冷 作 模 具 失 效 分 析 及 改 进 措 施
冷 作 模 具 失 效 分 析 及 改 进 措 施
1．长江大学职业技术学院 湖北荆州 434000 2．湖北省一轻工业学校 湖北荆州 434000 摘 要 ：冷作模具失效类型主要有过载失效 、磨损 失效 、疲劳失效。可采用高碳 合金钢材料经 高温淬火并回火等热处 理方式提 高使用寿命。 关键词 ：冷 作模具 失效类型 形态分析 改进措施 中图分类号 ：TG76 文献标识码 ：B 文章编号 ：1000—4998(2OLO)O5—0067—02 冷 作 模 具 主 要 包 括 冷 冲 压 、冷 挤 压 和 冷 镦 模 3种 。 这 类 模 具 尺 寸 精 度 、表 面 质 量 要 求 高 ，加 工 产 品 多 数 为 最 终 产 品 。为 了适 应 上 述 要 求 ，冷 作 模 具 钢 多 采 用 高 碳 合 金 钢 ，一 般 硬 度 在 60 HRC左 右 。典 型 冷 作 模 具 如 M16螺 母 六 方 冲 冷 镦 模 、活 塞 销 冷 挤 冲 头 和 复 式 电 机 硅 钢 片 如 图 1所 示 。 通 过 对 电 机 厂 和 冷 挤 压 厂 、标 准 件 厂 所 使 用 的 冷 冲 、冷 挤 压 、冷 镦 模 具 失 效 情 况 的 调 查 、分 析 和 归 纳 ，冷 作 模 具 失 效 主 要 有 过 载 失 效 、磨 损 失 效 和 多 冲 疲 劳 失 效 3大 类 ，如 表 1所 示 。 从 表 1统 计 结 果 看 ，冷 作 模 具 主 要 失 效 类 型 是 过 载 失 效 和 磨 损 失 效 ，约 占失 效 总 数 的 80％ ～90％ 。冷 镦 模 以 开 裂 脆 断 或 局 部 掉 块 为 主 ，冷 挤 压 模 以脆 断 或 磨 损 为 主 ，而 冷 冲 压 模 以 磨 损 失 效 为 主 。高 工 作 应 力 和 波 动 收稿 日期 ：2009年11月 表1 3种冷作模 具失效 类型统计结果 (％ ) 过载失效 磨损 失效 失效类型 疲劳失效 其它 断裂 变形 磨损 掉块 冷镦六方 冲头 45 5 35 lO 5 冷挤压冲头 50 5 30 1O <5 <5 复式冷冲模 15 ， 80 5 7 ， 应 力 的 冷 挤 压 和 冷 镦 模 具 脆 断 开 裂 失 效 比例 明 显 高 于 低工 作应 力冷 冲模 ，表 1中收集 的疲 劳断裂 失效 比例 较 少 。 1 失效 类型和形态分析 1．1 过 载 失 效 这 类 失 效 系 指 材 料 本 身 承 载 能 力 不 足 以 抵 抗 工 作 载 荷 (包 括 随 机 波 动 载 荷 )作 用 引 起 的 失 效 。如 材 料 韧 度 不 足 易 脆 断 、开 裂 失 效 ，如 强 度 不 足 易 变 形 、镦 粗 失 效 。特 别 是 脆 断 开 裂 失 效 是 最 主 要 的 失 效 方 式 。 1)材 料 韧 度 不 足 的 失 效 。这 是 失 稳 态 下 的 断 裂 失 效 。常 见 到 冲 头 模 具 的 折 断 、开 裂 ，甚 至 会 产 生 爆 裂 ，这 种 失 效 方 式 的 特 征 是 ，失 效 产 生 前 无 明显 塑 变 征 兆 ，断 裂 很 突 然 ，宏 观 断 口无 剪 切 层 ，且 比较 平 坦 ，造 成 模 具 不 可 修 复 的 永 久 失 效 。 产 生 这 种 失 效 与 模 具 承 受 过 高 工 作 应 力 和 材 料 韧 度 不 足 有 关 。通 过 对 冷 挤 压 模 具 的 实 际 承 载 能 力 分 析 计 算 可 知 ，冲 头 材 料 失 效 前 承 受 工 作 应 变 能 力 是 断 裂 消 功 能 进 行 整 合 ，充 分 利 用 社 会 资 源 。基 于 PDM 的 CAPP 系 统 有 利 于 提 高 工 艺 设 计 的 效 率 加 快 制 造 业 信 息 化 建 设 ，具 有 重 要 意 义 。 参 考 文 献 【1】 张胜文 ，赵 良才．计算机辅助工艺设计一cAPP系统设计 (第2版)【M】．北京 ：机械工业出版社 ，2005． 机械制造48卷 第s49~1 [2] 王晖．PDM技术 及其在制造企业 中的应用
