模具寿命与失效
模具的寿命
模具因崩刃、折断、破裂引起的失效都属于断裂。
2．提高模具寿命的措施
① 合理选择模具材料和热处理。 ② 模具结构设计要合理，加工方法要合理。 ③ 工件成型工艺要合理。 ④ 选择足够精度和刚性的冲压设备。
冷冲模具设计
冷冲模具设计
模具的寿命
模具寿命的长短以冲出废品零件前的冲压件数 量来度量。
模具寿命的种类很多，常用的有以下几种
① 损坏寿命：模具在使用期间由于工作过程
某些缺陷而引起的模具损坏，致命：模具由于正常磨损不能冲出合格
零件，必须重新刃磨。
冲模的磨损规律一般随冲压次数的增加分为 初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段。
（2）过量的塑性变形
当模具所承受的载荷超过自身材料的屈服极 限时，则会因过量的塑性变形使其失去尺寸 的准确性而失效。
（3）疲劳
模具是在循环变应力状态下工作，所以会产生疲 劳破坏。
特别是应力集中区，随着冲压次数的增加，容易 产生疲劳裂纹且裂纹会不断扩展直至产生疲劳破 坏而导致模具失效。
两次刃磨期间所冲压的零件总数为刃磨寿命。
③ 总寿命：新模具从开始使用到不能再修复期 间所冲压零件的总数为总寿命。
1．模具的失效方式
模具在使用过程中，因某种原因不能冲压出合
格零件，称为模具失效
其主要的失效方式有：磨损引起尺寸变化、
过量塑性变形、疲劳破坏、断裂。
（1）磨损
模具使用过程中的磨损属正常的失效方式。
模具的失效及使用寿命
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模具的失效及使用寿命
• 模具失效形式及机理
•五、气蚀磨损和冲蚀磨损
•（三）提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施
• 气蚀磨损和冲蚀磨损都称为侵蚀磨损。它们都可以看 成疲劳磨损的派生形式。因为就本质上来说，都是由于机 械力造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用加 速了它们的破坏速度。在注塑模具和压铸模具中易出现。
• （二）粘着磨损的分类 •
•
根据磨损程度，分为：轻微粘着磨损（氧化磨
损）和严重粘着磨损（涂抹、擦伤、胶合）。图3-6。
•轻微粘着磨损（氧化磨损）：粘结点强度低于模具和 工件的强度时发生。接点的剪切损坏基本上发生在粘着 面上，表面材料的转移十分轻微。
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模具的失效及使用寿命
• 模具失效形式及机理源自区，磨屑尺寸增大，加厚，且多为金属屑；
•
当载荷继续增大超过T2
后，表面内摩擦增大而温度
很高，可能发生相变，并形
成白层，形成不易破碎的氧 化膜，因而耐磨。
•载荷对碳钢表面磨损量的影响
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模具的失效及使用寿命
• 模具失效形式及机理
• （三）影响粘着磨损的因素
•
② 材料性质
•
脆性材料比塑性材料粘着倾向小。塑性材料形成的粘
金属)所组成的摩擦副粘着倾向大；互溶性小的材料(异种
金属或晶格结构不相近的金属)组成的摩擦副粘着倾向小。
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模具的失效及使用寿命
• 模具失效形式及机理
• （三）影响粘着磨损的因素
• ③ 材料硬度
•
模具材料硬度越大，磨损越小；反之，磨损
越大。
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模具的失效及使用寿命
河南科技大学模具寿命与失效
第一章绪论1、模具的分类：a、模具所加工材料的再结晶温度：冷变形模具、温变形模具、热变形模具；b、模具加工坯料的工作温度：热、温、冷作模具；c、模具成型的材料：金属成型用模具“非金属成型用模具；d、模具的用途：锻造模具、冲压模具、挤压模具、拉拔模具、压铸模具、塑料模具、橡胶模具、陶瓷模具、玻璃模具、其他模具等。
第二章模具寿命与工业生产的关系1、模具正常寿命：模具正常失效前生产出的合格产品数目，简称模具寿命S。
第三章模具失效的基础知识1、模具失效的分类：磨损失效、塑性变形失效、断裂失效。
2、磨损：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象。
可分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。
磨损失效：当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态，使不能继续服役。
