【文章內(nèi)容簡介】 具材料及熱處理 ? 采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測定、金相組織分析、無損探傷等方法，復(fù)查材料的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量。 ? 通過翻閱有關(guān)技術(shù)資料和檢測報告、檢查同批原材料、詢問生產(chǎn)人員等方式，詳細了解模具的材質(zhì)狀況、鍛造質(zhì)量、機械加工質(zhì)量、熱處理和表面處理質(zhì)量、裝配質(zhì)量等情況，核實各個環(huán)節(jié)是否符合有關(guān)標(biāo)準規(guī)定以及模具設(shè)計和工藝上的技術(shù)要求。 ? 查閱模具工作記錄、檢修與維護記錄、了解生產(chǎn)設(shè)備的工作狀況及被加工坯料的實際情況，調(diào)查有關(guān)模具的使用條件和具體使用狀況，了解模具按操作規(guī)程操作時有無異?，F(xiàn)象等。 2．模具材料、制造工藝和工作情況調(diào)查 模具的失效分析 62 模具材料及熱處理 ? 模具的工作條件包括模具的受載狀況、丁作溫度、環(huán)境介質(zhì)、組織狀態(tài)等。 ? 受載狀況包括載荷性質(zhì)、載荷類型、應(yīng)力分市、應(yīng)力集中狀況、是否存在最大應(yīng)力以及最大應(yīng)力的大小及分布等； ? 模具的工作溫度包括工作溫度的高低、工作溫度的變化幅度、熱應(yīng)力的大小等； ? 環(huán)境介質(zhì)包括介質(zhì)的種類、含量、均勻性以及是否帶有腐蝕性等； ? 組織狀態(tài)包括模具的組織類型、組織的穩(wěn)定性、組織應(yīng)力的大小與分布等。 模具的工作條件分析 模具的失效分析 63 模具材料及熱處理 ? 對失效的模具進行損傷處的外觀分析、斷口分析、金相分析、無損探傷等，了解模具損傷的種類，尋找模具損傷的根源．觀察損傷部位的表面形貌和幾何形狀、斷口的特征、模具的內(nèi)部缺陷、金相組織的組成及特征．結(jié)合各部分的分析結(jié)果，綜合判斷模具的失效原因以及影響模具失效過程的各種因素。 4．模具失效的綜合分析 模具的失效分析 64 模具材料及熱處理 ? 模具失效的原因一般有模具的工作環(huán)境、模具質(zhì)量、操作人員的水平和經(jīng)驗、生產(chǎn)管理制度等，其中最主要的是模具質(zhì)量。 ? 因此，在分析模具失效原因時，應(yīng)特重點放在主要影響模具質(zhì)量的制造過程方面，制造過程方面的原因主要有模具材料的選擇與冶金質(zhì)量問題、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理、毛坯鍛造質(zhì)量差、存在機械加工缺陷、熱處理工藝選擇不當(dāng)、模具裝配精度不高和維護不良等。 ? 模具的失效分析 65 模具材料及熱處理 ? 在實際生產(chǎn)中，模具的工作條件和工作環(huán)境往往比較復(fù)雜，因而其失效形式以及引起模具失效的原因也是多種多樣的，對其進行失效分析的具體方法和步驟也各不相同。 ? 只要掌握了模具失效分析的一般規(guī)律，充分利用已有的技術(shù)資料和分析手段對失效模具進行綜合分析，就能淮確找出其失效原因。 模具的失效分析 66 模具材料及熱處理 ? 通過對失效模具進行綜合分析，找出引起模具失效的原因，有針對性地提出防護措施，避免或減少該種失效的重復(fù)發(fā)生。 ? 