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模具失效的原因及预防措施
 
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标题:模具失效的原因及预防措施



模具在生产应用过程中,经常发生各种不同情况的失效,浪费大量的人力、物力,影响了生产进度。以下主要讲述模具的?#38050;?#22522;本失效形式及失效的原因以及预防措施。 
1
模具失效

冷热
模具在服役中失效的基本形式可分为:塑性变形;磨损;疲劳;断裂。

(1)塑性变形。

塑性变形即承受负荷大于屈服强度而产生的变形。如凹模出?#20013;?#33108;塌陷、型孔扩大、棱角倒塌陷以及凸模出现镦粗、纵向弯曲等。尤其热作
模具,其工作表面与高温材料接触,使型腔表面温度往往超过热作模具钢的回火温度,型槽内壁由于软化而被压塌或压堆。低淬透性的钢种用作冷镦模时,模具在淬火加热后,对内孔进行喷水冷却产生一个?#19981;?#23618;。模具在使用时,如冷镦力过大,?#19981;?#23618;下面的基底抗压屈服强度不高,模具孔腔便被压塌。模具钢的屈服强度一般随碳(c)的含量从?#25215;?#21512;金元素的增多而升高,在硬度相同的情况下,不同化学成分的钢具?#26800;?#25239;压强度不同,当钢硬度为63HRC时,下列4种钢的抗屈服强度由高到低依次顺序为:W18Cr4V>Cr12>Cr6WV>5CrNiW。

(2)磨损失效。

磨损失效是指刃门钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落粘膜(在摩擦中
模具工作表而粘了些坯料金属)。另外,凸模在工作中,由于润滑剂燃烧后转化为高压气体,对凸模表面进行剧?#39029;?#21047;,形成气蚀。

冷冲时,如果负荷不大,磨损类型主要为氧化,磨损?#37096;?#20026;某种程度的咬合磨损,当刃口部分变钝或冲压负荷较大时,咬合磨损的情况会变得?#29616;兀?#32780;使磨损加快,
模具钢的耐磨性不仅取决于其硬度,还决定于碳化物的性?#30465;?#22823;小、分布和数量,在模具钢中,目前高速钢和高铬钢的耐磨性较高。但在钢中存在有?#29616;?#30340;碳化物偏析或大颗粒的碳化物情况下,这些碳化物易剥落,而引起磨粒磨损,使磨损加快。较轻冷作模具钢(薄板冲裁、拉伸、弯曲等)的冲击,载荷不大,主要为静磨损。在静磨损条件下,模具钢的含碳量多,耐磨性就大。在冲击磨损条件下(如冷镦、冷挤、热锻等),模具钢中过多的碳化物无助于提高耐磨性,反而因冲击磨粒磨损,而降低耐磨性。

研究表明,在冲击磨粒磨损条件下,
模具钢含碳量以O.6%为上限,冷镦模在冲击载荷条件下工作,如模具钢中碳化物过多,容易固冲击磨损而山现表面剥落。这些剥落的硬粒子将成为磨粒,加快磨损速度。热作模具的型腔表面,由于高温软化而使耐磨性降低,此外,氧化铁皮也起到磨料的作用,同?#34987;?#26377;高温氧化腐蚀作用。

(3)疲劳失效。

疲劳失效的特征:
模具?#25215;?#37096;位经过一定的服役期,萌生了细小的裂?#30130;?#24182;逐渐向纵深扩展,扩展到一定尺寸时,?#29616;?#21066;弱模具的?#24615;?#33021;力而引起断裂。疲劳裂纹萌生于应力较大部位,特别是应力集中部位(尺寸过渡、缺口、刀痕、磨损裂纹等处),疲劳断裂时断门分两部分,一部分为疲劳裂纹发展形成的疲劳处破?#35759;?#38754;,呈现贝壳状,疲劳?#27425;?#20110;贝壳顶点。另一部分为突然断裂,呈现不平整粗糙断面。

使
模具发生疲劳损伤的根本原因为特环载荷,?#37096;?#20419;使表面拉应力增大的因素均能加速疲劳裂纹的萌生。

冷作
模具在高硬状态下工作时,模具钢具有很高的屈服强度和很低的断裂韧性。高的屈服强度有利于推迟疲劳裂纹的产生,但低的断裂韧性使疲劳裂纹的扩展速率加快和临界长度减小,使疲劳裂纹扩展循环数大大缩短,因此,冷作模具疲劳寿命主要取决于疲劳裂纹萌生时间。

热作
模具一般在?#26800;?#25110;较低的硬度状态下服役,模具断裂韧性比冷作模具高得多,因此,在热作模具中,疲劳裂纹的扩展速度低于冷作模具,临界长度大于冷作模,热作模具疲劳裂纹的亚临界扩展周期较冷作模长得多,但热作模具表面受急冷,急热很易萌生冷热疲劳裂?#30130;?#28909;作模具的疲劳裂纹萌生时间比冷作模短得多,因此,许多热作模其疲劳断裂寿命主要取决于疲劳裂纹扩展的时间。

(4)断裂失效。

断裂失效常见形式有:崩刃、脶齿、劈裂、折断、胀裂等,不同
模具断裂的驱动力不同。冷作模具、所受的主要为机械作用力(冲压力)。热作模所受除机械力外,还有热应力和组织应力,有许多热作模具的工作温度较高,又采用强制冷却,其内应力可?#23545;?#36229;过机械应力,因此,许多热作模的断裂主要与内应力过大有关。

模具断?#21387;?#31243;有两种:一次性断裂和疲劳断裂。一次性断裂为模具有时在冲压时突然断裂,裂纹一旦萌生,后即失?#21462;?#25193;展。它的主要原因为?#29616;?#36229;载或模具材料?#29616;?#33030;化(如过热、回火不足、?#29616;?#24212;力集十及?#29616;?#30340;冶金缺陷等)。

