1、1,参考教材： 1.模具材料.高为国.机械工业出版社.2006.1 2.模具材料与使用寿命.模具实用技术丛书编委会.机械工业出版社.2004.9主讲人：饶晓晓 email: tel:13636184234,2,课程内容提纲,第1章 序言第2章 冷作模具材料及热处理第3章 热作模具材料及热处理第4章 塑料模具材料及热处理第5章 其它模具材料及热处理第6章 模具表面处理技术,3,第1章 序言,1.1 模具材料的分类1.2 模具的失效分析1.3 典型模具的服役条件及失效形式1.4 模具的使用寿命及影响因素1.5 模具材料的性能、选用与发展,4,模具在现代工业中的作用,随着现代工业技术的发展，为提高产
2、品质量，降低生产成本，提高生产效率和零件材料的利用率，国内外的生产厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺，如精密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压等成形技术来代替传统的切削加工工艺。而模具成形技术是首选的工艺手段之一，在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、等行业应用广泛。 模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工产品的质量和生产的效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素。因此世界各国均致力于开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、加强对模具的维护等措施来提高模具的寿命,5,模具在现代工业中的作
3、用,建国以来，我国在模具材料方面有了很大的发展，初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等系列材料，并在模具制造业广泛使用。同时，针对不同的工作条件与环境因素，开发了多种先进的模具材料。,6,1.1 模具材料的分类,根据服役条件 ，模具材料分为冷作模具材料热作模具材料塑料模具材料其他模具材料,7,1.1 模具材料的分类,一、冷作模具材料冷作模具材料应用量大使用面广，其主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性。近年来碳素工具钢的使用愈来愈少，而高合合钢模具所占的比例为最高。国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具钢O1（9CrWMn)、中合金模具钢A2（Cr
4、5Mo1V)和高碳高铬模具钢D3（Cr12)、D2(Cr12Mo1V1)等,8,常用冷作模具材料,1.1 模具材料的分类,一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢,一种多相结合材料，耐磨性、硬度、机械化强度都较高。不能进行切削加工。,以高熔点碳化物WC、TiC为硬质相，以碳素工具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻造、切削加工、焊接及热处理性能，又具有硬质合金的高硬度、高耐磨性的特点,9,冷作模具钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，使用硬度高于58HRC。9CrWMn为典型代表的低合金冷作模具钢，仅用于小批量生产中的简易型模具和承受冲击力
5、较小的试制模具；Crl2型高碳合金钢是大多数模具的选用材料，这类钢的强度和耐磨性较高，韧性较低；在对模具综合力学性能要求更高的场合，常用的替代钢种是W6Mo5Cr4V2高速钢和基体钢。,1.1 模具材料的分类,10,由于温度和冷却条件(有无冷却、如何冷却)这两个因素，热作模具的工作条件远比冷作模具复杂，因而热作模具用材的系列化，除少数外不如冷作模具用材系列完整。热作模具用材的选择，在力学性能方面要兼顾热强性(热耐磨性)和抗裂纹性能。但由于加工对象(热金属)本身强度不高，故对热作模具材料的屈服强度要求并不高，而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的局部急热急冷特性，对韧性提出了较高要求。,二、
6、热作模具材料,1.1 模具材料的分类,11,1.1 模具材料的分类,3Cr2W8V，广泛用于制造黑色和有色金属热挤压模及Cu、Al合金的压铸模，但热稳定性差,4Cr5MoSiV1，具有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过600时代替H21,12,由于塑料模具的工作条件(加工对象)、制造方法、精度及对耐久性要求的多样性，所以塑料模具用钢的成分范围很大，各种优质钢都有可用之处，且形成了范围很广的塑料模具用材料系列。,1.1 模具材料的分类,三、塑料模具材料,13,1.1 模具材料的分类,为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形，保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。在钢厂经过充分锻打后制成模块预
