就可初步确定是韧性断裂还是脆性断裂。,根据主断口的取向，可以分析模具断裂的载荷类型和实际应力状态。例如，脆性断口总是与最大正应力作用的方向垂直，齐平的韧性断口总是与最大切应力作用的方向平行等。而当断裂起源于模具外形结构的缺口或应力集中处时，则说明缺口效应和应力集中对断裂的影响作用很大。另外，根据断口氧化色的不同，可大致分析模具工作温度的高低；根据断口有无腐蚀产物，可确定模具的工作介质有无腐蚀性。,3/27/2023,22,4断口分析,断口的宏观分析是用肉眼、放大镜或低倍立体显微镜分析断口的形貌。它用来判定：断裂的性质，即快速断裂、疲劳断裂或应力腐蚀断裂；断裂的类型，如快速断裂是韧断还是脆
16、断，裂源的位置和断裂的走向如何；疲劳断裂时的应力大小，应力集中程度和疲劳寿命。,断口的微观分析是用高倍扫描电子显微镜或透射电子显微镜分析断口的微观形貌。它是宏观断口分析的深化和必要补充。它用于分析：微观断裂的性质，即微观韧断或微观脆断；微观断裂的机理，显微组织对断裂的影响等。此外，它还可用于估算疲劳裂纹宏观扩展速率和疲劳寿命。,对于应力腐蚀断裂，其断口往往附着有腐蚀产物。为避免腐蚀产物对断口分析的干扰，应先对断口上的腐蚀产物进行成分和相结构分析，然后用化学或电化学方法清除之，之后再进行断口分析。,当模具中存在材料缺陷和加工缺陷时，往往在缺陷处产生裂纹并扩展。故应分析裂源和断裂路径与各类缺陷的关
17、系，以确定缺陷对断裂的影响。常见的缺陷有非金属夹杂物、碳化物编聚、表面微裂纹、过热、过烧、回火不充分等。可选取断裂碎块，在裂源和断裂扩展区处，分别以垂直于断口的截面制备金相试样，用光学或电子显微镜观察断口处的缺陷和显微组织。,5断裂原因的判定,首先，根据模具断裂状况的分析和断口分析的结果，综合判定模具断裂的性质和类型，并由此列出所有可能的断裂原因。可能的断裂原因一般包括设计不合理，选材不当，材质不良，各种加工和热处理缺陷，操作使用不当和安装、维护不良等方面。,然后，再根据模具的工作条件、制造工艺及服役历史、质量检验结论和现场使用状况等，进行逻辑推理、综合分析、相互印证，在可能的断裂原因中，逐一
18、排除被证明不可能的原因，最终判定引起断裂失效的主要原因。必要时，还可以进行失效重现性试验或模拟试验，以证明所判定的断裂原因正确与否。,6提出防护措施,应该注意的是，同一模具可能有几种损伤形式出现，而最终先导致模具失效的形式可能是其中的一种（如脆性断裂）。当我们采取相应的措施（如提高材料的强韧性）防止了这种形式的失效以后，则另一种失效形式（如磨损）又可能成为主要矛盾，又需要我们采取另外的措施去解决第二、第三种形式失效的问题。,3/27/2023,23,12 模具的工作条件及失效形式,模具的种类很多，按照用途的不同，大致可分为六大类：冷冲压模、热锻压模、压力铸造模、塑料模、玻璃压模和粉料压制模等。
19、在机械、电机、电子、仪表等工业部门中，使用最广的是各种冷冲压模、热锻压模、压力铸造模和塑料模。,每套模具都有许多零件组成，其中对模具的质量和寿命起决定作用的是工作零件。因而通常主要研究模具工作零件的工作条件和失效形式等问题。模具（本书中通常专指模具工作零件）的损伤和失效形式，主要有塑性变形、磨损、断裂和冷热疲劳等。除了冷热疲劳主要出现于热作模具外，其余几种失效形式在各种模具上均可能出现。,3/27/2023,24,121 冷作模具的工作条件及失效形式 典型的冷作模具有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模和冷镦锻模。各种冷作模具的工作都是在常温下对被加工材料施加压力，使其产生分离或变形，从而获得一定形状
