冷挤压模的工作条件及失效形式

2.冷挤压模的主要失效形式
冷挤压模具的凸、凹模由于受力状况有所不同，所以失效形式有所差异，一般凸模易于折断，凹模易于胀裂。冷挤压凸模的失效形式主要有折断、磨损、镦粗、疲劳断裂和纵向开裂；冷挤压凹模的失效形式主要有胀裂和磨损。
冷挤压模具的磨损主要是磨粒磨损和粘附磨损，磨损主要发生在凸模的工作端部和凹模内壁。模具表面温度的升高可能会使模具材料的表层软化，从而加速磨损失效的过程。
2. 模具结构的影响
(1) 模具几何形状的影响 模具的几何形状对成形过程中坯料的流动和成形力产生很大的影响，从而影响模具的寿命。如图11-8所示为三种形状的反挤压凸模其中a、b两种结构的凸模比c结构的凸模降低挤压力20%，但a、b两种结构的凸模端面倾斜角不能过大，否则虽然降低了挤压力，但凸模容易因挤偏受到弯曲应力而折断。
对于冷挤压模，如果模具承受的单位挤压力很大，则应使用高淬透性的材料如基体钢、高速钢，否则未淬硬的材料心部会引起模具塑性变形。如果凸模受偏心力较大，则应选用高强韧性的材料。挤压工件形状复杂、生产批量大或者被挤压坯料强度高，选择硬质合金或钢结硬质合金可以提高模具的寿命。
冷镦模在选材上，应注意钢的原始组织和化学成分，钢材不应有原始组织缺陷，如偏析、夹杂和少量缩孔等。在高负荷条件下工作的冷镦模，模具用钢要有较高的纯度，硫、磷含量要严格控制。一般钢材含碳量在0.8～0.9%韧性较好，含碳量在0.95～1.05%为硬韧，含碳量在1.05～1.15%为硬性，大型模具含碳量取下限，小型模具取上限。
(2)冲压设备特性的影响 冲压设备的刚度和精度对模具的寿命影响极大。开式压力机为C型框架，刚度较差。在冲压力的作用下易产生变形，造成上、下模中心线不重合，模具工作间隙不均，甚至啃刃、崩刃。此外，冲裁过程结束的瞬间，载荷急速锐减，压力机在冲压过程中积聚的变形能量突然释放，造成上、下模间的冲击振动，即所谓“失重插入”现象，这也加剧了模具的磨损。因此，精密冲裁或使用硬质合金冲裁模具时，最好采用刚度较好，精度高的闭式压力机。
(1)模具材料性能的影响 各种模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断裂抗力、冷热疲劳抗力等性能均有所不同，材料的性能必须满足模具的具体使用要求，否则将导致模具的早期失效。如模具工作在循环载荷下时，使用疲劳抗力差的材料将会萌生疲劳裂纹，裂纹的不断扩展将引起模具的断裂失效。
(2)模具钢材冶金质量的影响 若钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物，则容易形成裂纹源，引起模具早期断裂失效。当钢中的碳化物过多，形成网状、大块状或带状偏析时，将严重降低钢的冲击韧度及断裂抗力，引起模具的早期断裂、崩块及开裂等。钢材中存在中心疏松和白点，会降低模具的抗压强度，使模具淬火开裂及工作表面凹陷。
冷挤压模具的结构必须有足够的强度、刚度、可靠性和良好的导向性。采用最佳的凸模形状，条件许可的情况下采用工艺轴，变单纯正挤压或反挤压为复合挤压，以降低单位挤压力。挤压凸模不易过长，防止纵向弯曲。模具工作部件的过渡部分应设计足够大的圆角半径，避免尖角过渡产生应力集中现象。凹模易横向开裂部位应采用分割式结构，以消除应力集中。采用预应力组合凹模结构以防止内层凹模的纵向开裂。采用阶梯式组合凹模比同尺寸的平口组合凹模具有更大的承受径向内压力的能力。
3. 模具制造工艺的影响