耗 能 的 上 千 倍 ，说 明 了 工 作 冲头 材 料 高 潜 在 动 能 和 低 断 裂 抗 力 。一 旦 冲 头 失 稳 ，按 能 量 守 恒 原 理 (U总=U断+ U 动)，几 乎 全 部 转 变 成 扩 展 动 能 (U 动)，迅 速 爆 裂 ，其 断 裂 扩 展 的极 限 速 度 可 达 10 m／s。当 模 具 结 构 有 应 力 集 中 ，如 六 方 冷 镦 冲 头 尾 部 过 渡 区 r≤ 1 mm 时 ，应 力 中 集 中 系 数 =2；冷 挤 压 冲 头 台 阶 处 r：3 mm 时 ， K =1．3，甚 至 机 械 加 工 刀 痕 、磨 削 粗 痕 迹 等 均 可 成 为 薄 弱 环 节 ，产 生 失 稳 断 裂 。 高 碳 高 合 金 的 冷 作 模 具 钢 ，使 用 状 态 为 回 火 马 氏 体 和 二 次 析 出 相 ，含 有 较 多 一 次 剩 余 碳 化 物 ，材 料 硬 度 高 ，基 体 吸 收 能 量 、松 驰 应 力 一应 变 的 能 力 低 ，脆 性 一 次 碳 化 物 的 不 均 匀 性 又 严 重 降 低 材 料 韧 度 。因 此 ，这 类 失 效 断 口看 不 到 宏 观 变 形 。微 观 变 形 的 尺 寸 大 致 与 碳 化 物 间 距 相 当 。 2)强 度 不 足 失 效 。在 冷 镦 、冷 挤 冲 头 中 由于 模 具 材 料 抗 压 、弯 曲 抗 力 不 足 ，易 出 现 镦 头 、下 凹 、弯 曲变 形 类 失 效 。这 种 情 况 易 出现 在 新 开 发 产 品 中 ，产 生 的原 因 与 工 作 载 荷 大 ，模 具 硬 度 偏 低 有 关 。实 际 使 用 说 明 ，当 冷 镦 冲 头 硬 度 <56 HRC，冷 挤 冲 头 硬 度 <62 HRC 时 ，易 出 现 这 类 失 效 。这 种 失 效 表 明 材 料 强 度 不 足 ，塑 性 有 余 ，有 韧度潜 力可 以发 挥 。 1．2 磨 损 失 效 对 工 件 表 面 质 量 和 尺 寸 要 求 严 格 的 冷 冲 压 、冷 挤 压 模 具 ，在 保 证 模 具 材 料 具 有 足 够 承 载 能 力 不 致 断 裂 前 提 下 ，提 高 模 具 的 使 用 寿 命 就 取 决 于 磨 具 表 面 的 抗 磨 损 能 力 。 模 具 磨 损 是 工 作 部 件 与 被 加 工 材 料 之 间 相 对 运 动 产 生 的 损 耗 ，包 括 均 匀 磨 损 、不 均 匀 磨 损 和 局 部 脱 落 掉 块 等 。不 均 匀 磨 损 是 外 来 质 点 、碳 化 物 及 磨 损 中 形 成 的 硬 质 点 引 起 的 磨 粒 磨 损 ，而 局 部 脱 落 掉 块 是 一 种 磨 损 疲 劳 ，在 切 应 力 作 用 下 局 部 磨 损 疲 劳 而 萌 生 微 裂 纹 ，最 终 扩 展 至 脱 落 。 1．3 多 冲疲 劳 失 效 冷 作 模 具 承 受 的 载 荷 都 是 以 一 定 冲 击 速 度 、一 定 能 量 作 用 周 期 性 施 加 的 ，这 种 状 态 与 小 能 量 多 冲 疲 劳 实 验 相 似 ，以 一 定 能 量 周 期 性 加 载 (储 存 能 量 )和 卸 载 (释 放 能 量 )。 多 冲 疲 劳 失 效 的 模 具 与 结 构 钢 疲 劳 失 效 有 很 大 差 异 。这 是 因 为 脆 性 材 料 疲 劳 裂 纹 的 萌 生 期 占总 寿 命 的 绝 大 部 分 ，很 多 情 况 下 萌 生 与 扩 展 无 明 显 界 限 ，似 乎 不 存 在 稳 态 扩 展 阶 段 。多 冲 疲 劳 实 际 上 是 应 力 应 变 下 微 裂 纹 萌 生 过 程 ，当 产 生 约 0．1 mm 尺 寸 微 裂 纹 即 可 产 生 瞬 间 断 裂 。