冷冲压模具失效形式以及对策研究.docx

    冷冲压模具失效形式以及对策研究    潘祖军1，李 艳2（1.江苏清拖农业装备有限公司，江苏淮安 223005；2.淮安市明森机械制造有限公司，江苏淮安 223005）Reference：分析了模具由于过载、磨损、疲劳、断裂等失效的机理，从模具材料、机加工、热处理等方面分析模具失效的原因，并提出预防失效的措施Keys：模具失效机理；模具加工；模具材料；磨损；对策研究0 引言在拖拉机制造的生产实践中，在覆盖件的板材冲压时，模具失效严重影响冲压产品质量，特别是大批量冲压生产中，对产品质量影响就更大研究与分析冷冲压模具的冷冲压模具失效形式以及对策很有必要1 冲压模具失效形式在冲压模具企业中，模具在生产过程或者服役过程中逐渐出现了某些缺陷冲压模具的失效形式为：断裂、开裂、磨损、塑性变形、表面腐蚀六种模具的失效按照发生时间出现的时间长短可分为两类：正常失效和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据调查，在各种失效形式中热处理约占52.2%，原材料约占17.8%、使用是否恰当约占10.%、机加工约占8.9%，锻造约占7.8%，设计约占3.3%2 冲压模具的工作条件对失效形式的影响冷冲压冲裁模的工作条件对失效形式的影响。

1）冷冲压的冲裁模的工作条件：冲裁模具主要作用是对各种金属板料的冲切金属板料的冲裁过程中受力情况分为三个阶段：弹性变形、塑性变形和剪裂2）冲裁模的主要失效形式：在冲裁时，模具刃口所受作用力的差异与板料的种类、板料的厚薄等因素有关按照板料厚度对模具冲裁负荷大小的影响，按板料的厚薄分为：厚板（t＞1.5mm）和薄板（t≤1.5mm）对于薄板，因为模具受到的冲击载荷较小，模具的主要失效形式是因摩擦而产生的刃口磨损厚板（t＞1.5mm）则模具刃口磨损严重磨损过程按照磨损的剧烈程度又可分为期初磨损，缓慢磨损和剧烈磨损三个阶段三个阶段磨损程度满足浴盆曲线（如图1所示）第一个阶段：期初磨损由于模具刃口接触面积很小，刃口的单位压力非常大，当模具刃口与金属板料相碰时，就会造成了刃口端面的塑性变形，即塌陷磨损，磨损速度非常快第二个阶段：缓慢磨损期初磨损达到一定时间后，冲裁模具的刃口变宽，其单位压力逐渐减轻，模具的刃口也逐步硬化刃口与金属板料之间的摩擦磨损成为最主要磨损此时，磨损进展较缓慢，就进入长期稳定的缓慢磨损阶段，如果模具钢铁耐磨性好，缓慢磨损会持续较长时间第三个阶段：剧烈磨损经过长期冲裁后，模具刃口出现疲劳磨损，刃口表面就出现了不同程度的损坏剥落。

剧烈磨损阶段出现了，磨损加剧，模具刃口不时出现疲劳破坏，模具刃口就无法正常冲裁所以说，模具刃口要控制在正常磨损阶段，一旦出现剧烈磨损时，要立即更换模具刃口或者进行刃磨修复模具刃口的磨损加剧，被加工的零件上毛刺高度会不断加长，所以说，可以通过观测工件上毛刺长短来推断模具刃口的磨损状况，一旦发现加工出来冲裁件毛刺过长或者毛刺过于粗[来自www.lw5u.Com]糙，就要进行刃磨了凸模与板料分离时，要加大卸料力才能将板料与凸模分离开，卸料力不断地作用在凸模上，使凸模在反复收到拉应力与压应力的交替作用，从而使得凸模产生疲劳磨损，进而致使凸模崩刃对于厚板冲裁模（板厚t＞1.5mm），凸、凹模受力显著增大，模具刃口就会磨损，变形、疲劳崩刃等现象如在冲裁时，凸模外围尺寸比较细长时，久会引起凸模弯曲变形或折断3 拉深模的工作条件及失效形式3.1 拉深模的工作条件如图2所示，凸模圆角半径处就会受到压力和摩擦力两个力的作用；同时，凹模圆角半径处受到压力和摩擦力两个力的作用；凹模端面部位受到了压力和摩擦力；压边圈与板料相接触的部位受到了压力和摩擦力的作用由此可以看出，所谓拉深模，就是金属板料的拉深成形，凸模下压金属板料毛坯，凹模托起板材边缘，拉深力通过凸模底部和凸模圆角部位传导给整个毛坯，此时，板料毛坯的外缘部分就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里。