7、先调质要求的硬度（3035HRC）后供使用单位制造模具，切削加工成形后不再进行热处理直接使用,为避免形状复杂、精密、要长寿命的塑料模具在热处理过程中变形，这类钢在固溶处理后进行切削加工，现进行低温时效硬化处理获得要求的力学性能，时效处理后不再进行切削加工即可得到精度很高的模具成品,14,在三大类模具材料之外，还有铸造模具钢、有色合金模具材料、玻璃模具材料等，陶瓷模具、建材成型模具。另外我国还开发研制了特种新型模具用材。,四、其他模具材料,1.1 模具材料的分类,15,通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸件，与传统的模具生产工艺比较可以节省加工工时，降低金属消耗，缩短模具制造周期，降低模具制
8、造费用。如美国ASTM一A597铸造工具钢标准中包括7个钢号。其中冷作模具钢4种、热作模具钢2种、耐冲击工具钢1种。,(一)铸造模具钢,1.1 模具材料的分类,16,我国不少部门也开始研制并采用精密铸造工艺生产模具，如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢ZG7CrSiMnMov实型铸造工艺，生产出汽车大型覆盖件冲模的刃口镶块模，取得了良好的使用效果和经济效益。,东风汽车模具有限公司,1.1 模具材料的分类,17,我国研制的铸造热锻模用钢JCD钢已经试用于小型热锻模块，代替5CrMnMo钢锻造模具。我国研制的铸造锻模钢ZDM2(3Cr3MoWVSi)钢，采用陶瓷型精密铸造工艺，通过几十种
9、锻模的生产试用，代替传统的5CrNiMo和3Cr2W8V锻模，取得了较好的使用效果和经济效益。,1.1 模具材料的分类,18,随着工业产品的多样化和中小批量生产的增加， 一些低成本、易加工、制造周期短以及具有特殊性能的有色金属材料模具也逐渐增多，使用较多的是铜、铝、锌合金。 铜合金模具的抗粘着性和热导件好，常用作不锈钢和表面处理钢板的拉伸模和弯曲模具，近年来也用于注射模。常用作模具的是铍青铜，由于铍是公害元素，最近国外又开发出了含Ni-Si的Corson铜合金，这种析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。,(二)有色合金模具材料,1.1 模具材料的分类,19,铝合金除用于模具的导板、导柱等构件
10、外，现在5000系和7000系铝合金也应用于一些小批量生产的试制模具，如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。 锌合金的熔点较低，易于熔化和铸造，切削加工性能好，且可反复回收使用，常常被用作试制模具，主要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本近几年又在传统制模用的锌合金基础上，添加Cu、Al、Ti、Be等元素，开发出了新型的锌合金材料。,1.1 模具材料的分类,20,玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻璃制品成型过程中，模具频繁地与1100以上的熔融玻璃液接触，经受氧化、生长和热疲劳作用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式，对模具材料的要求以抗氧化为最主要指标。通常采用耐热合金钢，如3
11、Cr2W8V、5CrNiMo以及合金铸铁等。,三)玻璃模具材料,1.1 模具材料的分类,21,除了上述几类模具材料外，还开发研制了特种模具用材，如CrMnN系无磁模具钢(用于电子产品的无磁模具)、高温玻璃模具钢(用于高温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模具)、陶瓷模具、复合材料模具等。,四)特种新型模具材料,1.1 模具材料的分类,22,1.2 模具的失效分析,模具失效是指模具丧失正常的使用功能，其生产出的产品已成为废品，模具不能通过一般的修复方法(如刃脚、抛磨等)使其重新服役的现象。1、模具失效既有达到预定寿命的正常失效，也有远低于预定寿命的非正常失效(早期失效)。非正常失效常常造成人身
12、或设备的恶性事故，并造成经济上的损失，因此应尽量加以避免。失效分析的任务：通过对模具失效进行分析，找出模具失效的具体原因，则可以采取相应的措施加以改进，以提高模具的使用寿命。,23,模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目，若其亦使用过程中经过多次修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现，在一定程度上反映了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水平。,1.2 模具的失效分析,24,要研究模具的失效问题，就要了解各类模具的服役条件和失效形式，以便分析其失效原因，合理地选
