冷作模具的失效特征及冷作模具钢选择技巧
冷作模具的失效特征及冷作模具钢选择技巧

    模具是制造技术中的重要基础工艺装备,模具产品的质量不仅关系到生产制品的质量、性能,而且直接影响到制造成本和效率。在汽车、家电、通讯和仪器仪表、塑料、金属加工等行业的模具产品中,冷作模具占有相当市场。
   根据以往冷作模具使用和失效情况统计,模具质量很大程度取决于模具选材和工艺制定,依据模具使用条件,正确选择模具材质和制定合理的处理工艺对减少冷作模具早期失效非常重要。
㈠冷作模具钢及性能要求
   冷作模具主要完成金属或非金属材料的冷成形,包括冷冲压、冷挤压和冷镦模具等。与热作模具相比,这类模具工作载荷大、尺寸精度、表面质量要求高、加工批量大,多数为最终产品。为适应这种工况要求,多采用高碳或高合金钢制作冷作模具,工作硬度为58-60HRC。
   通常选用的冷作 target="_top" 模具钢要求有足够的强度(包括抗拉,抗压和抗弯强度),足够的韧度,足够的硬度和抗磨能力(特别是表面),足够的抗疲劳能力(特别是多冲疲劳性能);对于大载荷的冷挤压和冷镦锻体成型模具,因剧烈变形产生热量(约300℃),要求材料具有更高的抗变形和断裂能力。
㈡冷作模具失效分析中的一些问题探讨
   通过对国内冷镦、冷冲、冷挤压模具失效情况调查分析,冷作模具主要失效类型是过载失效和磨损失效,约占失效总数80%-90%。冷镦模具以裂断或非正常磨损(局部脱落)为主,冷挤压模具以脆断或磨损失效为主,而冷冲模具以磨损失效为主。高工作应力,大波动应力的冷挤压和冷镦模具出现脆性开裂失效比例明显高于低工作应力冷冲模。
   实际上冷作模具失效原因很多,除此模具材料因素外,还与工作设备精度和状况,制品材质和表面质量,模具结构和加工精度,操作人员素质等多因素有关,其中一些随机因素给失效分析增加困难。
2.1  冷作模具钢工作应力,硬度和寿命的关系
   测量统计结果表明,对于制品为钢铁材料,冷挤压 模具钢材承受的平均工作应力约2500MPa,使用硬度62-64HRC,冷镦模具约1500MPa,使用硬度58-62HRC,冷冲模具约500MPa,使用硬度60-62HRC,其中以冷挤压模具应力最大。实际上还要承受10%—20%的随机载荷,模具局部应力要超过上述应力。冷作模具钢工作硬度对寿命的影响是综合作用的结果。
㈢冷作模具主要的失效形态
   冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效和疲劳失效等。
⒈过载失效
   过载失效系指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷(包括随机波动载荷)作用引起的失效,包括韧度不足和强度不足两类失效。其中对韧度不足出现得脆断失效应予以重视。
(1)材料韧度不足的失效
   由于此类失效前无宏观征兆和断裂突发性,是冷作模具失效中最危险的事故,以往因此类失效也出现过人身事故,给生产安全和经济建设造成很大的损失。这种失稳态下的断裂失效在冷挤压和冷镦模具中容易出现,如冲头折断、开裂,甚至产生爆裂,其特征是失效产生前无明显塑性变形,宏观断口无剪切唇,且比较平坦,造成模具不可修复的永久失效。产生这种失效与模具材料韧度不足,承受过高应力有关。对冷挤压模具实际承载能力分析计算可知,冲头失效前承受工作应变能力是材料断裂消耗能的上千倍,说明了工作时冲头承受高潜在动能和低的断裂抗力。根据能量守恒原理,冲头断裂势几乎全部能量变为扩展动能,其扩展的极限速度可达10³m/s。当模具结构存在应力集中,如六方冷镦冲头尾部过渡区r≤1mm时,应力中集中系数Kt=2,冷挤压冲头台阶处r=3mm时,Kt=1.3,甚至机械加工刀痕、磨削粗痕迹等均可成为薄弱环节,产生失稳断裂。高碳、高合金的冷作模具钢,使用状态为回火马氏体和二次析出相,含有较多一次剩余碳化物,材料硬度高,基体吸收能量、松弛应力.应变的能力低,一次碳化物的不均匀性分布又严重降低材料韧度。因此这类失效断口看不到宏观变形,微观变形的尺寸大致与碳化物间距相当。
(2)强度不足失效
   在冷镦、冷挤压冲头中材料抗压、弯曲抗力不足,易出现镦头下凹、弯曲变形失效。在新产品开发中容易产生此类失效,原因工作载荷过大,模具硬度偏低有关。实际经验说明,冷镦冲头硬度<56HRC,冷挤冲头硬度<62HRC时易出现这类失效;同时说明材料强度不足,塑性有余,有韧度潜力可以发挥。解决此类早期失效的经验方法是:脆断失效减硬度(增强度);变形失效增硬度(增强度)。
⒉磨损失效
   磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化引起的失效。它又包括正常磨损失效和非正常磨损失效两类:
(1)正常磨损失效
   对要求表面尺寸严格的冷冲压,冷挤压模具,在保证材料不断前提下,模具寿命取决于表面抗磨损能力。模具工作部位与被加工材料之间的均匀摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化引起的失效。通常模具使用寿命较长,如表面质量要求高的冲载模、挤压模易产生此类失效。
(2)非正常磨损失效
   在局部高压力作用下模具工作部位与被加工材料问发生咬合—被加工材料“冷焊”到模具表面(或模具材料“冷焊”到加工材料表面),引起被加工产品(或模具材料)表面形状和尺寸发生突变出现的失效,引起被加工产品表面质量出现划痕的失效。在拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效。
⒊疲劳失效(多冲疲劳失效)
   冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的,这种状态与小能量多冲疲劳实验(以一定能量周期性加载和卸载)相似。由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命多在1000—5000次,通常裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限。 模具钢材疲劳与结构钢疲劳有很大差异。因为脆性材料疲劳裂纹的萌生期占大部分寿命,多数情况裂纹萌生与扩展难于区分。仔细分析疲劳微观形态看出,裂纹萌生多在材料表面薄弱环节,如晶界、碳化物和应力集中部位。实验表明,冲击疲劳裂纹萌生约0.1mm微裂纹时寿命占总寿命的90%以上,从断口上难观察到结构钢稳态扩展区和疲劳条带,裂纹一旦产生就快速失稳扩展。经过喷丸强化处理的高速钢,由于表面残余压应力作用,使裂纹源位置转移到次表面约0.2mm处,改善材料表面应力状态是提高多冲疲劳抗力的有效途径。多冲疲劳失效常见于重载模具如冷挤压、冷镦冲头模具中。
㈣实例分析:Crl2钢的表面开裂敏感性问题
   高硬度材料表面开裂敏感性是一项反映材料表面失效抗力性能的指标,表面裂纹是模具常出现的问题,传统方法难于评价。对冷作模具钢用维氏硬度试验法检测表面开裂敏感性,是一种有效简便方法。开裂检测在布洛维硬度计上进行,先将试样细磨机械抛光,用4%硝酸酒精溶液侵蚀适,用一个相对面间夹角为136º的金刚石正四棱锥体压头,在一定载荷下压入被测金属表面。在显微镜下观测压痕正方形边界形态变化。每个试样测3-5点。受力分析表明,只有当作用在边界的应力大于材料局部区域开裂的门槛值时,就可能出现裂纹,从而可以判断该材料的表面开裂敏感性。


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