3、磨粒磨损a、形成和特征：工件（模具）表面有硬质点存在，变形材料在模腔内流动，造成对磨具表面的磨损。
b、机理：磨粒与工件、模具接触，在成形力作用下，磨粒压入工件和模具，工件在模具内运动带动磨粒在模具表面产生划痕。
c、影响因素：1）磨粒尺寸和几何形状：磨粒尺寸越大，金属表面的体积磨损量越大。
2）磨粒硬度；3）模具与工件表面压力；4）工件厚度。
d、提高模具耐磨粒磨损措施：1）选用耐磨性能好的材料：T7、T8、T10；2）合理的热处理工艺；3）进行表面强化；4）使用润滑清理。
4、粘着磨损a、形成过程：模具与工件实际接触面积小，在外力作用下，局部接触部位材料产生屈服，进一步粘着到模具或工件上。
b、特征：有材料的转移。
c、理论分析：1）模具表面凸凹不平，实际接触面积有0.01~0.1％，接触应力大；2）金属流动时产生大量的热，局部出现熔化；3）高温下，金属与模具间的润滑层破坏；4）新材料暴露，加剧与模具材料分子间吸附；5）变形结束后，表层温度急剧下降，出现淬火裂纹。
d、影响因素：1）压力；2）材料性质：模具材料（按强度理论可分为脆性断裂和韧性断裂）、工件材料；3）润滑剂；4）表面处理。
《模具失效分析》第二、三章
二、热作模具的服役条件及失效形式
热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进 行压力加工的模具。 锤锻模 压力机锻模 热挤压模 热冲裁模 压铸模 锤锻模在服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用， 还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用， 同时受到交替的加热和冷却的作用。 热作模具 主要的失效形式是磨损失效、塑性变形失效、 断裂失效、冷热疲劳、断裂失效等。
铝合金铸件模具一般为4-8万次，个别可超过10万次， 国外可达8-15万次以上；
常州宝马集团公司的步进电机定转子带双回叠片硬质合金级进 模。具有转子冲片落料、旋转72°再叠片，定子冲片落料、回 转90°再叠片、(以消除料厚误差)等功能。这两项模具精度达 2μm，步距精度2-3μm，双回转精度1′，寿命达到1亿次以上， 制造周期5-6个月，而价格仅为同类进口模具的1/2-1/3，已达 到国际先进水平，完全可以替代进口。
五、腐蚀磨损
什么叫腐蚀磨损？
在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应， 再加上摩擦力机械作用，引起表层材料脱落的现象。
腐蚀磨损机理
模具表面与周围介质发生化学或电化学反应 氧化磨损
腐蚀磨损分类
特殊介质腐蚀磨损
六、磨损的交互作用
3.2、断裂失效
断裂失效
模具出现大裂纹或分离为两部分和属部分，丧失服 役能力时，称为断裂失效
形状的产品。
在室温条件下工作，塑性变形大，工作环境差，凸 模承受巨大的冲击力和摩擦力；凹模承受胀力和摩 擦力的作用。
最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。
4.冷挤压模
依靠模具使金属坯料在强大而均匀的近似静挤压 力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品 在进行冷挤压加工时，模具承受强大的挤压力（如 正挤压钢材时，挤压力约为2000～2500MPa），同 时产生很大的摩擦力，由于摩擦和变形，模具的局 部表面温度可达400℃以上。此外由于金属坯料不平 整，凸模和凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致， 还会使的偏载或横向弯曲载荷。 主要的失效形式是磨损失效、 塑性变形失效、凸模折断失 效、疲劳断裂失效及纵向开 裂失效，有时还会产生胀裂 失效。
模具寿命与失效7
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模具的结构刚度
为了避免细长 杆变形，常采 用阶梯形顶杆， 来提高顶杆的 刚度。
为了防止应力 集中源的产生 台阶顶杆的拐角部位可采用圆角过渡截面 等结构，或采用组合式结构。
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（四）减轻工作载荷
模具的工作载荷对 模具寿命有决定性 的影响。以正挤压 35钢工件为例：
模具几何形状
t0／t—变形比、μ—摩擦系数
在此值下，模具承受的力最小， 寿命最高。
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变薄拉深
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模具几何形状