20、、尺寸和性能的零件。不同种类的冷作模具，其具体工作条件不同，它们的失效形式又各有不同的特点。,3/27/2023,25,1211 冷冲裁模1冷冲裁模的工作条件 冷冲裁模用于冷冲压加工的分离工序，主要是使各种板料冲切成形。图1-2是简单冲裁模工作示意图。冲裁模的主要工作部位是凸模（冲头）、凹模的刃口，它们对板料施加压力，使板料弹性变形、塑性变形，直至被剪裂。,3/27/2023,26,在板料弹性变形阶段，冲头端面的中央部位与板料脱离接触，压力集中于刃口附近的狭小范围内，使刃口上的单位面积压力增大。,在板料塑性变形和剪裂阶段，冲头切入板料，板料挤入凹模洞口，使模具刃口的端面和侧面产生挤压和摩擦。,
21、3/27/2023,27,2模具寿命与受力大小、板料厚度的关系 模具刃口受力的大小与板料的厚度和硬度有关。冲头的压力通常大于凹模，尤其是在厚板上冲制小孔时，冲头的单位压力很大。设冲头工作部分的直径为d，板料厚度为t，则比值dt 越小，冲头受力越大，其寿命就越低。图1-4表示出比值dt 与模具寿命的关系。,3/27/2023,28,3冷冲裁模的失效形式 模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是磨损。其中，冲头的受力较大，且在一次冲裁过程中经受两次摩擦（冲入和退出各一次），因而冲头的磨损较快。磨损使刃口变钝，棱角变圆，甚至产生表面剥落，从而使冲裁件毛刺增大，尺寸超差。这时，必须对模具刃口
22、进行修磨才能继续使用。两次刃磨之间模具服役的时间或冲裁次数，称为一次刃磨寿命。模具经多次刃磨后终因尺寸超差而最终失效，其服役总时间或冲裁总次数，称为最终寿命。,3/27/2023,29,根据被冲板料的厚度通常把冲裁模分为：,薄板冲裁模受力较小，其失效的主要形式是磨损。,厚板冲裁模受力较大，其失效形式除了磨损外，还可能发生局部断裂（崩刃），而当比值dt 较小时，还会引起冲头的宏观塑性变形或折断。如图1-5所示。,厚板冲裁模（t 15mm）,薄板冲裁模（t 15mm）,3/27/2023,30,3/27/2023,31,4模具刃口的损伤过程 模具在服役中的磨损过程，可分为初期磨损、稳定磨损和急剧磨
23、损三个阶段，如图1-6所示。,3/27/2023,32,在模具服役初期，刃口锋利，与板料接触面积小，单位面积压力大，易造成刃口局部塑变，故初期磨损阶段的磨损速度较大。,刃口磨损至一定程度，单位面积压力减轻，且刃口表面塑变强化，不再继续塑变，这时刃口的磨损主要由坯料的摩擦引起，磨损速度变缓，即进入稳定磨损阶段。,模具服役相当长的时间后，刃口因经受多次冲裁而趋于疲劳，局部表面开始剥落，即进入急剧磨损阶段。这时，会因冲裁件不合格而导致模具失效。,3/27/2023,33,影响模具磨损的主要因素有：（1）模具材料和被加工材料的成分、组织及性能；（2）模具和坯料的表面状态及粗糙度；（3）模具的工作条件如
24、冲裁力、冲裁速度、工作温度及润滑条件等。,3/27/2023,34,1212 冷挤压模和冷镦模 冷挤压模和冷镦模都是使金属坯料（一般非板料）在模具型腔内冷变形成形的模具。金属坯料的冷变形成形需要强大的压力或冲击力，使冷固态金属在型腔内塑变流动并充满型腔。因而，这类模具要承受很大的机械载荷和摩擦作用。,3/27/2023,35,1冷挤压模 按照被挤压金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，冷挤压可分为,正挤压,反挤压,复合挤压,工作零件,3/27/2023,36,在工作时，由于冲头要承受挤压件对其产生的多种应力，以及由于坯料端面不平整、冲头与凹模间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使冲头在挤压时承
