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各种模具分类方法,模具失效形式和原因分析

日期: 2022-04-15
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模具是金属或非金属成型的工具,一方面模具受到金属或非金属的摩擦作用,另一方面被挤压的材料反给模具比较大的压应力。因此模具应具有较高的强度和硬度,同时又应具有一定的韧性。在模具制造中每个零件都具有复杂性与特殊性,相互之间具有整体配合性,这给模具设计加工工艺带来了不同的要求。



1、模具硬度:软模、硬模



1)软模:模具钢材已预硬,无需淬火处理,但硬度较低,HB在400以下,生产寿命在50万次以内,应用广泛。



2)硬模:模具钢材经退火处理,加工分两次粗加工与精加工,粗加工后再进行淬火处理,硬度在HRC48°以上,粗加工后要保留0.2左右的加工余量,因淬火处理后,工件会变形,以防精加工达不到工件要求。生产寿命在50~100万次以上,小型模具应用最多。

各种模具分类方法,模具失效形式和原因分析


一级模具质量



1、模具:必须能有一百万或以上的开模次数。



此乃一级模具,客户要求必须用最好的物料及配件配合做成



最好的模具 。



2、一级模具的要求如下:



(1)详细的模具设计(连电脑图和物料);



(2)模胚硬度最少要有HB280;



(3)模仁必需最少见硬HRC50,所有行位及配件等亦必要淬硬;



(4)要中托边司管顶针;



(5)行位必定要有耐磨片;



(6)温度控制监察器须按可行性,而装在模、哥或行位;



(7)建议将全部冷却水道做镀镍(ELECTROLESS NICKEL PLATING)用意在防止生锈及容易清理;



(8)分模线必要加定位锁。

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二级模具质量



1、模具:必须能有五十万或以上的开模次数。



此乃二级和高级质量的模具,必须用好的物料及配件,并于模具的公差亦有一定的标准(尺寸精度)。此模亦要求有顶好的质量。



2、二级模具的要求如下:



(1)建议做详细的模具设计



(2)模胚硬度最少要有HB280



(3)模仁必需最少见硬HRC48,所有行位及配件等亦必要求热处理



(4)温度控制监察器须按可行性,而装在模、哥或行位



(5)分模线必要加定位锁



(6)以下之要求会于个别要求及在报价时而定立

三级质量模具



1、模具:必须能有二十五万或以上的开模次数。此乃一般的模具要求,生产亦为中生产模具。



2、三级模具的要求如下:



(1)建议做模具设计



(2)模胚硬度最少要有HB165



(3)模仁必需最少为HB280



(4)除以上3点基本要求外,其它均视作选择性的额外要求



四级质量模具



1、模具:要求大约1万啤次。此乃低生产模具,一般而言没有什么特别要求,但模具质量仍需好及客户接受。



2、四级模具的要求如下:模具人杂志微信专注、专业@@



(1)建议做模具设计



(2)模胚可能是一般的铜材或铝



(3)模肉可用铝或用客户同意下的钢材



(4)除以上3点基本要求外,其它均视作选择性的额外要求



四、模具难度:A级 B级 C级 D级



A级:有多个行位以及斜顶多次分型、抽芯及旋转抽芯等结构很复杂的模具。



B级:有多个(二~四个)行位斜顶二到三次分型及有抽core等模具结构较复杂。



C级:简单的细水口进胶模具,有一、二个行位、斜顶等结构一般的模具。



D级:大水口模具,二板模具,无行位、无斜顶等结构简单的模具。



五、模具大小:特大型 大型 中型 小型



特大型:模具宽度在800mm以上模具。



大型:模具宽度在600~800mm(不含800)之间的模具。



中型:模具宽度在350~600(不含600)之间的模具。



小型:模具宽度在350以下的模具。



塑料模具钢的选用



近年来,在引进国外塑料模具钢的同时,我国自行研制和开发了一系列新型塑料模具专用钢,形成了我国特色的塑料模具钢系列。



1、碳素塑料模具钢的应用



由于碳素塑料模具钢具有加工性能好、价格便宜、原料来源方便等优点,被广泛应用于形状简单的小型模具或精度不高、使用寿命不需很长的模具。



YB/T074-1997中列出的有SM45、SM50和SM55等钢号,这类钢与优质碳素钢相比,钢中的S、P含量低,钢材的纯净度好,且碳含量波动范围窄,力学性能更稳定。



对于硬度要求较高,尺寸较小的热固性塑料模具,一般采用wC=0.7﹪~1.3﹪的高碳碳素工具钢制造,如T7、T8、T9、T10、T11、T12等钢。该类钢热处理后可以得到高的硬度和高的耐磨性。



2、渗碳型塑料模具钢的应用



一些复杂的塑料模具型腔采用冷挤压的方法,在淬硬的方法直接压制出来,省去型腔的切削加工,这对于成批生产的模具是一种十分经济的加工方法。模具加工后经过渗碳、淬火、低温回火后具有高硬度、高耐磨性的表面和韧度良好的心部组织,可以制作各种要求表面高耐磨性、心部韧性好的模具。这就需要选用渗碳型塑料模具钢。



