第八章 影响模具寿命的因素 模具寿命与失效 教学课件

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❖温度应力的影响
轴向应力、切向应力和径向 应力。
当圆柱体毛坯以等速升温进 行加热时，温度应力中，轴 向应力最大
中心是拉应力，模块毛坯加 热时，在心部易产生横向裂 纹。
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模块的锻造
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模块的锻造
❖断面温差的有关因素
材料的热扩散性差、断面尺寸大、加热速 度快、温度头大则其断面温差就大，因而 温度应力就大。
• 使合金钢的表面硬度降至50HRC以下， • 高速钢的表面硬度降至60HRC以下。 ➢ 3）重度磨削烧伤可使表面薄层加热至
相变温度以上,并产生二次淬火，形成高 硬度的白亮层。
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磨削裂纹的特征
磨削裂纹一般垂直于磨削方向，少数 裂纹与磨削方向平行，二者构成网状。
轻微的裂纹难以用肉眼察觉。 ✓ 磨削烧伤和裂纹严重时会降低模具的
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磨削加工的影响
❖ 磨削烧伤的特征 根据切削热对零件表面局部加热的程度，
磨削烧伤可分为： ➢ 1）轻度的磨削烧伤表现为被磨削表面呈
现 黄 、 紫 、 兰 等 彩 色 条 纹 ， 与 250 ～ 300℃的回火色相类似。
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磨削烧伤的特征
➢ 2）中度磨削烧伤使表面明显地软化， 例如：
模块的锻造
锻造比是模块锻造时变形程度的一种表示方 法。
随着锻造比增大，锻坯内部孔隙焊合，碳化 物被击碎并均匀分布，锻坯的各个方面的力 学性能均得到明显提高；
当锻造比超过一定数值后，由于形成纤维组 织，横向力学性能急剧下降，导致出现各向 异性。
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模块的锻造比的影响
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➢ 模块用毛坯多为高碳、高合金钢，其低温 段热扩散率比较小，因此低温段应缓慢加 热。
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❖组织应力的影响
奥氏体的比容小于铁素 体的比容
表层开始相变时，表层 为拉应力、心部为压应 力
当心部开始相变时，表 层为压应力，心部为拉 应力。
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模块的锻造
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模块的锻造
但随着温度的升高，钢的塑性和热扩散 性会同时增加，组织应力，温度应力都 易迅速松弛。
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从图看，要提高砂轮速 度必须减少切削深度。
例如，要实现无烧伤磨 削，砂轮圆周速度为 600m/min 时 ， 切 削 深 度 为0.09mm以下。
若砂轮圆周速度提高为 1000m/min ， 切 削 深 度 应减少到0.05mm左右。
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引起磨削缺陷的主要原因
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磨削加工的影响
➢ 过热现象通过重新加热的方法可以消除。 而过烧现象使模具只能报废。这种缺陷常
见于碳化物偏析严重的高碳高合金钢的高 温淬火加热。
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2.氧化和脱碳
引起模具失效的热处理缺陷
模具淬火加热时保护不良，介质中含有较 多氧化物或腐蚀物质，加热超过一定温度 时会使模具表面氧化、脱碳或腐蚀。
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模具热处理缺陷
❖引起模具失效的热处理缺陷 • 1.过热和过烧
由于加热温度过高、保温时间过长及炉 内温度不均匀等，引起模具钢晶粒粗大 的现象称为过热。当加热温度过高而引 起晶界出现局部熔化和氧化的现象称为 过烧。
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引起模具失效的热处理缺陷
过热现象使模具的力学性能变差，尤其是 冲击韧度下降，产生变形和开裂，使用时， 易引起早期损坏。
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引起模具失效的热处理缺陷
3.热处理裂纹
当模具预处理组织不良、碳化物偏析严 重、冷加工应力过大、淬火操作不当、 模具本身形状复杂薄厚不均等，都可能 导致产生淬火裂纹。
淬火裂纹将使模具报废，不易发现的裂 纹将引起模具的早期断裂。
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引起模具失效的热处理缺陷