13、择模具材料，改进模具的设计、加工和热处理工艺，提出预防或推迟失效的措施，不断提高模具的使用寿命。,一、模具主要失效形式,1.2 模具的失效分析,25,模具的基本失效形式是断裂及开裂、磨损、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式，各种损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展，而当某种损坏的发展导致模具失去正常功能，则模具失效。 图11举出了几种常见的模具失效形式。对不同类型模具，损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在变化，如冷作模具脆断，热作模具冷热疲劳、裂纹及变形，而冷、热作模具都可能因磨损而失效。,1.2 模具的失效分析,26,27,了解了模具失效形式，就可以进一
14、步分析模具的失效原因，找出影响模具失效的各种因素，从而提高模具质量，延缓模具失效。,1.2 模具的失效分析,28,模具的失效般都存在一个变化过程，如断裂失效就可能经历：表面产生缺陷表面微裂纹裂纹扩展最后断裂的变化过程。模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。,1.2 模具的失效分析,29,模具的失效一般可分为非正常失效(也称早期失效)和正常失效两类。非正常失效发生在模具使用的初期，主要是由模具设计和制造过程中的
15、缺陷引起的，失效出现的几率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低。,1.2 模具的失效分析,30,模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的失效称为正常失效，模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。在模具经过了长期使用后，由于使用损伤的大量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的使用寿命极限。在模具的使用过程中，注意做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到来，有助于提高模具的使用寿命。,1.2 模具的失效分析,31,1过量变形失效 过量弹性变形失效、过量塑性变形(如局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大等)失效、蠕变超限等。 2表面损伤失效 主要包括表面磨损
16、(如粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等)失效、表面腐蚀(如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等)失效、接触疲劳失效等。 3断裂失效 主要有塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、应力腐蚀断裂失效等。,二、模具失效的分类,1.2 模具的失效分析,32,(一)磨损失效由于模具表面的相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损。模具在工作中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动而造成磨损，当这种磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工作时，则称为磨损失效。,三、模具的失效机理分析,1.2 模具的失效分析,33,磨损有很多种类型，按磨损机理不
17、同可分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。 1磨粒磨损 工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。磨粒磨损的机理如图11所示。,1.2 模具的失效分析,34,1.2 模具的失效分析,35,影响磨粒磨损的因素主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度等。磨粒的外形越尖，则磨损量越大；磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当磨粒的尺寸达到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内；磨粒硬度Ha与模具材料硬度 Hm的比值Ha/Hm小于l时，磨损量较小，比值增加到1以上时，磨损量急剧增加，
18、而后逐渐保持在一定的范围内；随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝面使磨损量的增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。,1.2 模具的失效分析,36,提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量；对模具进行表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性的条件下，提高其耐磨损性能；在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表面上的磨粒，可以减少磨粒侵入的几率，能有效地减少模具的磨损。,1.2 模具的失效分析,37,由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成粘着点发生断裂面使模具材料发生剥落的现