25、受很大的偏载或横向弯曲载荷。在这些应力作用下，冲头的失效形式可能有塑性变形、折断、疲劳断裂和纵向开裂等，,3/27/2023,37,3/27/2023,38,如果凹模型腔结构比较复杂，存在有截面尺寸变化、沟槽或台阶时，则由于应力集中和应力状态的变化，或更增大脆性开裂倾向，或更易引起棱角倒塌等塑性变形失效。,另外，整体凹模和未经纵向分割的凹模模芯，均可因循环应力的多次作用而发生疲劳开裂。当模具负荷较重时，坯料变形、摩擦生热可使型腔表面的瞬时温度达到200300，由此造成的循环热应力将加速疲劳裂纹的萌生。冷挤压凸模和凹模，都要经受坯料塑变流动的剧烈摩擦，从而产生磨粒磨损和粘着磨损。模具工作表面的磨
26、损损伤将导致应力集中，在拉应力作用下有可能成为裂纹源。模具表面温度升高可导致材料表层软化或屈服强度降低，从而加速磨损失效过程。,3/27/2023,39,2冷镦模 冷镦模是在冲击力的作用下，凸模使金属棒料在凹模型腔内镦粗成形的冷作模具。主要用来加工各种形状的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。图1-11是冷镦模的工作示意图。,3/27/2023,40,冷镦模最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。其中，磨损失效可能有磨粒磨损、表面损伤、冲击磨损等多种失效形式，特别是凸模在冲击力的作用下，表面会产生剥落而出现麻坑，而由磨损所造成的表面损伤、麻坑、擦伤痕等，均可能成为疲劳裂纹源，导致模具的疲劳断裂。
27、除此之外，还可能产生凸模的塑性变形和折断，引起凹模的模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂等损伤，而出现模具的失效。,应该注意的是，由于冷挤压模和冷镦模受力较大，因而模具的结构、加工质量、润滑条件、维护保养以及冷挤压工艺设计等因素对模具的失效和寿命影响很大。在进行这类模具的失效分析时，应特别注意这些因素所起的作用。,3/27/2023,41,1213 冷拉深模 冷拉深模主要用于板材的冷拉深成形。模具在工作时，冲击力很小，单位面积的压力也不大，主要是模具型腔表面承受板材变形的剧烈摩擦。因而这种模具的失效形式主要是磨粒磨损和粘着磨损。,在冷拉深过程中，模具工作表面的某些局部负荷较重，摩擦热积累较多，承受挤压
28、力较大。在温度和压力的共同作用下，模腔局部表面可与坯料发生焊合，使小块坯料粘附在模腔表面形成很硬的“小瘤”，即发生了粘模。这些坚硬的“小瘤”将使拉深件表面产生划痕或擦伤，降低其表面质量。这时，必须对模具进行修磨和抛光才能继续使用，以便加工出合格产品。,3/27/2023,42,影响冷拉深模磨损失效和使用寿命的因素：被拉深板材的强度、厚度、表面状况、材料的成分和组织，均影响模具载荷的轻重和粘着（咬合）倾向的大小；在冷拉深作业中，润滑条件必不可少，润滑不良或润滑剂的种类不合适则不能有效地防止粘模；模具本身的硬度、耐磨性，型腔的结构、圆角半径和表面粗糙度对其咬合倾向和使用寿命影响也很大。,3/27/
29、2023,43,122 热作模具的工作条件及失效形式 典型的热作模具有锤锻模、机锻模、热挤压模、热冲裁模和压力铸造模等。各种热作模具既承受机械负荷，又承受热负荷，其失效形式和影响因素更为复杂。不同热作模具的工作条件有所不同，其失效形式也有各自的特点。,3/27/2023,44,1锤头 2上模 3飞边槽 4下模 5模座 6，8，9紧固楔铁 7模膛,3/27/2023,45,（1）模具的受力,锤锻模工作时承受多次冲击载荷，冲击力较大，且与锻锤的吨位有关。模具型腔受坯料变形的反作用，使型腔表面承受很大的压力。受模具型腔结构形状的影响，不同部位将会有不同的应力状态，如某些部位可承受弯曲或多向拉应力的作