整个拉深过程中，模具凹模圆角半径处、在模具凹模端面和压边圈相应部位始终与板料作相对运动，同时产生十分剧烈摩擦，压应力和摩擦力都很大，模具的凹模与压边圈的磨损十分严重而在拉深开启时，凸模圆角半径处的金属板材被拉弯并作相对移动，此时，摩擦力使凸模圆角半径处受到磨损随着压力进一步加大，拉深的进一步进行，金属板料紧贴凸模圆角半径部位变形并开始产生应变硬化，相对运动也大为减弱，同时，摩擦力降小3.2 拉深模的失效形式因为拉深模具的工作部位没有刃口，受力面积又大，在工作时又无很大的冲击力，所以，拉深模就不易出现塑性变形与断裂由于拉深模时存在着很大的滑动摩擦力，粘附磨损与磨粒磨损是拉深模具的主要失效形式，其中以粘附磨损为主在凸模、凹模的圆角半径处容易发生粘附磨损，另外就是端面粘附磨损主要发生在凹模和压边圈部位磨粒磨损将使模具表面更为粗糙，进而又加重粘附磨损，两者相互推进，严重影响模具寿命4 冷挤压模的工作条件及失效形式4.1 冷挤压模的工作条件模具在冷挤压工作时，大截面的坯料挤压为小截面的工件上，金属板材受到三向压应力作用，金属板材发生的塑性流动，而且被挤压的金属板材的变形抗力较高，如钢的冷挤压，其变形抗力高达2[来自www.lw5U.coM]000MPa左右，使冷挤压模承受强大的摩擦力、挤压力。

摩擦力转化成热能，可以冷挤压模具表面升温达310℃左右，这样进一步加剧冷挤压模具的失效4.2 冷挤压模的主要失效形式在冷挤压时，磨损、镦粗、折断、疲劳断裂、纵向开裂是凸模的主要失效形式；磨损与胀裂是凹模的主要失效形式这是由于冷挤压时模具的凸、凹模由于受力状况有所差异，所以失效形式有所差异，一般凸模易于折断，凹模易于胀裂5 影响冲压模具寿命的因素及提高冲模寿命的措施分析5.1 影响冲压模具寿命的因素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5.1.1 模具材料对模具寿命的影响1）模具钢材冶金质量的好坏，对模具寿命的影响也有比较大，模具的裂纹源都是由钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物而引起的在钢材冶炼时，钢中的碳化物过多就会形成网状或带状偏析，这样会导致钢的冲击韧度，抵抗断裂抗力大大下降，进而使得模具早期断裂、崩块及开裂而大大缩短模具寿命模具的抗压强度还取决于钢材冶炼时是否含有中心疏松或者白点，如果有抗压强度就会降低，在模具淬火时，就容易开裂2）模具材料的机械性能有多种，特别是模具的耐磨性、耐腐蚀性、硬度、断裂抗力、塑性变形抗力、冷热疲劳抗力等性能对模具寿命的影响最为显著。

模具的机械性能必须满足模具具体工作条件，例如，凸凹模间隙比较小的场合，就要求模具的耐磨性特别好否则就会将导致模具的过早失效如模具工作在脉动循环载应力作用下，疲劳抗力差的模具将会产生疲劳裂纹，疲劳裂纹再不断扩展就会引起模具的断裂失效5.1.2 模具本身结构对模具寿命的影响1）模具本身的几何形状的影响：众所周知，模具自身的几何形状会对成型过程中金属板材的流动与模具自身收到的成型力会产生很大的影响，例如，模具凸凹模间隙小，模具自身收到的成型力就大，从而缩短了模具的寿命2）凸凹模间隙大小的影响：众所周知，拉深模的间隙过小必然增加拉深时摩擦阻力，工件表面还容易被擦伤，模具的磨损就会增大；而冲裁模的间隙过小，会增加凸凹模之间的摩擦力，摩擦力大必然加剧磨损，从而缩短模具寿命3）模具自身的结构形式的影响：不合理模具结构形式常常会导致应力集中，从而导致凸模过早断裂失效如图3（a）所示，一个正挤压的模具，挤压时就容易在凸模根部产生交大应力集中现象如果改为图3（b）所示，组合式模具，就可以大大减低了凸模根部应力集中现象，从而预防了凸模根部过早断裂5.2 制造模具时的工艺路线对模具寿命的影响5.2.1 热处理工艺对模具的影响淬火时温度过低，没有达到淬火效果，会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力，会造成以后的模具过早的塑性变形和磨损。

