冲压模具失效形式

模具经安装调试后，可以正常生产合格的工件，这一过程称为模具的服役。一般情况下，我们总是希望模具能有足够长的服役期限，以满足生产实际的需要。但是模具在制造过程中可能会产生某些缺陷，或者在服役过程中逐渐出现了某些缺陷，如微裂纹、轻度磨损、变形等等，在此状况下模具虽有隐患但仍能继续工作，这种虽有缺陷但未丧失服役力的状态称为模具的损伤。模具因某种原因损坏，或者模具损伤积累至一定程度导致模具损坏，无法继续服役，称为模具的失效。在生产中，凡模具的主要工作部件损坏，不能继续冲压出合格的工件时，即认为模具失效。冲压模具的失效形式一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。模具的失效按照发生时间的早晚，大致可分为两类：正常失效和早期失效。模具经过大量的生产使用，因摩擦而自然磨损或缓慢地产生塑性变形及疲劳裂纹，达到正常使用寿命之后失效是属于正常的现象，为正常失效。模具未达到设计使用规定的期限，既产生崩刃、碎裂、折断等早期破坏；或因严重的局部磨损和塑性变形而无法继续服役，为早期失效。对于早期失效的模具，必须查找其产生的原因，努力采取补救的措施。11.1.1冲压模具的工作条件及失效形式一.冲裁模的工作条件及失效形式1.冲裁模的工作条件冲裁模具主要用于各种板料的冲切。从冲裁工艺分析中我们已经得知，板料的冲裁过程可以分为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和剪裂阶段(见图2.1.3)。在弹性变形阶段，当凸模对板料施加压力时，由于凸模和凹模之间存在间隙，受力部位不在同一垂线上，图2.1.1所示力臂为l。板料会在弯矩M的作用下产生翘曲，与凸模端面的中心部分脱离接触，。这时板料只和模具的凸、凹模刃口部分相接触，压力集中于刃口附近。在冲裁过程中，由于板料的弯曲，模具的受力主要集中于刃口附近的狭小区域。凸、凹模刃口区域不仅位于最大端面压应力和最大侧面压应力的交聚处，而且也处于最大端面摩擦力和最大侧面摩擦力的交汇处，工作时刃口承受着剧烈的压应力和摩擦力作用。2.冲裁模的主要失效形式模具刃口所受作用力的大小和板料的力学性能、厚度等因素有关。考虑到板料厚度对模具冲裁负荷的影响，通常可以将冲裁按板料的厚度分为薄板冲裁(t≤1.5mm)和厚板冲裁(t＞1.5mm)。对于薄板冲裁模，由于模具受到的冲击载荷不大，在正常的使用过程中，模具因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式。磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段。对应于三个阶段，刃口的损伤过程如图11-3所示。a）局部塑变b）摩擦磨损c）疲劳损坏（初期磨损阶段）（正常磨损阶段）（急剧磨损阶段）图11.1.1冲裁时刃口的损伤过程（1）初期磨损阶段模具刃口与板料相碰时接触面积很小，刃口的单位压力很大，造成了刃口端面的塑性变形，一般称为塌陷磨损。其磨损速度较快（见图11.1.1a）。（2）正常磨损阶段当初期磨损达到一定程度后，刃口部位的单位压力逐渐减轻，同时刃口表面因应力集中产生应变硬化，（见图11.1.1b）。这时，刃口和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要磨损形式。磨损进展较缓慢，进入长期稳定的正常磨损阶段，该阶段时间越长，说明其耐磨性能越好。。（3）急剧磨损阶段刃口经长期工作以后，经受了频繁冲压会产生疲劳磨损，表面出现了损坏剥落（见图11.1.1c）。此时进入了急剧磨损阶段，磨损加剧，刃口呈现疲劳破坏，模具已无法正常工作。模具使用时，必须控制在正常磨损阶段以内，出现急剧磨损时，要立即刃磨修复。随着刃口的磨损，工件的毛刺高度会不断增加，因此实际生产中，可以通过观测毛刺高度的大小来推断模具刃口的磨损量，在冲裁件达到质量允许的毛刺极限值时即进行刃磨。从磨损机理上分析，凸、凹模的磨损主要是粘附磨损和磨粒磨损。粘附磨损是在模具刃口在与板料的相对摩擦运动过程中，由于高压产生了局部的相互粘着和咬合现象当接触面相对滑动时，粘附部分便发生剪切引起磨损。