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电火花加工的影响
电火花加工变质层的厚度和残余应力都随 放电能量的增加而增大。
在能量相同的情况下，放电时间短，残余 应力在狭小范围内密集分布，应力峰值大； 放电时间长，残余应力分布在较大范围内， 应力峰值小。
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电火花加工的影响
残余应力还受模具材料的影响 ➢ 硬质合金和高碳钢，由于塑性差，易产生应力集
氧化使表面形成氧化皮，影响冷却的均匀 性。
氧化和腐蚀使模具表面的粗糙度变差和精 度下降。
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2.氧化和脱碳
引起模具失效的热处理缺陷
脱碳则造成淬火后硬度不足或出现软点、 软块，并降低模具的耐磨性、抗咬合能力、 疲劳强度和热疲劳抗力。
采用盐浴炉加热和箱式保护加热可以有效 防止氧化脱碳的产生。
产生的磨削热越多，越容易引起磨裂。 ➢ 砂轮硬度和磨粒粒度选择不当、冷却不均
匀、不充分，对裂纹的形成也有促进作用。
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磨削工艺参数对磨 损烧伤起着决定性 作用。图示是砂轮 圆周速度、切削深 度与磨削烧伤的关 系图，图中黑点区 为非磨损烧伤的安 全区。
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引起磨削缺陷的主要原因
1）淬火前原材料内部存在组织有缺陷等质量问题， 如碳素工具钢中出现石墨碳。
2）热处理工艺不当 在热处理中采取一定的措施，可以防止出现硬度
不足的现象。 ➢ 例如：碳素工具钢不宜多次退火，以防石墨化；
➢ 采用仪表测量严格准确的控制加热温度、保温时 间和回火温度，以满足硬度合格为依据；
➢ 使淬火冷却速度大于钢的临界冷却速度；做好盐 浴的脱氧捞渣和箱式炉等加热工件的保护。
火不足或在回火脆性区回火； ➢ 表面增碳、脱碳； ➢ 化学热处理不当，多次渗金属或渗金属时温度过高。
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（2）防止裂纹的措施
引起模具失效的热处理缺陷
1）严格控制原材料的内部质量，防止由于材料缺 陷而导致模具在热处理过程中出现的裂纹。
2）淬火前采用一定的工艺措施。 3）选择合理的淬火工艺。 4）凡已淬好的模具需立即回火。合金钢模具应采
的质量，也会显著影响模具的耐磨性、断 裂抗力、疲劳强度及热疲劳抗力等。
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模具零件的加工的影响
1.切削加工的影响
1）切削加工必须把锻造和退火后模具锻坯存在的 脱碳层全部去除。
2）切削加工要注意尺寸准确，保证尺寸过渡处的 圆角半径和圆弧连接。
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3）保证表面粗 糙度要求，不 留刀痕，尤其 是不能留下超 出下道工序加 工余量的残迹。
疲劳强度和断裂抗力。
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磨削加工的影响
❖磨削烧伤层对疲劳寿命的影响
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磨削加工的影响
引起磨削缺陷的主要原因
➢ 磨削量太大； ➢ 砂轮太钝； ➢ 砂轮磨粒粗细与工件材料组织不匹配； ➢ 冷却不利。
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磨削加工的影响
磨削裂纹的形成主要与磨削工艺有关 ➢ 经验表明，磨削量越大、磨削速度越高，
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❖合理的锻造比
模块的锻造比的影响
拔长锻造比：2~4（F0/F） 镦粗锻造比：<3 （H0/H） ➢ 采用镦—拔结合可提高锻造比。
锻造操作方法对坯料产生应力和裂 纹也有影响。
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模具制造
二、模具零件的加工的影响 模具零件加工一般要经过切削加工、磨削
加工和电火花加工。 加工中造成的质量问题，尤其是加工表面
常见的裂纹： ➢ 纵向裂纹、横向裂纹、表面裂纹 。
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引起模具失效的热处理缺陷
（1）产生裂纹的主要原因
➢ 原材料内有显微裂纹； ➢ 未经预热而使用过急的加热速度； ➢ 冷却介质选择不当，冷却速度过于剧烈； ➢ 在Ms点以下，冷却速度过大； ➢ 多次淬火中间未经充分退火，淬火后未及时回火，回
但是，由于电火花加工表面存在着残余拉 应力，并可能存在着显微裂纹，
所以电火花加工表面的疲劳强度低于机械 加工表面的疲劳强度。
若使残余拉应力转变为压应力，则可提高 模具的耐疲劳性。生产中可采用回火处理、 喷丸处理等工艺。
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电火花加工的影响
❖防止或减小缺陷的措施
模具在进行电火花加工时应注意 ➢ 1）调整电规准，控制熔化层的厚度在
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切削加工的影响