19、象称为粘着磨损。 影响粘着磨损的主要因素：材料性质、材料硬度、表面压力等选择与工件材料互溶性小的模具材料，可减少两材料之间的溶解性，降低粘着磨损量；合理选用润滑剂，形成润滑油膜，可以防止或减少两金属表面的直接接触，有效地提高其抗粘着磨损能力；采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低粘着磨损。,2粘着磨损,1.2 模具的失效分析,38,1.2 模具的失效分析,39,在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。在模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，这些应力
20、反复作用一定的周期后,模具表面就会产生局部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄弱的地方，会由于应力集中而形成裂纹源，并在外力的作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。,3疲劳磨损,1.2 模具的失效分析,40,影响疲劳磨损的因素主要有材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度等。钢中的气体含量，非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布等是影响疲劳磨损的重要因素材料硬度，一般情况下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳磨损。材料的表面粗糙，会使接触应力作用在较小的面积上，形成很大的接触应力，加速疲劳磨损，因此降低模具表面模粗糙度
21、可以提高模具的抗磨损能力。,1.2 模具的失效分析,41,为了更好地提高模具的抗疲劳能力，应选择合适的润滑剂，用以润滑模具与工件的表面，避免或减少模具与工件材料之间的直接接触，降低接触应力，减少疲劳磨损量。其次，可以在常温状态下，通过对模具表面进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面因受压变形而产生一定的残余压应力，有利于提高模具的抗疲劳磨损的能力。,1.2 模具的失效分析,42,(1)气蚀磨损；由于金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象称为气蚀磨损。 (2)冲蚀磨损：固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式反复落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到损
22、失而形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。(3)腐蚀磨损：在工作过程中，模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应，以及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。,4其他磨损,1.2 模具的失效分析,43,1.2 模具的失效分析,44,模具在工作中出现较大型纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。断裂是最严重的失效形式。断裂失效分类，按照断裂的性质脆性断裂和韧性断裂；按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂；按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等。由于模具材料多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时没有或仅有少
23、量的塑性变形发生，因而经常表现为脆性断裂。,（二)断裂失效,1.2 模具的失效分析,45,1.2 模具的失效分析,46,1一次性断裂 模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂称为一次性断裂。一次性断裂的断口呈结晶状，根据裂纹扩展路径的走向不同，可将其分为沿晶断裂和穿晶断裂两种。,1.2 模具的失效分析,47,(1)沿晶断裂：是指裂纹沿晶界扩展而造成材料脆性断裂的现象。一般情况下晶界处的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。而造成晶界弱化的基本原因有两个，一是材料的性质，二是环境介质或高温的促进作用。 一般来说，晶界强度与晶内强度都随温度发生变化