但是，同一模具可能有不同的損傷出現(xiàn)，而最終先導(dǎo)致模具失效的形式可能是其中的一種。當(dāng)我們采取相應(yīng)的措施防止了該種形式的失效以后．則另外一種失效形式又可能成為主要的失效形式．又需要我們采取另外的措施去解決新出現(xiàn)的失效問題，直到獲得滿意的程度 。 5．提出防護措施 模具的失效分析 67 模具材料及熱處理 典型模具的服役條件及失效形式 ? 一、冷作模具的服役條件及失效形式 ? 冷作模具是指在常溫下對材料進行壓力加工或其他加工所使用的模具。 ? 典型的冷作模只主要有冷沖裁模、冷拉深模、冷擠壓模、冷鐓模等。 ? 各類冷作模具都是在常溫下對工件材料施力，使其產(chǎn)生變形或分離，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的成品件。由于各類冷作模具的具體服役條件不同，則其失效形式也有各自不同的特點。 68 模具材料及熱處理 ? 1． 冷沖裁模 ? 冷沖裁模的工作對象 ：鋼板、有色金屬板材或其他板材 ? 冷沖裁模的主要工作部位 ：凸模 (沖頭 )和凹模的刃口，靠它們對金屬板料施加壓力，使其產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和分離的過程。 ? 模具受力形式 ：凸模的壓力通常大于凹模，在沖裁軟質(zhì)薄板時，凸模承受的壓力并不大；在沖裁中、厚鋼板，尤其是在厚鋼板上沖裁小孔時，凸模所承受的單位壓力很大，同時，還要承受沖擊力、剪切力和彎曲力的作用。 典型模具的服役條件及失效形式 69 模具材料及熱處理 ? 模具最常見的失效形式 ：磨損失效。從磨損機理上看，主要是粘著磨損，同時也伴隨有磨粒磨損和疲勞磨損；從磨損的部位考慮，則可細分為刃口磨損、端面磨損和側(cè)面磨損三種。 ? 薄板沖裁模受載荷較小，其失效形式主要是磨損，只有在熱處理不當(dāng)或操作失誤的情況下，才可能出現(xiàn)脆性斷裂失效；而厚板沖裁模（ t＞ ）則受載荷較大，其失效形式除了磨損以外，還可能發(fā)生塑性變形、斷裂或崩刃等失效 典型模具的服役條件及失效形式 70 模具材料及熱處理 ? 冷拉深模是將板材進行延伸使之成為一定尺寸、形狀產(chǎn)品的模具。 ? 冷拉深模的工作對象 ：鋼板、有色金屬板材或其他板材， ? 冷拉深模工作狀況 ：凸模、凹模和壓邊圈的工作部位均無鋒利的尖角，模具零件的受力不像冷沖裁模那樣限定在較小的范圍內(nèi)，凸模和凹模之問的間隙一般比板材厚度大，模具較少出現(xiàn)應(yīng)力集中；模具在工作時不易產(chǎn)生偏載，所承受的沖擊力很小 . ? 模具受力形式 ：凸模承受壓力和摩擦力，凹模承受徑向張力和摩擦力。 ? 模具的主要失效形式 ：磨粒磨損和粘著磨損，有時還會產(chǎn)生咬合、擦傷、變形等失效形式。 2． 冷拉深模 典型模具的服役條件及失效形式 71 模具材料及熱處理 ? 3．冷鐓模 ? 冷鐓模是在沖擊力的作用下將金屬棒狀坯料鐓成一定形狀和尺寸產(chǎn)品的冷作模具，主要用來加工各種形狀的螺釘、鉚釘、螺栓和螺母等的毛坯。 ? 模具受力形式 ：在冷鐓加工過程中，沖擊頻率高(60~120次／ min)，沖擊力大，金屬坯料受到強烈地鐓擊，同時，模具也同樣受到短周期沖擊載荷的作用；由于是在室溫條件下工作的，塑性變形抗力大，工作環(huán)境差，凸模承受巨大的沖擊壓力和摩擦力，凹模承受沖脹力和摩擦力，產(chǎn)生強烈地摩擦。 ? 冷鐓模最常見的失效形式 ：磨損失效和疲勞斷裂失效 。 典型模具的服役條件及失效形式 72 模具材料及熱處理 ? 冷擠壓模是使金屬坯料在強大而均勻的近似于靜擠壓力的作用下，產(chǎn)生塑性變形流動而形成產(chǎn)品的模具。 ? 根據(jù)金屬坯料的流動方向與凸模運動方向之間的關(guān)系，可將冷擠壓分為正向擠壓、反內(nèi)擠壓、復(fù)合擠壓和徑向擠壓四種類型，如圖 l— 9所示。 4．冷擠壓模 典型模具的服役條件及失效形式 73 模具材料及熱處理 圖 19 金屬擠壓類型示意圖 a)正擠壓 b)反擠壓 c)復(fù)合擠壓 4)徑向擠壓 典型模具的服役條件及失效形式 74 模具材料及熱處理 ? 模具受力狀況： 在進行冷擠壓加下時，金屬坯料承受強烈的三向壓應(yīng)力，同時產(chǎn)生很大的摩擦力。一般在擠壓鋼材時，正擠壓力約為 2023一 2500MPa，反擠壓力為 3000—32500MPa；在擠壓有色金屬材料時，其擠壓力也會達到1000MPa。在擠壓時形成的摩擦功和變形能會轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生擠壓中的熱效應(yīng)，導(dǎo)致模具的局部表面產(chǎn)生 400℃ 以上的高溫；此外，出于金屬坯料端面不平整、凸模與凹模之間的間隙不均勻和中心線不一致等因素，還會使凸模在擠壓時承受很大的偏載或橫向彎曲載荷。 ? 冷擠壓模的失效形式 ：塑性變形失效、磨損失效、凸模折斷失效、疲勞斷裂失效及縱向開裂失效等，對于冷擠壓凹模有時還會產(chǎn)生脹裂失效。 典型模具的服役條件及失效形式 75 模具材料及熱處理 ? 熱作模具是指將金屬坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上進行壓力加工的模具，典型的熱作模具有錘鍛模、壓力機鍛模、熱擠壓模、熱沖裁模、壓鑄模等。 ? 各種熱作模具在工作時既承受機械載荷，又承受熱載荷，且在循環(huán)狀態(tài)下上作。由于被加工材料的不同和使用的成形設(shè)備不同，模具的工作條件有較大差別，因此，熱作模具的失效形式也就各不相同。 二、熱作模具的服役條件及失效形式 典型模具的服役條件及失效形式 76 模具材料及熱處理 錘鍛模是在模鍛錘上使用的熱作模具 受力狀況 ： ? （ 1）在其服役時不僅要承受沖擊力和摩擦力的作用，還要承受很大的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，同時也受到交替的加熱和冷卻作用。 ? （ 2）錘鍛模模塊尾部呈燕尾狀，易形成應(yīng)力集中，會在燕尾的凹槽底部形成型紋而造成開裂現(xiàn)象。在模具的工作過程中，由于熱載荷的循環(huán)作用，在反復(fù)地加熱和冷卻的交替作用下，將會產(chǎn)生熱疲勞裂紋，導(dǎo)致模具的失效。 1．錘鍛模 典型模具的服役條件及失效形式 77 模具材料及熱處理 ? （ 3）若錘鍛模在機械載荷與熱載荷的共同作用下，會有其型腔表面形成復(fù)雜地磨損過程，其中包括粘著磨損、熱疲勞磨損、氧化磨損等。另外，當(dāng)鍛件的氧化皮末清除或未很好清除時，也會產(chǎn)生磨粒磨損。 ? 模具的失效部位 ：型腔中的水平面和臺階易產(chǎn)生塑性變形失效，側(cè)面易產(chǎn)生磨損失效，型腔深處和燕尾的凹角半徑處因易萌生裂紋而產(chǎn)生斷裂失效。 ? 錘鍛模的主要失效形式 ：磨損失效、斷裂失效、熱疲勞開裂失效及塑性變形失效等。 典型模具的服役條件及失效形式 78 模具材料及熱處理 ? 壓力機鍛模在服役時，承受巨大的壓力，當(dāng)模具在曲柄壓力機和水壓機上工作時，所承受的壓力主要是靜壓力，而沖擊力較小。 ? 模具工作狀況 ：與錘鍛模相比，熾熱的金屬坯料在型腔中停留的時間較長，壓力機鍛模的型腔溫度明顯比錘鍛模要高，受熱更嚴重。