渗碳型塑料模具钢碳含量很低,一般为质量分数0.1﹪~0.2﹪,塑性变形抗力很小,软化退火后硬度≤160HBW,复杂型腔≤130HBW,以便型腔的冷挤压。过去我国一般采用低碳钢和低碳合金钢,如15、20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20Cr2Ni4和20CrMnTi等钢。我国近年来研制的冷挤压成形塑料模具专用钢LJ(0Cr4NiMoV),该钢经冷挤压成形后经渗碳、淬火和低温回火后,表面硬度达58~62HRC,心部硬度28HRC,模具耐磨性好,无塌陷及表面剥落现象,可用于制造形状复杂和承受载荷较高的塑料成形模具。



3、预硬型塑料模具钢的应用



对于形状复杂、精密的大中型塑料模具,为了避免其在淬火热处理过程中产生变形,因此模具钢以预化状态供应市场。



该类钢一般为中碳低合金钢,在钢厂经过锻打后制成模块,预先热处理,使之达到模具使用时的硬度,从而可避免由于热处理而引起的模具变形和裂纹问题,从而保证了模具的制造精度。



已纳入国家标准的预硬化型塑料模具钢有:SM3Cr2Mo钢、SM3Cr2MnNiMo钢,供货硬度一般为28~36HRC,适于制造大中型和精度高的塑料模具。



为了改善预硬化型塑料模具钢的加工性能,往往在预硬钢中加入易切削元素S、Ca、Pb、Sb等。我国先后研制了一些易切削预硬型塑料模具钢,如5CrNiMnMoVSCa钢、8Cr2MnWMoVS钢、4CrMnVBSCa钢、5CrNiMnMoVS钢等,使钢在较高硬度下的切 削加工性能显著改善。预硬化易切削塑料模具钢不仅可以用于制造大、中型精密注塑模具,而且也可以用于制造精密复杂的冷作模具。



塑料模具的失效形式及原因



塑性变形



其是指塑料模具在持续受热、受压的作用下,发生局部塑性变形而失效。其原因主要是:所采用模具的材料强度与韧性不足;模具超载使用;模具型腔表面的硬化层过薄,变形抗力不足;模具回火不足;因工作温度高于回火温度而使模具发生软化,从而引起表面起皱、凹陷、麻点、棱角塌陷(堆塌)等。



断裂



由于塑料模具形状复杂,存在许多棱角、薄壁等部位,在模具工作时易产生应力集中,当这些部位的应力值超过模具材料的断裂强度时,就会发生断裂失效。另外,合金工具钢制作的塑料模具回火不充分时,使用中也容易发生断裂失效。



表面腐蚀



其是由于热固性塑料中的固体填料及一些热塑性塑料中存在氯、氟等元素,受热分解析出HCl、HF等强腐蚀性气体,侵蚀模具型腔表面,加剧其磨损失效。表面腐蚀会造成模具型腔表面质量下降及尺寸超差,降低模具寿命。



表面磨损



热固性塑料对模具表面的严重摩擦,使模具表面产生划伤(拉毛),影响压制件的外观质量,经多次抛光修复后,因型腔尺寸超差而失效;热固性塑料中含有的固体添加剂也会加剧对模具型腔的磨损,不仅使型腔表面粗糙度值迅速升高,而且还会使模具型腔尺寸超差;当模具选用的材料与热处理不合理,塑料模具的型腔表面硬度较低,也会使模具耐磨性变差。



疲劳和热疲劳



塑料模具在工作过程中因承受循环的机械载荷作用,使模具的型腔表面承受脉动拉应力作用,从而引起模具的破坏称为疲劳失效;塑料模具在服役过程中还承受循环的热载荷作用,型腔表面在反复的受热和冷却条件下,可导致模具型腔应力集中处萌生热疲劳裂纹,另外加上模具型腔表面上的脉动拉应力,使热疲劳裂纹向纵深扩展,最终造成模具断裂。



失效原因:



该模具寿命在2000件以下,其主要的失效形式为型腔表面拉毛(划伤)和棱边塌陷等。对失效模具进行硬度检测发现,型腔表面与棱边处的硬度为56~58HRC,表明模具在使用过程中有一定的硬度降低,其金相组织为回火马氏体 +粒状渗碳体 +少量残留奥氏体。



通过对模具的硬度降低分析来看,模具的服役温度高于回火温度(200℃),同时也与模具的回火不足有关,其使模具在服役过程中受热后继续回火,导致马氏体的分解与残留奥氏体的转变,在压力作用下产生“相变超塑性”流动,引起模具型腔表面拉毛与棱边的塌陷。



冷作模具的失效形式及原因



磨损



冷作模具工作部分与被加工材料之间的摩擦而引起的物质损耗,能使工作部位(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化而引起失效,如冲裁模的刃口变钝,冷镦模的工作表面出现沟槽等。