24、，如图1-5所示。在某一温度时，晶界强度与晶内强度相等，这一温度称为等强温度。材料温度高于等强温度时易产生沿晶断裂，材料温度低于等强温度时易产生穿晶断裂。,1.2 模具的失效分析,48,1.2 模具的失效分析,沿晶断裂,穿晶断裂,49,(2)穿晶断裂：是指因拉应力作用而引起的沿特定晶面的断裂，也称为解理断裂。当模具材料的韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲责载荷时，易产生穿晶断裂。,1.2 模具的失效分析,50,疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，出裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象。疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面或次表面，但其形成方式各有
25、不同。,2疲劳断裂,1.2 模具的失效分析,51,(1)裂纹的萌生：疲劳裂纹常常在表面不均匀处、晶界、夹杂物和第二相处形成。 模具上的尺寸过渡处、加工刀痕、磨损沟痕等易产生应力集中，在循环应力作用下易产生滑移变形，而出现的变形台阶极易成为疲劳裂纹源。,1.2 模具的失效分析,52,(2)裂纹的扩展：在循环应力的作用下，己形成的裂纹便沿着主滑移面向模具材料内部扩展，此时与拉应力轴呈约45的角度，当遇到晶界时其裂纹扩展位向会稍有改变；当扩展的裂纹遇到夹杂物或第二相这样的障碍物时，就会转向与拉应力轴相垂直的方向扩展。,1.2 模具的失效分析,53,影响模具断裂失效的因素：模具结构和模具材料。模具结构
26、:由于模具成形结构工艺性的要求，在模具零件上会存在截面突变、凹槽、尖角、圆角半径等，易产生应力集中，形成裂纹并导致断裂失效。 措施:适当增大模具圆角半径、减小凹模深度、减少尖角数量、尽量避免截面突变等。 模具材料: 冶金质量和加工质量。钢中的非金属夹杂物、中心疏松、白点成分偏析、碳化物大小、形状及分布不理想均以降低钢的强韧性及疲劳抗力。模具材料的断裂韧度越高，则越有利于防止裂纹的萌生及扩展，从而减少模具的断裂失效。,1.2 模具的失效分析,54,模具在使用过程中由于发生塑性变形而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效。主要形式有塌陷、撤粗、弯曲等。,（三）塑性变形失效,1.2 模具的失效分
27、析,55,模具在工作时一般承受很大的不均匀应力，当模具的某些部位所承受的应力超过工作温度下模具材料的屈服强度时，就会产生塑性变形而造成模具的失效。在室温下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于模具的载荷与室温屈服强度；而在高温下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。,温度对塑性变形的影响,1.2 模具的失效分析,56,由于模具的受力复杂，工作条件苛刻，在使用过程中可能同时出现多种损伤形式，各种损伤交互作用，最后形成了一种主要的失效形式。例如，磨损沟痕可能成为裂纹的发源地，由磨损形成的裂纹在应力作用下发生扩展就会产生断裂；,1.2 模具的失效分析,
28、57,模具产生局部磨损后，便会使其承载能力下降，将造成另一部分承受过大的应力而产生塑性变形；局部塑性变形会改变模具零件之间的正常配合关系，均匀的承载状况被打破，将会造成模具的不均匀磨损，也可能由于应力集中的出现而产生裂纹，造成模具的过早断裂。,1.2 模具的失效分析,58,了解模具的主要失效形式，寻找其失效的具体原因和主要影响因素,掌握各种失效形式所占的比例以及各种失效模具的使用寿命，并从理论加以分析与综合，以便为合理的选样模具材料、优化模具结构设计、正确制定模具制造工艺以及为新型模具材料的研制和新工艺的开发等提供指导性数据，并且可据此项测模具夜特定工作条件下的使用寿命。,四、模具的失效分析过
29、程,1.2 模具的失效分析,59,(一)模具失效分析的主要任务 模具失效分析的任务就是要正确判断模具失效的性质、分析模具失效的原出、提出防止模具失效的具体措施。模具失效性质的判断主要依据失效模具的形貌特征、应力状态、材料强度和环境因素等，而模具失效原因的分析和防止模具失效措施的提出，主要从以下几个方面考虑。,1.2 模具的失效分析,60,1合理选择模具材料2合理设计模具结构 3保证加工和装配质量4严格模具的质量控制5进行模具的表面强化6合理地使用、维护和保养模具,分析原因与措施应考虑的几个方面,1.2 模具的失效分析,61,1现场调查与处理 进行模具失效的现场调查，主要包括对模具现场的保护、观
30、察模具失效的形式与部位、了解生产设备的使用状况和操作工艺、询问具体操作情况和模具失效过程、统计模具的寿命、收集并保存失效的模具等(保护断口)，以供失效分析用。,（二）模具失效分析的方法和步骤,1.2 模具的失效分析,62,采用化学成分分析、力学性能测定、金相组织分析、无损探伤等方法，复查材料的化学成分和冶金质量。通过翻阅有关技术资料和检测报告、检查同批原材料、询问生产人员等方式，详细了解模具的材质状况、锻造质量、机械加工质量、热处理和表面处理质量、装配质量等情况，核实各个环节是否符合有关标准规定以及模具设计和工艺上的技术要求。查阅模具工作记录、检修与维护记录、了解生产设备的工作状况及被加工坯料
31、的实际情况，调查有关模具的使用条件和具体使用状况，了解模具按操作规程操作时有无异常现象等。,2模具材料、制造工艺和工作情况调查,1.2 模具的失效分析,63,模具的工作条件包括模具的受载状况、丁作温度、环境介质、组织状态等。受载状况包括载荷性质、载荷类型、应力分市、应力集中状况、是否存在最大应力以及最大应力的大小及分布等；模具的工作温度包括工作温度的高低、工作温度的变化幅度、热应力的大小等；环境介质包括介质的种类、含量、均匀性以及是否带有腐蚀性等；组织状态包括模具的组织类型、组织的稳定性、组织应力的大小与分布等。,3、模具的工作条件分析,1.2 模具的失效分析,64,对失效的模具进行损伤处的外