所以，壓力機鍛模中的熱應(yīng)力及其變化幅度均大于錘緞模，同時，模具型腔表面所經(jīng)受的氧化腐蝕也較嚴重。 ? 壓力機鍛模的失效形式 ：脆性斷裂失效、冷熱疲勞失效、塑性變形失效、磨損失效以及模具型腔的表面氧化腐蝕失效等。 2．壓力機鍛模 典型模具的服役條件及失效形式 79 模具材料及熱處理 熱擠壓模是使被加熱的金屬坯料在高溫壓應(yīng)力狀態(tài)下成形的一種模具 受力狀況 ： ? （ 1）擠壓時承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，脫模時承受一定的拉應(yīng)力作用，模具和金屬坯料的接觸時間長，受熱溫度比熱鍛模高； ? （ 2）為防止模具的溫度升高，需要對模具 (特別是凸模 )進行冷卻，工件脫模后，每次用潤滑劑和冷卻介質(zhì)涂抹模具的工作表面，而使擠壓模具經(jīng)常受到急冷、急熱的交替作用； ? （ 3）熱擠壓模承受的沖擊載荷很小，而承受的靜載荷很大，凸模承受巨大的壓力，還承受很大的附加彎矩，在凸模脫模時還要承受一定的拉應(yīng)力； ? （ 4）凹模型腔表面承受變形坯料很大的接觸壓力，沿模壁存在很大的切向拉應(yīng)力，而且大都分布不均勻，內(nèi)加上熱應(yīng)力的作用，使凹模的受力極為復(fù)雜； ? （ 5）由于熱擠壓變形時的變形率較大，金屬坯料塑性變形時的金屬流動，對模具型腔表面產(chǎn)生的摩擦比錘鍛模劇烈得多，且由于硬顆粒(如氧化皮 )的存在將導(dǎo)致摩擦的進一步加劇。 3．熱擠壓模 典型模具的服役條件及失效形式 80 模具材料及熱處理 ? 熱擠壓模的主要失效形式 ：斷裂失效、冷熱疲勞失效塑性變形失效、磨損失效以及模具型腔表面的氧化失效等。 典型模具的服役條件及失效形式 81 模具材料及熱處理 熱沖裁模是主要用于沖切模鍛件的飛邊和連皮的模具 ? 工作狀況 ：熱沖裁模具主要由凸模和凹模組成，工作時模具的刃口部分承受擠壓、摩擦和一定的沖擊載荷，同時還因為金屬坯料上的傳熱而升溫，但由于所使用的鍛壓設(shè)備不同，所加工的金屬坯料的尺寸不同，使各類熱沖裁模的刃口部位所承受的熱載荷與機械載荷有很大的區(qū)別 ? 主要失效形式 ：刃口的熱磨損失效、崩刃失效、卷邊失效和斷裂失效等。 4．熱沖裁模 典型模具的服役條件及失效形式 82 模具材料及熱處理 壓鑄模是利用壓鑄機在高溫下使金屬壓鑄成形的一種模具。 工作狀況： ? （ 1）壓鑄模的型腔表面要承受液態(tài)金屬的壓力、沖刷、侵蝕和高溫作用，每次壓鑄件脫模后還要對模具的型腔表面進行冷卻和潤滑，而使模具承受頻繁的急冷、急熱的作用。 ? （ 2）由于不同材料的熔化溫度有很大差別，因此，用于不同材料的壓鑄模其工作條件的苛刻程度和使用壽命有很大區(qū)別。在壓鑄鋅合金時，壓鑄模型腔表面的溫度不超過 400℃ ，熱載荷較小，模具的工作壽命較長；在壓鑄鋁合金時，壓鑄模的型腔表面溫度可達 600 ℃ 左右，且熔融的鋁合金液體很容易粘附鋼鐵材料，使用時必須在模具的形腔表面反復(fù)涂抹防粘涂料，由此便造成了模具型腔表面的溫度波動。 5．壓鑄模 典型模具的服役條件及失效形式 83 模具材料及熱處理 ? （ 3）在壓鑄銅合金時，模具的型腔表面溫度可達到750℃ 以上，由于銅合金液體溫度高，而且銅合金的熱導(dǎo)性好，模具的型腔表面受到銅合金液體的反復(fù)沖刷，并且急冷、急熱的溫度變化幅度較大，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。壓鑄時的壓應(yīng)力和脫膜時的拉應(yīng)力的反復(fù)作用下，模具