30、用。结构形状复杂部位的应力状态一般也比较复杂。,（2）模具的受热,锤锻模在使用前先要进行预热，在使用中与炽热坯料接触又进一步被加热。另外与型腔表面摩擦所产生的热量也有一部分被模具吸收。模具受热后的温升，主要取决于坯料温度的高低和坯料与模具接触时间的长短。同时还与模具间的导热能力、模具的冷却或润滑条件、模具工作的频率等有关。,例如：在锻造钢件时，坯料温度通常在1000以上，模具型腔表面的温度一般可达到500600，其中凸起部位等吸热较多，温度可高达750。随着模具温度的升高，模具材料的力学性能将发生变化；当模具局部温度超过模具的回火温度时，这些部位将继续回火过程，从而产生组织和性能的变化；模具中
31、温度分布的不均匀性，将会导致出现热应力。所有这些，均影响锤锻模的失效过程和失效形式。,（3）模具的冷却,为减轻锤锻模的热负荷，控制其温升，通常在模具工作的间歇，对之进行冷却。如每锻压完一个毛坯后，用冷空气、水、油等介质冷却模具型腔；或在型腔表面涂抹润滑剂，既能减摩，又起到冷却作用。锤锻模在模具工作过程中，型腔不断受到加热和冷却的反复作用，即承受交变热负荷，其结果将会引起模具产生热疲劳现象。,（4）型腔表面摩擦,被锻金属坯料在模具型腔中热塑变流动，将对型腔表面产生摩擦作用。摩擦力的大小与正压力和摩擦表面的状况有关。在坯料能进行热塑变流动的情况下，正压力主要取决于热坯料的塑变强度，模腔表面受热氧化
32、也将影响摩擦和磨损过程。,3/27/2023,46,2锤锻模的基本失效形式 锤锻模在上述复杂的工作条件下服役；其失效形式也复杂多样。锤锻模承受机械负荷和热负荷较重的部分是型腔，其基本失效形式有型腔部分的模壁断裂，型腔表面热疲劳、塑性变形、磨损等。锤锻模的燕尾部分承受冲击载荷且有应力集中，因而燕尾开裂也是常见的基本失效形式。,3/27/2023,47,（1）模具型腔部分的断裂 锤锻模的尺寸较大，它的断裂不仅影响生产，而且危及人身安全，因而是最危险的一种失效形式。按其断裂的性质，它又可分为早期脆性断裂和机械疲劳断裂。,早期脆性断裂是在锤击次数较少时发生的，有的仅锻打几次就出现断裂。模具在很大的冲击
33、载荷作用下，在型腔部分受拉应力较大而又薄弱的部位可能产生裂纹，当裂纹受力扩展至一定尺寸时，便会发生快速失稳扩展而导致突然断裂。其断口的宏观形貌特征是从断裂源开始，裂纹呈人字花纹向外扩展。,机械疲劳断裂是在模具经受许多次锻击后发生的断裂。由于锤锻模所承受的冲击应力较一般机械零件承受的“静”载交变应力要大得多，故其疲劳断裂的周次远小于一般的高周疲劳，可以认为是较大冲击能量的冲击疲劳。其疲劳破坏的宏观和微观断口也具有一般疲劳断口的特征，但宏观断口上的裂纹扩展区一般较小。,3/27/2023,48,影响断裂的因素包括：模具结构设计不合理，存在薄弱部位和引起应力集中的结构；模具材料冶金质量不高，大模块又
34、难以锻透，存在有白点、疏松、非金属夹杂物、流线分布不合理等缺陷；热处理质量不良，存在淬火缺陷、内应力、回火硬度偏高及产生回火脆性等。上述因素均可诱发裂纹萌生，并导致早期脆断或机械疲劳断裂。,3/27/2023,49,（2）型腔表面的热疲劳 所谓“热疲劳”是零件（如热作模具）在循环热应力的反复作用下所产生的疲劳裂纹或破坏。由于锤锻模的截面尺寸较大，沿截面的温度梯度也大，其型腔表面受急热、急冷的作用而内层的温度变化较小。这样，型腔表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定周次，导致表面产生许多细小的裂纹，即热疲劳裂纹。热疲劳裂纹可以呈条状、放射状，有的则连成网状，所以常称为“龟裂”，如图