相反，模具淬火时，温度过高，会造成以后的模具的过烧、过热，过热会使冲击韧度下降，必然导致以后的模具早期断裂另外，在模具淬火加热时，必须注意采取保护措施，防止模具表面氧化和脱碳，其中，淬火软点与软区往往都是模具表面氧化和脱碳造成的，淬火软点与软区大大降低模具的疲劳强度与耐磨性，必然缩短模具寿命如果回火温度过低或者回火不够充分，就没有达到回火目的，就无法消除淬火过程中的形成的残余应力，使模具的韧性必然降低，以后就会导致模具早期断裂淬火时，如果油温过低或者冷却速度过快，就会产生淬火裂纹，有裂纹的模具必然过早失效5.2.2 锻造工艺对模具的影响模具在锻造时，假如工艺路线不合理，造成锻件内部缺陷如疏松、过热、组织偏析、流线分布不合理，必然会大大降低模具的机械力学性能，所以必须选择合理的锻造工艺路线，以免形成模具过早失效的隐患因为锻造工艺不合理造成的缺陷还有裂纹、凹坑、折叠等5.2.3 模具表面的切削加工工艺对模具影响在仓库里放置久了的钢铁材料的表面往往有表面脱碳层，如果切削加工模具时没有去除表面脱碳层，必然降低加工好的模具的表面硬度，然后就会诱发模具淬裂在车、铣、刨、磨等加工模具的过程中，如果模具表面留有尖角或者加工刀痕，日后就会在加工刀痕处出现疲劳裂纹。

6 工作条件和使用维护方式的对模具寿命的影响6.1 润滑条件对模具寿命影响良好的润滑，可以模具具有防锈功能，还能降低摩擦热、摩擦力、冲压力，减少模具的磨损，模具的寿命延长如在冲裁变压器中的硅钢片时，如果润滑良好，模具寿命大约是润滑差的模具的大约15倍还有，润滑剂种类使用恰当也能延长模具寿命例如在不锈钢表面进行挤光操作时，如果挤光操作时采用机油一般的润滑，在模具寿命期限内，只能生产90件；假如改用二硫化钼锂基润滑脂润滑，就能生产大约1.2万件，两只相差极大6.2 被加工材料对模具的影响影响最大首先是被加工的材料材质和厚度显然是被加工的材料的强度高而且厚度大，模具承受的力也就大，模具的寿命就短相反，被加工的材料的强度低而且厚度小，模具承受的力也就小，模具的寿命就长被冲压的金属板材的表面情况，对模具的寿命也有很大的影响，即采用表面光滑而且没有脱碳层、氧化黑皮，只有极薄的磷化膜或氧化膜的金属板材，对模具的凹凸模磨损最小例如用T8A钢为工作部件制造的冲裁模具，假如冲裁表面光滑的薄钢板时，每刃磨一次可冲大约2.8万件，冲裁同等厚度的热轧钢板时，当表面存在氧化黑皮，那么每次刃磨就只能冲裁大约1.9万件，显然寿命缩短许多。

假如被加工的金属板材与模具材质的亲和力较大，在金属板材冲压成形过程中，被加工金属板材就会和模具表面发生粘附磨损，从而使得模具表面磨损加剧假如改用GT35硬质合金制作拉深凹模，由于两种材质的性质差距远，亲和力较小，粘附咬合倾向大为减轻，模具表面磨损就小多了例如用合金钢Cr12MoV制作拉深模具，在拉深镍基合金钢板时，由于两种材质的亲和力较大，容易产生粘附咬合与拉毛现象6.3 冲压设备的状况的对模具寿命影响不同的冲压设备，其刚度和精度相差很大，一般来说，开式压力机为C型框架，其刚度较差，而闭式压力机，其刚度较强，C型框架的开式压力机在板材冲压时易产生变形，由于其刚度较差，再加上冲压时振动，就会造成上下模中心线偏移在冲裁较厚或较硬的板材时，还会造成模具工作间隙不均、崩刃等现象另外，在冲裁过程结束时，载荷消失了，那么压力机在冲压过程中积聚的较大能量突然释放，就会就会造成上下模间的极大地振动与冲击，从而出现“失重插入”现象，模具的磨损必然加剧因此，在精密冲裁时，最好选用闭式压力机7 提高冲模寿命的对策分析当冷镦模具用于金属板材冲压时，特别要注意钢的原始组织缺陷以及化学成分，钢材。