对于锤锻模、压铸模、塑料模等型腔 模，型腔结构常需要考虑脱模斜度以 便制件脱模。
型腔脱模斜度对模具型腔侧壁及底部 的应力状态也有直接的影响。
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若采用一次挤压成型，不仅模具的载荷很大，而 且也难以满足工件形状和尺寸的要求。
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减轻工作载荷
若先挤压成如图b示的形状，再最后挤压成型， 则不仅能满足工件设计要求，而且使模具载荷 大为减轻。
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减轻工作载荷
为了减轻载荷，还应注意其他工艺环节。 ➢ 例如选用被挤压材料的变形抗力应尽可能低，
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中心锥角α为120°～ 130°的凸模结构比较 合理。锥角过大，对降 低挤压力的作用并不明 显，锥角过小易造成侧 向分力不平衡，引起凸 模偏斜、弯曲或折断。
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模具几何形状
1-平底凸模 2-平底带锥台凸模 3-锥角凸模a=120º 4-半球面凸模
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凹模锥角的最佳取值计算公式
非工作部位凹圆角半径过小，在使用过程 中也易造成应力集中，使抗偏载、抗冲击 的能力降低。
模具失效总结
1.1模具的相关定义、模具寿命的基本概念模具：其是用来成型各种工业产品的一种重要工艺装备，是机械制造工业成型毛坯或零件的一种手段。
模具寿命：模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前加工的产品的件数。
制件报废：模具生产出的制品出现形状、尺寸及表面质量不符合其技术要求的现象而不能使用。
模具服役：模具安装调试后，正常生产合格产品的过程。
模具损伤：模具在使用过程中，出席那尺寸变化或微裂纹、腐蚀等现象，但没有立即丧失服役能力的状态。
模具失效：模具收到损坏，不能通过修复而继续服役。
早期失效：模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役时。
正常失效：模具经大量的生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役。
模具正常寿命：模具正常失效前生产出的合格产品的数目。
1.2模具失效形式基本概念模具失效：在特定负荷作用下，具有特定形状的模具材料的失效磨粒磨损:工件表面的硬突出物或外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落。
粘着磨损:工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落。
疲劳磨损:两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落。
气蚀磨损:当模具表面与液体接触作相对运动时，接触处形成气泡，气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑。
冲蚀磨损:液体和固体微小颗粒高速落下，反复冲击到模具表面，局部材料流失，在金属表面形成麻点和凹坑。
腐蚀磨损:在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力的机械作用，引起表层材料脱落。
断裂失效：模具在工作过程中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象。
韧性断裂：断裂前产生明显的宏观塑性变形，端口截面尺寸减少，有颈缩现象。
脆性断裂：断裂前变形量很小，没有明显的塑性变形量，端口尺寸无明显变化，不产生颈缩。
模具寿命与失效复习提纲
一、术语模具的失效：模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时称为模具失效。
P10模具的寿命：模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品件数，称为模具的使用寿命，简称模具寿命。
P9磨损失效：由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损。