35、1-13所示。,3/27/2023,50,图1-13 网状热疲劳裂纹金相图,3/27/2023,51,热疲劳裂纹属于细小浅表裂纹，一般仅数毫米。除了表面质量要求高的精锻模外，普通锻模出现热疲劳裂纹后仍能继续服役。但是，在机械应力的继续作用下，加上继续氧化腐蚀，以及由于坯料的摩擦、挤入所产生的对裂纹的扩张作用，可使裂纹继续向纵深扩展，并可能成为脆断和疲劳断裂的裂纹源。,3/27/2023,52,影响模具热疲劳的因素主要是：模具型腔表面的温度变化幅度（即循环温差）；模具材料的抗氧化性、导热性和热膨胀系数。,3/27/2023,53,模具型腔表面的致密氧化物层可阻缓继续氧化过程，但氧化层增厚以致破裂
36、后，便露出基体金属并产生侵蚀沟，如图l-14所示。,沟底的应力集中易使热疲劳裂纹萌生，沟底氧化物的不断产生和聚集，使它在循环热应力作用下起着楔子的作用，大大加速裂纹的扩展。,3/27/2023,54,（3）型腔表面的磨损 锤锻模在机械负荷和热负荷的作用下，其型腔表面的磨损非常复杂。在多次重复冲击作用下，一方面坯料对型腔表面产生冲击性的接触应力，另一方面坯料塑变流动对型腔表面产生强烈的摩擦。在热负荷的作用下，型腔表面层可能发生软化，同时表面的氧化也将加剧。,在型腔表面与坯料滑动摩擦较小的部位，由于较大接触应力的重复作用，易使型腔表面产生小块剥落，形成痘状麻坑。在型腔表面受坯料滑动摩擦较大的部位，
37、由于摩擦切应力和热负荷的作用，则易使型腔表面产生氧化磨损和热粘着磨损。,3/27/2023,55,当模具表面形成薄而致密的氧化膜时，可具有润滑和减摩作用，能防止热粘合现象。但在温度较高，所形成的氧化膜厚而疏松时，则由于氧化膜容易破裂、剥落，且氧化物碎片又成为磨粒，将加剧型腔表面的磨损。,对模具磨损影响较大的因素是:,模具的温度;,模具材料的化学成分和硬度;,模具型腔的表面状况;,模具的使用条件等。,3/27/2023,56,（4）模具型腔的塑性变形 锤锻模的塑性变形常发生在模具型腔中受力大且受热温升高的部位。温度升高使模具材料的屈服强度下降，且当温度高于模具的回火温度时，则进一步使之软化。当软
38、化部位的屈服点低于该部位所承受的应力水平时，就会产生塑性变形。,模具型腔中的肋、凸台等突出部位吸热较多，温度较高，受力也较大，另外在模具型腔深处，则常因热处理后硬度偏低，所以这些部位便会出现棱角堆塌、型腔凹陷等塑变现象。,3/27/2023,57,（5）模具燕尾开裂 锤锻模上、下模块的燕尾是安装固定模块的部位，燕尾根部凹槽有应力集中，尤其当存在加工刀痕时，易在冲击载荷的重复作用下，在刀痕处萌生疲劳裂纹，裂纹沿刀痕横向延伸并向纵深扩展，造成燕尾开裂。据有关统计资料介绍，国内有10%30%的锤锻模因燕尾开裂而失效。,为了减少燕尾开裂，除了考虑结构设计、表面粗糙度和模具的安装固定等因素外，还应考虑燕
39、尾部分的硬度和微观组织。硬度过低则对裂纹萌生的抗力低，硬度过高则对裂纹扩展的抗力低，适宜的硬度和组织才能使燕尾有最高的疲劳抗力。,3/27/2023,58,燕尾开裂,型槽开裂,热疲劳,塌陷,磨损,3/27/2023,59,1222 压力机锻模 压力机锻模在服役时，承受巨大的压力，当模具在曲柄压力机和水压机上工作时，所承受的压力主要是静压力，而冲击力较小。与锤锻模相比，炽热的金属坯料在型腔中停留的时间较长，压力机锻模的型腔温度明显比锤锻模要高，受热更严重。所以，压力机锻模中的热应力及其变化幅度均大于锤锻模，同时，模具型腔表面所经受的氧化腐蚀也较严重。,3/27/2023,60,压力机锻模的失效形
40、式主要有：,脆性断裂失效；,冷热疲劳失效；,塑性变形失效；,磨损失效；,模具型腔的表面氧化腐蚀失效等。,3/27/2023,61,1223 热挤压模 热挤压模是使被加热的金属坯料在高温压应力状态下成形的一种模具。1热挤压模的工作条件 和冷挤压工艺类似，热挤压工艺也分为正挤压、反挤压、复合挤压。另外，因热坯料的塑变流动性好，还能采用坯料流动方向与冲头运动方向相垂直的径向挤压工艺。无论哪种挤压方法，所用模具的主要组成部分也都是冲头和凹模。模具的工作条件和失效形式，也是针对冲头和凹模而言。,3/27/2023,62,热挤压模 锤锻模,压力机的加载速度,低,高,模具与热坯料的接触时间,长,短,模具承受