磨粒磨损是指模具工作时表面剥落的碎屑嵌入工作部件表面，成为磨料，使其逐渐磨损的过程。冲裁硬度较高的金属材料（如高碳钢、硅钢）时，因材料的硬粒或碳化物剥离而产生磨粒磨损。当冲压高韧性材料（如奥氏体不锈钢）时，易产生粘附磨损。一般情况下，凸模的磨损要快于凹模，这是因为凸模刃口处的承力面积小于凹模，在同一冲裁力的作用下，凸模刃口处单位面积承受的压应力要比凹模刃口处更大一些；同时，在每一次冲裁过程中，凸模都要切入并退出板料，前后经历两次摩擦，而凹模和板料的分离部分仅发生一次摩擦。而且，凹模的淬火硬度通常高于凸模，这一切使得凸模的磨损要比凹模更快。此外，凸模退出板料时，需要有一定的卸料力将板料从凸模上卸下，卸料力与作用在凸模上的其它压应力不同，是唯一的拉应力，使凸模在反复拉、压应力的作用下产生疲劳磨损，这也是致使凸模崩刃的原因之一。对于厚板冲裁模，由于凸、凹模受到的作用力增大，在过大应力的作用下，不仅会产生磨损，而且可能造成刃口变形、疲劳崩刃等现象。当冲裁凸模较细长时，还会引起弯曲变形或折断，如图11.1.2所示。a)崩刃b)弯曲c)折断图11.1.2凸模断裂和塑性变形二.拉深模的工作条件及失效形式1.拉深模的工作条件拉深模具主要用于金属板料的拉深成形，拉深过程中模具的受力状态如图11-5所示。拉深时凸模下压板料毛坯，拉深力通过凸模底部和凸模圆角部位传导给毛坯，板料毛坯的外缘部分通过凹模端面与压边圈之间被拉入凸模与凹模之间的间隙。在拉深力P动、压边力P压以及毛坯与模具工作部件相对运动产生的动摩擦力的作用下，凸模圆角半径处受到压力P1和摩擦力F1；凹模圆角半径处受到压力P2及摩擦力F2；凹模端面部位半受到了压力P3和摩擦力F3；压边圈与板料相接触的部位受到了压力P4和摩擦力F4的作用。图11.1.3拉深时模具的受力在拉深开始阶段，凸模圆角半径处的板料被弯曲拉伸并作相对运动，摩擦力F1使凸模圆角半径受到磨损。随着拉深的进一步进行，已变形板料紧贴凸模圆角半径部位并开始产生应变硬化，相对运动大大减弱，摩擦力变小。但是在整个拉深过程中，凹模圆角半径处、凹模端面以及压边圈相应部位始终与板料作相对运动，产生剧烈摩擦，压应力和摩擦力都很大，因此凹模与压边圈的磨损现象始终存在。2.拉深模的主要失效形式由于拉深模具的工作部件没有刃口，受力面积大，工作时无严重的冲击力，因此，拉深模不易出现塑性变形和断裂失效。但是工作时存在着很大的摩擦，拉深模具的主要失效形式为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主，是拉深过程中常出现的问题和模具失效的重要原因。粘附磨损的部位发生在凸模、凹模的圆角半径处，以及凹模和压边圈的端面，其中以凹模和压边圈的端面粘附磨损最严重。模具与工件表面产生粘附磨损后，脱落的材料碎屑会成为磨粒，从而伴生出磨粒磨损。磨粒磨损将使模具表面更为粗糙，进而又加重粘附磨损。从显微观察看，模具和坯料的表面都是凹凸不平的，由于模具表面的硬度高于坯料，相互挤压摩擦时会将坯料表面刮下的碎粒压入模具表面的凹坑。在拉深过程中，坯料的塑性变形以及坯料和模具工作部件表面的摩擦，会产生出热能。特别是在某些塑性变形严重和摩擦剧烈的局部区域，所产生的热能造成了高温，破坏了模具和坯料表面的氧化膜和润滑膜，使金属表面裸露，促使材料分子之间相互吸引，并使模具表面凹坑里的坯料碎屑熔化，和模具表面焊合，形成坚硬的小瘤，即粘结瘤。这些坚硬的小瘤，会使拉深件表面粗糙度变差，严重时将在产品的表面刻划出刻痕，擦伤工件，并且加速模具的不均匀磨损，这种失效形式又称为粘模。此时，需对模具进行修磨，除去粘附的金属。拉深模的重要问题，就在于如何防止粘附的金属小瘤。在拉深工作中，出现拉深粘模的问题，与被拉深坯料的化学成分、所使用的润滑剂及模具工作部件的表面状况等因素有关。镍基合金、奥氏体不锈钢、坡莫合金、精密合金等材料拉深时极易发生粘模。为保证产品的质量，拉深模的工作部件表面不允许出现磨损痕迹，必须具有较低数值的表面粗糙度和较高的耐磨性。三.冷挤压模的工作条件及失效形式1.