P17粘着磨损：工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘结的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨损。
P19疲劳磨损：两接触表面相互运动时，在循环应力的作用下，使表层金属疲劳脱落的现象称为疲劳磨损或麻点磨损。
P21 断裂失效：模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。
P23二、基本概念1、寿命与失效的关系是什么寿命由失效界定2、什么是模具正常寿命？P11模具正常失效前生产的合格产品的数目称为模具正常寿命，简称模具寿命S 。
3、什么是正常失效，非正常失效？P11模具经大量的生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役时，称为模具的正常失效。
由于工作条件的变化、操作者的使用水平、管理者的失误等原因造成的某些损伤，也会导致模具的失效，称为模具的非正常失效。
4、影响粘着磨损的主要因素有哪些？P20材料性质、材料硬度、模具与工件表面压力、滑动摩擦速度。
5、影响疲劳磨损的主要因素有哪些？P21材料的冶金质量、材料的硬度、表面粗糙度。
6、什么是腐蚀磨损？腐蚀磨损主要有哪两类？P22在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力的机械作用，引起表层材料脱落的现象叫腐蚀磨损。
腐蚀磨损主要有氧化磨损、特殊介质磨损。
7、？8、什么是变形失效？变形失效主要有哪两类？P23材料受外力的作用就会产生变形。
当变形量超过了模具的精度要求，成型的工件成为次品或废品时会造成模具失效。
变形失效主要有过量弹性失效和塑性变形失效。
模具寿命与失效
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疲劳断裂的特征
断裂失效
疲劳断口特征分为： 疲劳扩展区(光亮区)：
是裂纹自裂纹源向纵深 逐渐发展形成的，具有 光亮的“贝纹”状痕迹。
最后断裂区(粗糙区)：是裂纹发展到一定程度失 稳快速扩展的结果。
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五、多种失效形式的交互作用
1）磨损对断裂的促进作用 磨损沟痕可成为裂纹的发源地。当由磨
*冷冲裁模的受力过程
在板料弹性变形阶段 冲头端面的中央部位
与板料脱离接触，压 力集中于刃口附近的 狭小范围内，使刃口 上的单位面积压力增 大。
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冷冲裁模
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冷冲裁模的受力过程
在板料塑性变形和剪 裂阶段
凸模切入板料，板料 挤入凹模内孔，使模 具刃口的端面和侧面 产生挤压和摩擦。
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疲劳磨损的形成过程
疲劳磨损
在某些组织不均匀处，由于应力集中， 形成裂纹源，并沿着切应力方向或夹杂 物走向发展。
当裂纹扩展到表面或与纵向裂纹相交时， 形成磨损剥落。
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疲劳磨损的种 类
模具疲劳磨损的外载有机械载荷 和热载荷。因此疲劳磨损可分为：
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其他形式磨损
气蚀磨损的形成过程
在这种气泡的形成和破裂的反复作用下， 模具浅表面将萌生疲劳裂纹，最后扩展 至表面，局部金属脱离表面或气化，形 成泡沫海绵状空穴。
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冲蚀磨损
• 液体和固体微小
颗粒高速落到模 具表面，反复冲 击模具表面，使 模具表面局部材 料流失，形成麻 点和凹坑的现象 叫冲蚀磨损。
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模具寿命与失效作业
⒈模具成型工艺有哪些？
答：（一）根据不同的工作条件可以分为以下几种：
⑴普通模锻
普通模锻是将加热后或不加热的金属坯料放在模具型腔内，在冲击力或压力作用下，使金属的几何形状发生变化而获得与型腔一致的锻件。
普通模锻包括镦锻和热锻。
镦锻又分为冷镦、温镦和热镦。
⑵挤压成型
挤压是将金属材料放在挤压型腔内，一端施加强大压力，材料在三向受力状态下变形，从而一端的模孔中流出，获得不同零件。
挤压按凸模与材料相对运动方向分类，可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。