(1) 锻造工艺的影响 如果锻造工艺不合理，会降低钢材的性能，造成锻造缺陷，形成导致模具早期失效的隐患。常见的锻件表面缺陷有裂纹、折叠、凹坑等，内部缺陷有组织偏析、流线分布不合理、疏松、过热、过烧等。
锻造时镦击力过大，变形量过大，易产生裂纹。加热不均，温度过高会产生材料晶粒粗大的过热现象、或导致晶界熔化和氧化的过烧现象。停锻后冷却速度过快容易开裂，特别是高碳高合金钢，锻造温度范围较窄，操作不当极易开裂。锻造不充分会产生组织应力，热处理时也易发生变形开裂。若模具材料中的非金属夹杂物锻压后，流线分布走向与凸模轴线垂直，则可能引起横向折断；如果分布走向与轴线平行，则可能发生纵向劈裂。
11.1.2影响冲压模具寿命的因素及提高冲模寿命的措施
一. 影响冲压模具寿命的因素
模具因磨损或其它形式失效，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。为了提高冲压模具的寿命，必须对已失效的模具进行分析，了解和掌握失效的原因和影响模具寿命的主要因素。
1.模具材料的影响
二.提高冲模寿命的措施
对于拉深模，粘附磨损是拉深模具失效的重要原因，一般粘附易发生在性质相近的材料之间，所以应根据被拉深材质的不同，选择相应的模具材料，。如果被拉深材料为有色金属，模具材料可以选用铸铁、钢材和硬质合金；若被拉深材料为黑色金属，则模具材料选用有色金属、硬质合金以及与其亲和力小的钢铁材料。
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a)整体式 b)组合式
图11.1.4 挤压凸模结构形式
(2) 模具间隙的影响 模具的凸凹模工作间隙不仅影响工件的质量，还影响模具的寿命。例如拉深模的间隙过小将增加摩擦阻力，易擦伤工件表面，并增大了模具的磨损。冲裁模的间隙过小会加剧凸凹模的磨损，降低模具的使用寿命。
(3) 结构形式的影响 模具的结构形式不合理将导致应力集中而断裂失效。如图11-9a所示为正挤压空心工件的整体凸模，挤压时极易在心轴根部产生应力集中而折断。改为图11-9b所示组合式，消除了应力集中，可以防止模具的早期断裂失效。
被加工材料的表面状态，对模具的磨损也有很大的影响。采用表面没有氧化黑皮、脱碳层，仅有极薄的氧化膜或磷化膜的坯料，对模具冲压最为有利。如用T10A钢为工作部件制造的冲裁模，冲裁表面光亮的薄钢板时，每刃磨一次可冲3万件，冲裁同等厚度的热轧钢板时，由于表面有氧化黑皮，每次刃磨只能冲裁1.7万件左右。
1.冷挤压模的工作条件
冷挤压模具工作时，将大截面的坯料挤压为小截面的工件，坯料受到强烈的三向压应力作用，发生剧烈的塑性流动，由于被挤压材料的变形抗力较高，如钢的冷挤压，其变形抗力高达1960MPa以上，使模具承受强大的挤压反作用力和摩擦力。摩擦功和变形功转化成热能，使模具表面升温达300℃左右(局部可达300℃以上)。此外，每一次挤压过程都是在很短的瞬间完成的，从而使模具在工作时温度升高，不工作时温度又下降，就是说模具还承受着冷热交变温度和多次冲击负载的作用。如此严酷的工作条件，使得冷挤压模具的使用寿命比其它模具要低。
冷挤压时，凸模可能在弯曲应力或应力集中的作用下折断，或因脱模时的拉应力拉断。凸模肩部由于承受很高的压应力和摩擦力，易产生麻点和磨损，成为导致凸模折断的疲劳源。若凸模选材或热处理不当，在压应力和弯曲应力的作用下，将产生纵向弯曲或镦粗，镦粗一般发生在距工作端部1/3~1/2凸模工作长度处。一旦发现凸模镦粗，应立即重磨。如果凸模因抗压强度不够发生镦粗，在工作部位表面会产生拉应力，引起表面纵裂。若继续挤压，裂纹将扩展并连接起来，造成掉块(凹模表面成片剥落)。
