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1．2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。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。1．2．1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、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。冲头凸模凹模条料图1－2冷冲裁工作示意图1．2．1．1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。c）图1-3冷冲裁过程示意图b）a）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。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d／t越小，冲头受力越大，其寿命就越低。图1-4表示出比值d／t与模具寿命的关系。图1-4冲头寿命与其直径及板厚的关系300200100123456789（d/t）%冲裁件数（×104）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。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d／t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（t1．5mm）☆薄板冲裁模（t≤1．5mm）图1-5冷冲裁崩刃、局部断裂示意图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、稳定磨损和急剧磨损三个阶段，如图1-6所示。稳定磨损急剧磨损初始磨损图1-6冷冲裁模磨损过程的三个阶段冲裁件数磨损量c）b）a）p≈100μm图1-7冷冲裁模刃口损伤过程示意图在模具服役初期，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。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）模具的工作条件如冲裁力、冲裁速度、工作温度及润滑条件等。1．2．1．2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。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图1-8冷挤压工艺分类示意图b）c）a）工作零件图1-9冷挤压活塞销示意图坯料上冲头凹模下冲头在工作时，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，图1-10冲头的塑性变形和整体断裂d）c）b）a）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200~300℃，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。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。图1-11冷镦模工作示意图12345678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。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。1．2．1．3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。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。1．2．2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。图1－12锤锻模工作示意图1234567891－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（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500～600℃，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，模腔表面受热氧化也将影响摩擦和磨损过程。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。（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。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。（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1-13所示。图1-13网状热疲劳裂纹金相图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。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。