按坯料温度可分为冷挤压、温挤压和热挤压。
⑶拉拔成型
在拉拔时，材料两向受力，一向受压，通过模具的模孔而成型，获得所需形状尺寸的型材、毛坯或零件。
拉拔可分为拉丝、拔管。
拉拔所获得的产品具有较高的精度和较低的表面粗糙度，常用于对轧制的棒料、管料的再加工，以提高质量。
⑷冲压成型
冲压是利用冲模使材料发生分离或变形，从而获得零件的加工方法。
冲压可获得形状复杂、精度高和表面质量好的零件，同时生产率很高、成本低。
冲压主要可分为分离工序和成型工序。
分离工序包括冲孔、落料、切边、修整等方法。
成型工序包括拉深、弯曲、胀形、翻边和校平等。
⑸压铸成型
压铸是以一定的压力将熔融金属高速压射充填到压铸模型腔内，在压力下凝固而成形铸件的工艺方法。
⑹塑料成型
塑料成型是在压力的作用下，将粉末状或黏流状的塑料在模具中成型，获得所需形状尺寸的塑料制品。
塑料成型种类﹕模压成型、射出成型﹑注射成型、压铸成型﹑吸塑成型﹑吹塑成型﹑发泡成型﹑中空成型、挤压成型等工艺方法。
（7）其他特殊成型
①玻璃钢船模具制作工艺
②全新的模具成型方法（新型模具材料（陶瓷粉）取代石墨材料制造无压浸渍法制造金刚石钻头工艺）是针对无压浸渍法制造金刚石钻头存在模具费用高、模具加工周期长等缺点，研究了一种新型模具材料（陶瓷粉）取代石墨材料，并研究了一种全新的模具成型方法，简化了模具制造工序，降低了成本。
③烧结式PDC钻头模具成型工艺是针对烧结式PDC钻头底模手工成型困难、生产效率低的问题,采用冷压成型法制作底模,并在实验的基础上,确定了底模的原材料配比和成型压力,为底模加工提供了一种可行的新工艺。
④注吹塑料中空容器的模具成型工艺方法其具体步骤包括：注塑机的注塑过程及吹塑机的吹塑过程；所述注塑过程包括：a注塑机中的定模具和动模具闭合
过程；b注射坯料成型过程；c注塑机模具开启过程；所述吹塑过程包括：a吹塑成型模块闭合过程；b吹气成型过程；c开启吹塑成型模块和成型中空容器顶出；其特征在于：所述注塑过程与吹塑阶段中,模具开启后,成型芯棒始终固定在动模中,不需要动力机构驱动旋转或平移；注射成型坯料黏附在芯棒上,模具完全开启后,型芯两侧的吹塑成型模块在推杆的作用下闭合,当吹塑模块完全闭合后,芯棒内部吹气,完成中空容器的吹塑成型；所述的注塑阶段在注射与开模之间,只有注射坯料成型,无需保压和冷却定型,此时注塑机处于合模状态；所述吹塑阶段的吹塑成型模块的闭合, 吹气成型和开启顶出均在同一个模具上完成。
⑤塑料型腔模液态模锻工艺加工，其由由哈尔滨市第二轻工研究所和哈尔滨工业大学共同承担的研究项目，通过了部级鉴定。
专家们确认这项成果属国内外首创，具有国际先进水平，为塑料模具制造开辟了一条新途径。
采用这种塑料型腔模液态模锻工艺加工的模具具有尺寸精确，表面光洁、强硬度较高、寿命较长以及可以降低制模成本、缩短生产模具周期等优点。
采用这种工艺，可以克服机械加工模具的许多缺点，带来显著的经济效益。
⒉在我国模具使用寿命达到哪个层次？
答：模具按使用寿命的长短可分为五级。
一级在百万次以上，二级是50万-100万次，三级在30万-50万次，四级在10万-30万次，五级在10万次以下。
我国与国外的模具使用寿命对比情况
由此可见，我国模具平均寿命仅为国外先进水平的1/2-1/3。
主要集中在第二至第五级之间，未能达到一级水平。
具体例子如下：
有代表性的电机铁芯自动叠片硬质合金多工位级进模，精度达2m，步距精度达3m，双回转精度1，拼块精度1m，表面粗糙度Ra0.1～0.4m，寿命1亿次；美国奥伯格、日本黑田、法国宝捷时等电机铁芯双排自动叠片模，精度为1m，步距精度2m，模具寿命2亿次。
虽然精度已接近国外先进水平，但寿命有一定差距。
高水平的空调器翅片多工位级进模，精度达2m，凸、凹模的工作面近千处，冲裁间隙为0.01mm的达300多处，一次冲出翅片数达36列，模具寿命2亿次以上；日本日高精机、美国OAK、意大利GBS公司制造的36～72列数翅片级进模，精度达2m，步距精度3m，寿命5亿次以上。
体现高难度成形的彩管电子枪零件（G5）25工位硬质合金级进模，精度达2m，模具在高速冲床上应用，冲制0.245mm厚的无磁不锈钢，经各道工序后，制品精度达±5m，模具寿命3千万次以上；日本东芝、日本日立等公司制造的彩管电子枪零件级进模，精度为2m，步距精度3m，模具寿命5千万次以上。
高性能的集成电路框架32工位级进模，精度达2m，在高速冲床上冲速达350～500次/分，寿命为3千万次以上；日本山田、美国奥伯格等公司制造的100条脚以上的集成电路框架模，精度达2m，步距精度3m，模具寿命1亿次。
综上可以看出，具有代表性的我国精密、复杂、高效、长寿命冲压模的制造水平（精度、表面粗糙度等）已接近或达到国外先进水平，但是模具寿命有较大的差距。