32、观分析、断口分析、金相分析、无损探伤等，了解模具损伤的种类，寻找模具损伤的根源观察损伤部位的表面形貌和几何形状、断口的特征、模具的内部缺陷、金相组织的组成及特征结合各部分的分析结果，综合判断模具的失效原因以及影响模具失效过程的各种因素。,4模具失效的综合分析,1.2 模具的失效分析,65,模具失效的原因一般有模具的工作环境、模具质量、操作人员的水平和经验、生产管理制度等，其中最主要的是模具质量。因此，在分析模具失效原因时，应特重点放在主要影响模具质量的制造过程方面，制造过程方面的原因主要有模具材料的选择与冶金质量问题、模具结构设计的不合理、毛坯锻造质量差、存在机械加工缺陷、热处理工艺选择不当、
33、模具装配精度不高和维护不良等。,1.2 模具的失效分析,66,在实际生产中，模具的工作条件和工作环境往往比较复杂，因而其失效形式以及引起模具失效的原因也是多种多样的，对其进行失效分析的具体方法和步骤也各不相同。只要掌握了模具失效分析的一般规律，充分利用已有的技术资料和分析手段对失效模具进行综合分析，就能淮确找出其失效原因。,1.2 模具的失效分析,67,通过对失效模具进行综合分析，找出引起模具失效的原因，有针对性地提出防护措施，避免或减少该种失效的重复发生。但是，同一模具可能有不同的损伤出现，而最终先导致模具失效的形式可能是其中的一种。当我们采取相应的措施防止了该种形式的失效以后则另外一种失效
34、形式又可能成为主要的失效形式又需要我们采取另外的措施去解决新出现的失效问题，直到获得满意的程度。,5提出防护措施,1.2 模具的失效分析,68,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,一、冷作模具的服役条件及失效形式 冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。典型的冷作模只主要有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。各类冷作模具都是在常温下对工件材料施力，使其产生变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的成品件。由于各类冷作模具的具体服役条件不同，则其失效形式也有各自不同的特点。,69,1冷冲裁模 冷冲裁模的工作对象：钢板、有色金属板材或其他板材冷冲裁模的主要工作部位：凸模
35、(冲头)和凹模的刃口，靠它们对金属板料施加压力，使其产生弹性变形、塑性变形和分离的过程。模具受力形式：凸模的压力通常大于凹模，在冲裁软质薄板时，凸模承受的压力并不大；在冲裁中、厚钢板，尤其是在厚钢板上冲裁小孔时，凸模所承受的单位压力很大，同时，还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,70,模具最常见的失效形式：磨损失效。从磨损机理上看，主要是粘着磨损，同时也伴随有磨粒磨损和疲劳磨损；从磨损的部位考虑，则可细分为刃口磨损、端面磨损和侧面磨损三种。薄板冲裁模受载荷较小，其失效形式主要是磨损，只有在热处理不当或操作失误的情况下，才可能出现脆性断裂失效；而厚板冲裁
36、模（t1.5mm）则受载荷较大，其失效形式除了磨损以外，还可能发生塑性变形、断裂或崩刃等失效,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,71,冷拉深模是将板材进行延伸使之成为一定尺寸、形状产品的模具。冷拉深模的工作对象：钢板、有色金属板材或其他板材，冷拉深模工作状况：凸模、凹模和压边圈的工作部位均无锋利的尖角，模具零件的受力不像冷冲裁模那样限定在较小的范围内，凸模和凹模之问的间隙一般比板材厚度大，模具较少出现应力集中；模具在工作时不易产生偏载，所承受的冲击力很小.模具受力形式：凸模承受压力和摩擦力，凹模承受径向张力和摩擦力。模具的主要失效形式：磨粒磨损和粘着磨损，有时还会产生咬合、擦伤、变形等失效
37、形式。,2冷拉深模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,72,3冷镦模 冷镦模是在冲击力的作用下将金属棒状坯料镦成一定形状和尺寸产品的冷作模具，主要用来加工各种形状的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。模具受力形式：在冷镦加工过程中，冲击频率高(60120次min)，冲击力大，金属坯料受到强烈地镦击，同时，模具也同样受到短周期冲击载荷的作用；由于是在室温条件下工作的，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产生强烈地摩擦。冷镦模最常见的失效形式：磨损失效和疲劳断裂失效。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,73,冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似