实 际 应 用 中 疲 劳 萌 生 源 有 多 处 ，其 断 口 形 态 与 脆 断 极 相 似 ，所 以 统 计 表 1中疲 劳 断 裂 事 例 较 少 。 2010／5 分 析 疲 劳 失 效 微 观 形 态 看 出 ，疲 劳 裂 纹 的 萌 生 多 在 材 料 表 面 的 薄 弱 环 节 ，如 晶 界 、碳 化 物 和 应 力 集 中 部 位 。试 验 表 明 ：冲 击 疲 劳 裂 纹 萌 生 约 0．1 mm 微 裂 纹 时 寿 命 占总 寿 命 的 90％ 以 上 ，从 断 口上 观 察 不 到 结 构 钢 中 的 稳 态 扩 展 区 和 疲 劳 条 带 ，裂 纹 一 旦 产 生 即 出 现 快 速 失 稳 扩 展 。试 验 还 表 明 经 过 喷 丸 强 化 处 理 的 高 速 钢 ，由 于 表 面 残 余 压 应 力 作 用 ，提 高 了多 冲 疲 劳 寿 命 ， 裂 纹 源 萌 生 位 置 转 移 到 次 表 面 约 0．2 mm 深 处 ，可 见 改 善 材 料 表 面 应 力 状 态 是 提 高 多 冲 疲 劳 抗 力 的 有 效 途 径 。 2 几种冷作模具的改进措 施 2．1 冷 镦 六 方 冲 模 具 深 冷 处 理 和 回 火 工 艺 螺 母 冷 镦 六 方 冲 模 具 用 钢 为 Crl2MoV，经 1 060℃ 淬 火 后 进 行 液 氮 深 冷 处 理 ，然 后 再 经 400~C中 温 回火 处 理 ，可 以 得 到 高 强 度 和 韧 度 的合 理 配 合 。生 产 使 用 结 果 表 明 ，经 此工 艺处 理 的 M16六 方 冲头 ，平 均使用 寿命达 7．5万 件 ，提 高 模 具 寿 命 9倍 以上 。 2．2 活 塞 销 冷挤 压 冲 头表 面 强 化 冷 作 模 具 的 磨 损 抗 力 随 材 料 硬 度 提 高 而 增 加 。而 同 时 硬 度 提 高 又 要 降 低 材 料 韧 度 ，单 纯 增 加 硬 度 会 出 现 未 磨 损 先 断 裂 的 过 早 失 效 。较 理 想 状 态 是 “里 韧 外 硬 ”，采 用 局 部 表 面 硬 化 等 工 艺 是 提 高 抗 磨 损 能 力 的 有 效 方 法 。采 用 表 面 激 光 相 变 淬 火 硬 化 处 理 冷 挤 压 冲 头 刃 带 ，提 高 硬 度 2～3 HRC，抗 磨 损 能 力 提 高 30％ ～ 40％ ，提 高 使 用 寿 命 1．5倍 。 2．3 电机 硅 钢 片 冷 冲 模 具 硅 钢 片 冲 模 主 要 是 磨 损 失 效 ，并 且 冲 载 过 程 中 刃 上 表 面 的 温 升 对 耐 磨 性 有 很 大 影 响 。若 此 类 模 具 最 终 采 用 中 温 或 高 温 回火 ，并 保 持 60 HRC 以 上 硬 度 ，是 提 高 其 耐 磨 性 的 有 效 途 径 。 3 试验 结果 采 用 高 温 淬 火 并 高 温 回 火 处 理 或 深 冷 处 理 两 种 工 艺 可 明 显 提 高 Crl2型 钢 制 作 的 硅 钢 片 冲 模 的 使 用 寿 命 。高 温 淬 火 并 高 温 回 火 工 艺 适 用 于 大 型 的 或 形 状 复 杂 的 模 具 ，具 有 减 小 模 具 内应 力 ，避 免 开 裂 的 特 点 。经 生 产 应 用 结 果 ，采 用 1 120~C淬 火 并 540~C 回火 两 次 处 理 的 用 Crl2MoV 钢 制 做 的 200 kW 的 发 电 机 扇 形 硅 钢 片 冲 模 使 用 寿 命 可 提 高 1～2倍 ，刃 磨 寿 命 达 2～3万 冲 次 。对 于 小 型 的 电机 硅 钢 片 冲模 ，可采 用 深冷 处理 ，如 电 风 扇 或 洗 衣 机 等 使 用 的 分 驱 电 机 硅 钢 片 冲 模 ，采 用 Crl2钢 制 作 ，利 用 液 氮 进 行 深 冷 处 理 (一196~C)后 ，刃 模 寿 命 可 达 13万 冲 次 。