41、的热负荷,大,小,模具承受冲击载荷,对模具型腔产生的摩擦,小,大,大,小,3/27/2023,63,为防止模具温升过高，需要对模具，尤其是对冲头进行冷却。冷却有内冷和外冷两种方式，或者二者并用。采用内冷时，应将模具设计成空心结构，里面通入循环自来水。外冷通常和模具的润滑相结合，在每次脱模后，用润滑和冷却介质涂抹模具的工作表面。因此，热挤压模具也要经受急热急冷的交替作用。,3/27/2023,64,2热挤压模的失效形式 热挤压模具的冲头和凹模，其基本失效形式与锤锻模类似，有早期脆断、疲劳断裂、热疲劳、型腔堆塌和磨损等。,引发脆断失效的原因，往往可能是模具严重偏载，或表面有严重应力集中（由设计、加
42、工因素或表面损伤因素等引起），或模具材料存在冶金缺陷，或模具表面产生工艺裂纹（如淬火裂纹、磨削裂纹等）。,3/27/2023,65,热挤压模在使用中普遍产生热疲劳裂纹和热磨损沟痕，从而成为模具断裂的裂源。另外塑性变形和磨损也是它主要的失效形式。常见的塑性变形表现为冲头镦粗、弯曲，凹模型腔的局部堆塌。,当模具工作面采用油质润滑剂进行润滑，不仅冷却效果不如水质润滑剂，更由于润滑油的燃烧产生高压气体，对模具工作表面强烈冲刷，还会产生气蚀磨损沟痕这一特殊的损伤形式。如图1-16所示。,3/27/2023,66,气体冲击,3/27/2023,67,1223 热冲裁模 热冲裁模主要用于冲切模锻件的飞边和连
43、皮，冲裁工作可以在模锻锤或压力机上进行。模具主要靠凸模和凹模进行工作，工作时模具刃口承受挤压、摩擦和一定的冲击载荷，同时还受热毛坯的传热而升温。其机械负荷和热负荷的大小与毛坯尺寸及锻压设备的特性有关。其主要失效形式是热磨损、崩刃和断裂。,3/27/2023,68,1224 压力铸造模 压力铸造模（简称压铸模）是在压铸机上用来压铸金属铸件的成形模具，图1-17为压铸模工作示意图。压铸模的型腔表面承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸脱模后，还要对型腔表面进行冷却、润滑，使模具承受频繁的急热、急冷作用。但由于被压铸的金属材料不同，其熔化加热的温度差别很大，使得压铸模工作条件的苛刻程度有
44、很大的差别。举例如下：,3/27/2023,69,3/27/2023,70,1压铸锌合金时，压铸模型腔的表面温度不超过400，热负荷较小，模具的工作寿命较长。,2压铸铝合金时，压铸模型腔的表面温度可达600左右，失效形式主要是粘模、侵蚀、热疲劳、磨损和断裂。,3压铸铜合金时，压铸模型腔的表面温度可达750以上，主要失效形式是热疲劳龟裂，使用寿命远低于压铸铝合金。,4压铸铁合金时，压铸模型腔的表面温度高达1000以上，模具的寿命极低，往往压铸几百次即告失效。,高,低,压铸模的寿命主要受压铸件材料熔化温度的影响，熔化温度越高的材料，压铸时模具的寿命就越低。,3/27/2023,71,123 塑料模
45、具的工作条件及失效形式 根据成型方法不同，塑料模可分为注射模、压缩模、压注模、挤出模和气动成型模等。其中，使用最广的是注射模，其次是压缩模和压注模，近年来随着塑料在建材和包装行业的大量使用，使得挤出模和气动成型模也得以迅速发展。,3/27/2023,72,1231 塑料模的工作条件 塑料模的主要工作零件是成型零件，如凸模、凹模等，它们构成塑料模的型腔，以成型塑料制件的各种表面，并直接与塑料接触，经受其压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。塑料模型腔承受的注射压力一般为40140MPa，闭模压力为80300MPa或更高，受热温度为140300，其具体参数与塑料的种类有关。型腔表面承受摩擦和腐蚀的剧烈程度