38、于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。根据金属坯料的流动方向与凸模运动方向之间的关系，可将冷挤压分为正向挤压、反内挤压、复合挤压和径向挤压四种类型，如图l9所示。,4冷挤压模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,74,图1-9 金属挤压类型示意图a)正挤压 b)反挤压 c)复合挤压 4)径向挤压,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,75,模具受力状况：在进行冷挤压加下时，金属坯料承受强烈的三向压应力，同时产生很大的摩擦力。一般在挤压钢材时，正挤压力约为2000一2500MPa，反挤压力为300032500MPa；在挤压有色金属材料时，其挤压力也会达到1000MPa。在挤压时
39、形成的摩擦功和变形能会转化为热能，产生挤压中的热效应，导致模具的局部表面产生400以上的高温；此外，出于金属坯料端面不平整、凸模与凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使凸模在挤压时承受很大的偏载或横向弯曲载荷。冷挤压模的失效形式：塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效等，对于冷挤压凹模有时还会产生胀裂失效。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,76,热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具，典型的热作模具有锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲裁模、压铸模等。各种热作模具在工作时既承受机械载荷，又承受热载荷，且在循环状态下上作。由于被加工材
40、料的不同和使用的成形设备不同，模具的工作条件有较大差别，因此，热作模具的失效形式也就各不相同。,二、热作模具的服役条件及失效形式,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,77,锤锻模是在模锻锤上使用的热作模具受力状况：（1）在其服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时也受到交替的加热和冷却作用。（2）锤锻模模块尾部呈燕尾状，易形成应力集中，会在燕尾的凹槽底部形成型纹而造成开裂现象。在模具的工作过程中，由于热载荷的循环作用，在反复地加热和冷却的交替作用下，将会产生热疲劳裂纹，导致模具的失效。,1锤锻模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,78,（3
41、）若锤锻模在机械载荷与热载荷的共同作用下，会有其型腔表面形成复杂地磨损过程，其中包括粘着磨损、热疲劳磨损、氧化磨损等。另外，当锻件的氧化皮末清除或未很好清除时，也会产生磨粒磨损。模具的失效部位：型腔中的水平面和台阶易产生塑性变形失效，侧面易产生磨损失效，型腔深处和燕尾的凹角半径处因易萌生裂纹而产生断裂失效。锤锻模的主要失效形式：磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,79,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。模具工作状况：与锤锻模相比，炽热的金属坯料在型腔中停留的时间
42、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缎模，同时，模具型腔表面所经受的氧化腐蚀也较严重。压力机锻模的失效形式：脆性断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔的表面氧化腐蚀失效等。,2压力机锻模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,80,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受力状况：（1）挤压时承受压缩应力和弯曲应力，脱模时承受一定的拉应力作用，模具和金属坯料的接触时间长，受热温度比热锻模高；（2）为防止模具的温度升高，需要对模具(特别是凸模)进行冷却，工件脱模后，每次用润滑剂和冷却介质涂抹
43、模具的工作表面，而使挤压模具经常受到急冷、急热的交替作用；（3）热挤压模承受的冲击载荷很小，而承受的静载荷很大，凸模承受巨大的压力，还承受很大的附加弯矩，在凸模脱模时还要承受一定的拉应力；（4）凹模型腔表面承受变形坯料很大的接触压力，沿模壁存在很大的切向拉应力，而且大都分布不均匀，内加上热应力的作用，使凹模的受力极为复杂；（5）由于热挤压变形时的变形率较大，金属坯料塑性变形时的金属流动，对模具型腔表面产生的摩擦比锤锻模剧烈得多，且由于硬颗粒(如氧化皮)的存在将导致摩擦的进一步加剧。,3热挤压模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,81,热挤压模的主要失效形式：断裂失效、冷热疲劳失效塑性变形失