磨损失效包括正常磨损失效与非正常磨损失效。对于冲模、冷挤压模,在保证不断裂的条件下,工作部分磨损到无法修复的程度属于正常磨损;非正常磨损则是在局部高压力作用下,模具工作表面与被加工材料间发生咬合,引起坯料表面形状与尺寸发生突变,或产品表面出现严重划痕等导致失效,如冷拉深模、弯曲模及冷挤压模中容易出现此类缺陷。



断裂



冷作模具在使用过程中突然出现裂纹或发生破损而失效,按其损坏情况可分为局部破损(如剥落、崩刃、掉牙等)和整体性破损(如碎裂、断裂、胀裂、劈裂等)。其共同的特点是破损大多数产生在受力最大的工作部位,或是在断面变化的应力集中处。



按其断裂过程的特征,可分为脆性断裂和疲劳断裂两种形式。脆性断裂主要是由于模具存在冶金缺陷、工艺缺陷,或因操作不当发生超载造成的;疲劳断裂主要是由于循环应力所致,其常见于各种重载模具,如冷镦模、冷挤压模。



塑性变形



冷作模具在使用过程中发生塑性变形,失去原有的几何形状,通常发生在硬度偏低或淬硬层太薄的模具,具体表现为凸模镦粗、弯曲,凹模型腔下沉塌陷、棱角塌陷、模孔胀大等。



咬合



当被加工材料与模具工作部位接触时,在高压力摩擦下,润滑油膜破裂,发生咬合。此时,被加工件金属“冷焊”到模具型腔表面,导致被加工产品表面出现划伤。咬合失效常见于弯曲、拉深、冷镦、冷挤压等工序。



原因分析



冲模用于加工一汽“大众”A4与“捷达”5V踏板机构总成等产品。冲模在线切割加工时,经常发生模具开裂(见图2)问题。经过分析,模具线切割开裂原因主要是:内部存在淬火残余内应力、材料韧性低。当模具体积较大时,模具经热处理后会产生内应力(表面为拉应力,内部为压应力),当两种内应力相互抵消而保持内应力平衡状态时,不易使模具开裂;而模具在线切割加工时,拉应力增大,将破坏其内应力平衡,加上高碳钢模具材料韧性低,则易使模具开裂。统计发现,此种情况多发生在模具厚度超过50mm时。



附影响模具失效的因素



1.模具结构的影响



模具结构包括模具几何形状如圆角半径、几何角度(凸模的端面形状、凹模锥度与截面的变化),结构形式(整体式结构、组合结构、预应力镶套结构),模具间隙,结构刚度等。



模具结构的合理性,对模具的承载能力有很大的影响。合理的模具结构能使模具工作时受力均匀,不易偏载,应力集中小,不易产生早期失效;而不合理的模具结构可能引起严重的应力集中或高的工作温度,从而恶化模具的工作条件,导致模具早期失效。



2.模具材料的影响



1)模具材料的力学性能指标。模具材料通常应满足模具对塑性变形抗力、断裂抗力、疲劳抗力、硬度、耐磨性、冷热疲劳抗力等性能的要求。如果不能满足要求,则会发生模具早期失效。例如在循环载荷下,如果模具材料疲劳抗力低,经一定应力循环后,可能萌生疲劳裂纹,并逐渐扩展直至模具断裂失效。



2)模具钢的冶金质量。模具钢的冶金质量对模具的失效形式有很大的影响。钢中的非金属夹杂物、偏析、中心疏松、白点等缺陷,均能降低钢的强韧性、疲劳及冷热疲劳抗力,引起模具早期失效,如崩裂、劈裂、折断,以及工作面的凹陷等。



3.模具制造工艺的影响



模具制造工艺过程包括锻造、机械加工、热处理等。有些模具加工需经过上述所有工艺处理。每一种工艺的加工质量,均将不同程度地影响模具的损伤过程、失效形式。



若锻造工艺不合理,则达不到打碎晶粒,改善方向性,提高钢的致密度等目的,甚至引发锻造裂纹等缺陷;机械加工如出现尖角或表面粗糙度值高,留有加工刀痕,将容易在这些部位萌发疲劳裂纹。磨削不当,容易烧伤模具表面或产生磨削裂纹;若热处理不当,则可能引发热处理缺陷,如淬火温度过高,则会引起钢的过热,甚至过烧,模具易发生崩刃或早期断裂,而淬火温度过低,则难以保证有足够的合金元素固溶于基体之中,模具易产生早期变形、塌陷或热疲劳裂纹。淬火冷却速度过快,则易出现淬火裂纹,在模具使用中易产生早期断裂。



4.模具的工作条件的影响



模具的工作条件与下列因素有关:设备的特性,被加工坯料的材质、形状、精度和温度,模具的冷却及润滑条件,模具的预热与工作应力消除等。这些因素均对模具的失效形式产生影响。

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