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模具制造
2.磨削加工的影响
模具工作零件通常要求较高的表面硬度和较 高的制造精度及表面质量。
因此最终热处理后的精加工通常采用磨削。 在磨削过程中，由于局部摩擦生热，容易引
起磨削烧伤和磨削裂纹等缺陷，并在磨削表 面生成残余拉应力，造成对零件力学性能的 影响，甚至成为导致零件失效的原因。
这类缺陷一般都能采取相应的技术措施处理解决。
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➢ 另一类缺陷是引起模具的热处理变形，这 类缺陷影响模具的尺寸精度和位置形状精 度。
要耗费大量工时对变形模具进行校正和修 磨后才能正常使用，当变形程度超过模具 零件尺寸或形状变化的要求而导致无法校 正时，就造成模具的早期失效。
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用两次以上的回火。
5）凡需返修或重新淬火的模具，必须进行充分的 中间退火。
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引起模具失效的热处理缺陷
4.硬度不足和软点
模具钢经过热处理出现硬度不足或软 点的缺陷，使材料的性能变化，承载 能力下降，尤其是耐磨性受到影响。
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引起模具失效的热处理缺陷
（1）产生硬度不足的原因
电火花加工变质层大致分为熔化凝固层和热影 响层。
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❖电火花加工的缺陷
电火花加工的影响
熔化凝固层在模具材料的最表层。表层金 属被快速熔化又快速凝固，形成硬度很高 的白亮层。称为电火花烧伤层。
➢ 电火花烧伤层中存在较大的拉应力，当其 厚度较大时会出现显微裂纹。
➢ 从而降低模具的韧性和断裂抗力。
因此，钢模块毛坯加热时开裂的危险性 不大。
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模块的锻造
2．模块毛坯的冷却
模块毛坯锻后冷却时，发 生的问题：
➢ 温度应力； ➢ 组织应力； ➢ 锻后的残余应力； ➢ 空气中的淬火能力。 在锻后冷却过程中，有产生淬火裂纹的倾向， 锻后应进行缓慢冷却 。
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3.模块的锻造比
10μm以下。 ➢ 2）加工后应补充回火，以消除应力，
降低脆性。
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三、模具热处理缺陷
模具制造
热处理工艺对模具性能具有十分重要的影响。 如果热处理操作不当，将严重危害模具的承载能
力，引起早期失效，降低使用寿命。 热处理缺陷可以分为两类， ➢ 一类表现为对模具表面或内部组织和性能的影响，
模具制造
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电火花加工的影响
电火花加工是现代模具不可缺少的精加工手段。 其加工原理是在工作液中利用工具电极与工件电
极之间脉冲性火 花放电时的电腐 蚀现象来蚀除多 余的金属，以达 到零件要求的尺 寸、形状及表面 质量。
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电火花加工的影响
电火花加工过程中， 由于受瞬时高温作用 和工作液快速冷却作 用，使材料已加工表 面发生化学成分和组 织结构的变化，形成 加工变质层。
模具寿命与失效
授课人：曾珊琪
2008-2009（第1学期)
模块的锻造
1.模块的加热
温度应力——模块毛坯在加热过程中，由于 热量是从外表面向里面传递，温度是外高、 内低，存在温度差而造成。
组织应力——温度的升高，模块毛坯会发生 组织转变，由于不同组织的比容不同以及钢 料毛坯的表层与心部不同时发生相变而造成。
❖磨削加工中防止缺陷的措施
➢ 1）在磨削加工时，控制切削厚度和磨削用 量；
➢ 2）注意砂轮质量； ➢ 3）采用适当的切削液及其足够的用量。力。
在磨削加工时，合理选择磨削用量和砂轮， 正确使用切削液和控制冷却效果，可防止或 减小磨削缺陷的产生。
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（三）电火花加工的影响 模具常用电火花加工方法 ➢ 电火花穿孔加工 ➢ 电火花型腔加工 ➢ 电火花线切割加工
中，加工变质层中残余应力大而且分布广； ➢ 低碳钢，由于塑性好，加工过程中的应力易通过
材料变形释放或降低，加工变质层中的残余应力 为高碳钢的1/2，而且分布区域也为高碳钢的1/2。 因此，电加工时，为减小变质层的厚度和残余应 力，应选择较小的电参数。
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电火花加工的影响
由于白亮层的硬度高，因此电火花加工表 面比一般的淬火回火表面耐磨性高。
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引起模具失效的热处理缺陷
（2）产生软点的主要原因
软点是材料表面硬度不均匀的表现，其 产生原因有：
1）模具钢中存在化学成分偏析、组织不 均匀的缺陷，造成热处理后硬度不均匀。
2）热处理工艺不当。