冷挤压模的工作条件冷挤压模具工作时，将大截面的坯料挤压为小截面的工件，坯料受到强烈的三向压应力作用，发生剧烈的塑性流动，由于被挤压材料的变形抗力较高，如钢的冷挤压，其变形抗力高达1960MPa以上，使模具承受强大的挤压反作用力和摩擦力。摩擦功和变形功转化成热能，使模具表面升温达300℃左右（局部可达300℃以上）。此外，每一次挤压过程都是在很短的瞬间完成的，从而使模具在工作时温度升高，不工作时温度又下降，就是说模具还承受着冷热交变温度和多次冲击负载的作用。如此严酷的工作条件，使得冷挤压模具的使用寿命比其它模具要低。2.冷挤压模的主要失效形式冷挤压模具的凸、凹模由于受力状况有所不同，所以失效形式有所差异，一般凸模易于折断，凹模易于胀裂。冷挤压凸模的失效形式主要有折断、磨损、镦粗、疲劳断裂和纵向开裂；冷挤压凹模的失效形式主要有胀裂和磨损。冷挤压模具的磨损主要是磨粒磨损和粘附磨损，磨损主要发生在凸模的工作端部和凹模内壁。模具表面温度的升高可能会使模具材料的表层软化，从而加速磨损失效的过程。冷挤压时，凸模可能在弯曲应力或应力集中的作用下折断，或因脱模时的拉应力拉断。凸模肩部由于承受很高的压应力和摩擦力，易产生麻点和磨损，成为导致凸模折断的疲劳源。若凸模选材或热处理不当，在压应力和弯曲应力的作用下，将产生纵向弯曲或镦粗，镦粗一般发生在距工作端部1/3~1/2凸模工作长度处。一旦发现凸模镦粗，应立即重磨。如果凸模因抗压强度不够发生镦粗，在工作部位表面会产生拉应力，引起表面纵裂。若继续挤压，裂纹将扩展并连接起来，造成掉块（凹模表面成片剥落）。若凹模抗拉强度不够，挤压时在切向拉应力的作用下，会产生胀裂（纵向开裂），凹模型腔变化的部位会发生横向开裂。如果采用预应力组合凹模，长期工作中内层凹模型腔内壁会因拉、压交变循环的切向应力作用导致疲劳开裂。任何模具，其失效形式并非一成不变。模具在服役过程中，在不同的部位，会承受不同形式的作用力，可能导致出现多种损伤形式并存的现象。由于模具材料的性能、模具的结构、制造工艺、压力加工设备的特性和加工操作方法的不同，各种损伤形式的发展速度有很大的差异，多种损伤形式的相互促进会加速模具的失效。因此，同样的模具可能会导致完全不同的失效形式和服役寿命。对模具进行失效分析，不仅要查明其失效形式、失效原因及影响因素，还应当了解其它可能导致损伤的原因及影响因素，掌握全面的情况。在克服某一种失效形式时，还要防止其它损伤的发展，以确保和延长模具的服役期限。11.1.2影响冲压模具寿命的因素及提高冲模寿命的措施一.影响冲压模具寿命的因素模具因磨损或其它形式失效，不可修复而报废之前所加工的产品件数，称为模具的使用寿命。为了提高冲压模具的寿命，必须对已失效的模具进行分析，了解和掌握失效的原因和影响模具寿命的主要因素。1.模具材料的影响（1）模具材料性能的影响各种模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断裂抗力、冷热疲劳抗力等性能均有所不同，材料的性能必须满足模具的具体使用要求，否则将导致模具的早期失效。如模具工作在循环载荷下时，使用疲劳抗力差的材料将会萌生疲劳裂纹，裂纹的不断扩展将引起模具的断裂失效。（2）模具钢材冶金质量的影响若钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物，则容易形成裂纹源，引起模具早期断裂失效。当钢中的碳化物过多，形成网状、大块状或带状偏析时，将严重降低钢的冲击韧度及断裂抗力，引起模具的早期断裂、崩块及开裂等。钢材中存在中心疏松和白点，会降低模具的抗压强度，使模具淬火开裂及工作表面凹陷。2.模具结构的影响（1）模具几何形状的影响模具的几何形状对成形过程中坯料的流动和成形力产生很大的影响，从而影响模具的寿命。如图11-8所示为三种形状的反挤压凸模其中a、b两种结构的凸模比c结构的凸模降低挤压力20%，但a、b两种结构的凸模端面倾斜角不能过大，否则虽然降低了挤压力，但凸模容易因挤偏受到弯曲应力而折断。a)整体式b)组合式图11.1.4挤压凸模结构形式（2）模具间隙的影响模具的凸凹模工作间隙不仅影响工件的质量，还影响模具的寿命。例如拉深模的间隙过小将增加摩擦阻力，易擦伤工件