44、效、磨损失效以及模具型腔表面的氧化失效等。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,82,热冲裁模是主要用于冲切模锻件的飞边和连皮的模具工作状况：热冲裁模具主要由凸模和凹模组成，工作时模具的刃口部分承受挤压、摩擦和一定的冲击载荷，同时还因为金属坯料上的传热而升温，但由于所使用的锻压设备不同，所加工的金属坯料的尺寸不同，使各类热冲裁模的刃口部位所承受的热载荷与机械载荷有很大的区别主要失效形式：刃口的热磨损失效、崩刃失效、卷边失效和断裂失效等。,4热冲裁模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,83,压铸模是利用压铸机在高温下使金属压铸成形的一种模具。工作状况：（1）压铸模的型腔表面要承受液态金属的
45、压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具的型腔表面进行冷却和润滑，而使模具承受频繁的急冷、急热的作用。（2）由于不同材料的熔化温度有很大差别，因此，用于不同材料的压铸模其工作条件的苛刻程度和使用寿命有很大区别。在压铸锌合金时，压铸模型腔表面的温度不超过400，热载荷较小，模具的工作寿命较长；在压铸铝合金时，压铸模的型腔表面温度可达600 左右，且熔融的铝合金液体很容易粘附钢铁材料，使用时必须在模具的形腔表面反复涂抹防粘涂料，由此便造成了模具型腔表面的温度波动。,5压铸模,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,84,（3）在压铸铜合金时，模具的型腔表面温度可达到750以上，由于铜合
46、金液体温度高，而且铜合金的热导性好，模具的型腔表面受到铜合金液体的反复冲刷，并且急冷、急热的温度变化幅度较大，产生很大的热应力。压铸时的压应力和脱膜时的拉应力的反复作用下，模具的主要失效形式为热疲劳龟裂；型腔中结构凸起的小尺寸部分，也可能因为受热软化而产生塑性变形失效。由此可见，铜合金压铸模的使用寿命远比铝合金、锌合金压铸模的使用寿命要低。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,85,（4）在压铸铁合金时，模具的型腔表面温度会高达1000以上，且铁合金液体对模具型腔表面的冲刷作用更厉害，因而铁合金压铸模在服役时型腔表面的氧化、腐蚀会更严重，也更易于产生变形和热裂，模具的使用寿命格会更低。压铸模
47、的主要失效形式：粘模失效、侵蚀失效、热疲劳失效、磨损失效等。当模具的型腔结构复杂并存在应力集中时，模具也会在热载荷与机械载荷的共同作用下出现断裂失效。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,86,塑料模具是用于成型塑料制品的模具，根据成型方法的不向，一般可分为注射模、压缩模、压注模、挤出模和气动成型模等。其中以注射模应用最广，通常用于热塑件塑料制件的成型；其次是压缩模和压注模，多用于热固性塑料制品的成型；另外，挤出模主要用于生产热塑性塑料的型材，气动成型模主要用于生产中空塑料容器。,三、塑料模具的服役条件及失效形式,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,87,1.3 典型模具的服役条件及失效形
48、式,88,注射成型工艺,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,89,压缩成型工艺,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,90,压注成型工艺,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,91,挤塑成型工艺,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,92,吹塑成型工艺,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,93,1塑料模的服役条件 塑料模一般有凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等，这些零部件构成了塑料模的型腔，用来成型塑料制品的各种表面，它们直接与塑料相接触，经受其压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。塑料模按成型固化不同分为热固性成型塑料模和热塑性成型塑料模两类。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,94,(1)热固性塑料模的工作温度为150一250，工作压力为2000一8000MPa，物料以固体粉末状态或预制坯料状态进入模具型腔。受力大、易磨损、受热、有时有腐蚀。可压制各种胶木粉，一般含有大量的固体填料，多以粉末状态直接放入模具则腔，经过热压成型，受力大，磨损较严重。,1.3 典型模具的服役条件及失效形式,95,(2)热塑性塑料模的工作温度为150250，工作压力为30006000MPa物料以粘流状态进入模具型腔。受热、受压、受磨损、有时有腐蚀，但不严重。一般不含有固体填料，多以软化状态注入到模具型腔。当含有玻璃纤维填料时，对模具型腔的磨损较大。,