46、更是取决于塑料的种类及其填充物的性质，不同的塑料之间差别很大。对于需要手工操作的模具，如移动式压缩模或压注模，在装模和脱模时还经常受到手用工具的敲击和碰撞。,3/27/2023,73,在分析塑料模的工作条件和失效形式时，应该了解塑料制件成型对模具的基本要求。首先，塑料制件的外观要求很高，透明制件的要求更高，因而要求模具成型面的表面粗糙度值很低，少量的磨损或腐蚀便可导致失效，须重新抛光复原才能继续使用。其次，模具各成型零件的尺寸精度和相互配合的精度要求高，另外，当塑件形状复杂时，模具型腔的结构也相应地复杂，这导致型腔局部应力状态复杂，有较大的应力集中，从而影响模具的承载能力。由于上述三个方面均与
47、模具的切削加工及抛光有关，从而使得塑料模的制造难度大，费用高。因此，防止塑料模早期失效具有重要意义。,3/27/2023,74,1232 塑料模的失效形式 塑料模在服役过程中，可产生磨损、腐蚀、塑性变形、断裂、疲劳及热疲劳等失效形式，这些失效形式都是和塑料模的工作条件及使用要求密切相关的。,3/27/2023,75,1型腔表面的磨损和腐蚀 塑料熔体以一定压力在模腔内流动，凝固的塑件从模具中脱出，都对模具成型表面造成摩擦，引起磨损。当塑料中含有较硬的固体填料如硅砂、钛白粉、玻璃纤维等，磨损更为剧烈。在压缩模中，塑料原料多以固态粉状加入型腔，且多含有木粉等填料，它们在加热加压、熔融流动的过程中，对
48、压缩模型腔的磨损也很严重。图1-18为塑料及填料不同时压缩模的磨损曲线。,3/27/2023,76,随着模压次数增加，磨损量加大，模腔表面的粗糙度值也将变大，而当表面被拉毛、产生划痕，造成塑件表面质量不合格时，模具暂时失效，须经重新抛光才能继续使用。反复地磨损、抛光将导致模具尺寸超差而最终失效。,1含矿物填料的氨基塑料,2玻璃纤维增强塑料,3增强酚醛树脂,4普通胶木粉,3/27/2023,77,模具在加工某些含有氯原子或氟原子的塑料时，由于塑料受热会产生少量的热分解，所放出的HCI、HF等气体将会腐蚀模腔表面，从而导致失效。如果在腐蚀的同时又有磨损损伤，使型腔表面的镀层或其他防护层遭到破坏，则
49、将促进腐蚀过程。两种损伤交叉作用，加速了腐蚀-磨损失效。,3/27/2023,78,2塑性变形 塑料模型腔表面受压、受热可引起塑性变形失效，尤其是当小模具在大吨位设备上工作时，更易产生超负荷塑性变形。塑性变形多发生在受力较大的棱角处，其表现形式为棱角堆塌，在型腔的其他部分可出现凹陷、麻点、表面起皱等。,其他容易引起塑性变形的因素有：型腔表面强化层太薄，经磨损后变形抗力不足；模具热处理时回火不足，工作时受热继续回火转变而产生相变超塑性等。,3/27/2023,79,3断裂 当塑料模型腔结构比较复杂，同时承受压力较大时，局部可能出现复杂的应力状态，再加之结构因素引起的应力集中，可能使模具产生断裂失
50、效。另外模具热处理不当，也是引起模具开裂的因素。,4疲劳和热疲劳 塑料模的机械负荷和热负荷是循环变化的。由于一次接一次的重复工作，使型腔表面承受脉动拉应力和冷热的温度变化，从而导致应力集中处萌生热疲劳裂纹，最终成为断裂或疲劳断裂的裂源。,3/27/2023,80,13 模具材料的抗失效性能指标 各种模具在服役过程中都要承受一定的机械负荷，有的还要经受热负荷和环境介质的作用。在这些因素的作用下，经过一定的服役周次，模具可能会发生过量变形、断裂和表面损伤等失效现象。任何模具都是用一定的材料制造的，模具的失效实质上就是在特定负荷作用下，具有特定形状的模具材料的失效。,3/27/2023,81,材料对