2\
模具失效原因及预防措施

(1)结构设计不合理引起失效。

尖锐转角(此处应力集中高于平均应力十倍以上)和过大的截面变化造成应力集中,常常成为许多
模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程中,尖锐转角引起残余拉应力,缩短模具寿命。

预防措施:凸模各部的过渡应平缓?#19981;?#20219;何役小的刀痕都会引起强烈的应力集中,其?#26412;?#19982;长度应符合—定要求。

(2)
模具材料质量差引起的失效。

模具材料内部缺陷,如疏松、缩孔、?#24615;?#25104;份偏析、碳化物分布不均、原表面缺陷(如氧化、脱碳、折叠、疤痕等)影响钢材性能,

a.?#24615;?#29289;过多引起失效。
钢中存在?#24615;?#29289;足
模具内部产生裂纹的根源,尤其是脆性氧化物?#20984;?#37240;盐等,在热压力加工中不发生塑性变形,只会引起脆性的破?#35759;?#24418;成微裂纹。在以后的热处理和使用中访裂纹进一步扩展,而引起模具的开裂。此外,在磨削中,由于大颗粒?#24615;?#29289;剥落造成表面孔洞。

b.表面脱碳引起失效。
模具钢在热压力加工和退火时,常常由于加热温度过高,保温时间过长,而造成钢材表面脱碳,?#29616;?#33073;碳的钢材在机械加工后,有时?#22278;?#30041;有脱碳层,这样在淬火时,由于内外层组织的不同(表面脱碳层为铁索体,内部为珠光体)造成组织转变不一致,而产生裂纹。

c.碳化物分布不匀,引起失效。
Crl2、Cr112MoV等
模具钢含碳量和合金元素较高,形成了许多共晶碳化物,这些碳化物在锻造比较小时,易呈现带状和网状偏析,导致淬火时常出现沿带状碳化物分布的裂?#30130;?/FONT>模具在使用中裂纹进一步扩展,而造成模具开裂失效。

预防措施:钢在?#24615;?#26102;,
模具应反复多方向锻造,从而钢?#26800;?#20849;晶碳化物击碎得更细小均匀,保证钢碳化物不均匀度级别要求。

(3)
模具的机?#30001;?#19981;当。

a 切削?#26800;?#20992;痕:
模具的型腔部位或凸模的圆角部位在机加工中,常常因进刀太探而使局部留下刀痕,造成?#29616;?#24212;力集中,当进行淬火处理时,应山集中部位极易产生微裂纹。
预防措施:在零件粗加工的最后一道切削中,应尽量减少进刀量,提高
模具表面光洁度。

b 电加工引起失效。
模具在进?#26800;?#21152;工时,由于放电产生大量的热,将使模具被加工部位加热到很高温度,使组织发生变化,形成所谓的电加工异常层,在异常层表面由于高温发生熔融,然后很快地凝固,该层在显微镜下呈白色,内部有许多微细的裂?#30130;?#30333;色层下的区域发生淬火,叫淬火层,再往里由于热影响减弱,温度不高,只发生回火,称回火层。测定断面硬度分布:熔融再凝固层,硬度很高,达610~740HRC,厚度为30μm,淬火层硬度400~500HRC,厚为20μm。回火属高温回火,组织较软,硬度为380—400HRC,厚为10μm。

预防措施:①用机械方法去除开常层?#26800;?#20877;凝固层,尤其是微观裂?#30130;虎?#22312;电加工后进行一次低温回火,使异常层稳定化,以防微裂纹扩展。

c磨削加工造成失效。
模具型腔面进?#24515;?#21066;加工时,由于磨削速度过大,砂轮粒度过细或冷却条件差等因素影响,均会导致磨削表曲过热或引起表面软化,硬度降低,使模具在使用中因磨损?#29616;兀?#25110;热应力而产生 磨削裂?#30130;?#23548;致早期失效。

预防措施:①采用切削力强的粗砂轮或粘结性差的砂轮;②减少工件进给量;③选用合适的冷却剂;④磨削加工后采用250~350℃回火,以除磨削应力。

(4)
模具热处理工艺不合?#30465;?

加热温度的高低、保温时间长短、冷却速度快慢?#28909;却?#29702;工艺参数选择不当,都将成为
模具失效因素。

a.?#23588;人?#24230;:
模具钢中含有较多的碳和合命元素,导热性差,因此,?#23588;人?#24230;不能太快,应缓慢进行,防止模具发生变形和开裂。在空气炉中加热淬火时,为防止氧化和脱碳,采用装箱保护加热,此时升温速度不宜过快,而透热也应?#19979;?#36825;样,不会产生大的热应力,比较安全。若模具?#23588;人?#24230;快,透热快,模具内外产生很大的热应力。如果控制不当,很容易产生变形或裂?#30130;?#24517;须采用预热或减慢升温加速度来预防。

b.氧化和脱碳的影响。
模具淬火是在高温度下进?#26800;模?#22914;不严格控制,表曲很易氧化和脱碳。另外,模具表面脱碳后,由于内外层组织差异、冷却中出现较大的组织应力、导致淬火裂纹。

预防措施:可采用装箱保护处理,箱内填充防氧化和脱碳的填充材料。

(1)冷却条件的影响。

不同
模具材料,据所要求的组织状态、冷却速度是不同的。对高合金钢,由于含较多合金元素,淬透性较高,可以采用油冷、空冷甚至等温淬火和等级淬火?#28909;却?#29702;工艺。

点击:5868 次 发布时间:2008/4/15
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