在冷镦模的凹模入口处，尽量设置足够大的渐变圆角，避免应力集中，并在出模方向上作出拔模斜度。以利于坯料在型腔内的流动及降低模具的负荷。硬质合金或钢结硬质合金冷镦模具的硬度高，耐磨性好，生产出来的产品精度高。可以采用硬质合金或钢结硬质合金镶块的组合式结构，用加套的方法施加预应力，减少或抵消模具受到的冷镦力，以提高模具的使用寿命。但硬质合金脆性很大，当模具形状复杂并在较高的冲击负荷下工作时，不应采用硬质合金。
若凹模抗拉强度不够，挤压时在切向拉应力的作用下，会产生胀裂(纵向开裂)，凹模型腔变化的部位会发生横向开裂。如果采用预应力组合凹模，长期工作中内层凹模型腔内壁会因拉、压交变循环的切向应力作用导致疲劳开裂。
任何模具，其失效形式并非一成不变。模具在服役过程中，在不同的部位，会承受不同形式的作用力，可能导致出现多种损伤形式并存的现象。
(3) 热处理工艺的影响 模具淬火加热时温度过高，容易造成模具的过热、过烧，冲击韧度下降，导致早期断裂。如果淬火温度过低，会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力，容易造成模具的塑性变形、磨损失效。淬火加热时不注意采取保护措施，会使模具表面氧化和脱碳，脱碳将造成淬火软点或软区，降低模具的耐磨性、疲劳强度和抗咬合能力，影响其使用寿命。淬火冷却速度过快或油温过低，模具容易产生淬火裂纹。如果回火温度太低，而且不够充分，将无法消除淬火过程中的残余应力使模具的韧性降低，容易发生早期断裂。
(1) 合理设计模具
在保证冲裁工件质量的前提下，冲裁模具应尽可能选用较大的冲裁间隙，以降低冲裁力，减小模具的磨损。为了提高凸模的刚度，加强其抗偏载能力，以防止工作时凸模弯曲变形或折断。一般凸模头部截面积和尾柄部截面积大约分别取为工作端面面积的2倍和4倍，必要时对凸模进行导向保护。可以采用弹性卸料板，对板料施加一定的压边力，以减少因板料滑移或翘曲对凸模的作用力。为确保冲压过程中冲裁间隙均匀，避免啃刃和刃口的不均匀磨损，可选用精确的模具导向装置，例如使用滚珠导柱导套。
(3)润滑条件的影响 良好的润滑条件可以有效降低摩擦力、摩擦热和冲压力，减少模具的磨损，显著提高模具的使用寿命。如冲裁硅钢片时，采用润滑的模具寿命大约是无润滑模具的10倍。使用的润滑剂和润滑方式是否适当，对模具的使用寿命影响很大。如不锈钢表壳挤光模，工作时采用机油润滑，模具寿命只有80件；改用二硫化钼配制润滑剂，使用寿命可达1万件。
拉深模的凸、凹模间隙设计要合理：间隙过小，摩擦阻力增大将使模具磨损加剧；间隙过大，则使制件起皱而加大模具的磨损；间隙不均，在模具工作中会产生不均匀内应力，使模具的使用寿命下降。模具的工作表面硬度要高，以减少磨损。模具的的表面粗糙度值要低，同时被拉深板料的表面粗糙度值也要低一些，以减少拉深时的摩擦阻力，有利于拉深件的塑性成形并提高模具的寿命。
4. 模具工作条件和使用维护的影响
(1)被加工材料的影响 被加工材质的不同、厚度的不同对模具寿命有很大的影响。被加工材料的强度越高、厚度越大，模具承受的力也越大，模具的寿命相对较低若被加工材质与模具材料的亲和力大，在冲压成形过程中会和模具发生粘附磨损，降低模具的寿命。如用Cr12MoV钢制作拉深模，拉深镍基合金钢板时，极易产生粘附咬合及拉毛现象，改用GT35钢结硬质合金制作拉深凹模，粘附咬合倾向大为减轻，提高了模具的寿命。