模具寿命与材料第01章 绪论、第一章ppt课件.ppt

模具寿命与材料 1 教材与学时安排 教材 模具寿命与材料主编 程培源机械工业出版社理论授课学时 32学时考试课程 平时成绩30 考试成绩70 考试形式 开卷考试本课程推荐主要参考书 1 模具寿命与失效 曾珊琪 丁毅主编 化学工业出版社 2005年 2 模具材料与使用寿命 王家瑛主编 机械工业出版社 2000年 3 模具材料及表面处理 张清辉主编 电子工业出版社 2002年 绪论 一 模具在现代工业生产中的作用模具 是材料的加工和成形工艺装备 目的是使材料通过塑性变形或成型工艺变成产品或半成品 它在现代工业生产中具有重要的作用 1 模具是产品成形的重要工艺装备 如 金属材料主要成形方法 a 塑性变形成形 例 自由锻件 模锻件 轧制件 拉拔件 冲压件都是使金属材料在模具内发生塑性变形而获得的 b 铸造成形 例 砂型铸造 金属型铸造 压力铸造也是在模具中充填加压成形的 c 粉末冶金成型 非金属材料主要成型方法 陶瓷 模具制坯成形 烧结 高分子材料 注射成型 挤压成型等 2 模具成型的零件具有高精度 高复杂性 高生产率和低消耗特性 是其它加工制造方法无法比拟的 因此应用面很广 利用模具制造各种零 部件 在飞机 汽车 电器仪表领域占60 70 家电产品中占80 以上 手表 自行车等轻工产品占85 以上 3 模具是 效益 放大器 用模具生产的产品价值是模具自身价值的数倍以上 4 模具成型制件可实现少 无切削加工少 无切削加工是制造业发展的一个方向 而模具成型是实现该方向的工艺途径 利用此方法有可能直接加工成为成品 5 模具生产技术水平是衡量一个国家产品制造水平的重要标志 模具在很大程度上决定产品的质量 效益和新产品的开发能力 现状 1 市场的激烈竞争 加速了模具的更新换代 促进了模具工业的迅速发展2 工业发展对模具的要求越来越高如 模具性能要求更高 精度要求更严 种类更多 形状更复杂 工作条件更苛刻 寿命更长等 3 逐渐实现标准化 专业化和商品化如模具工业大量采用先进的技术和设备 模具制造中新材料 新的热处理工艺不断出现 采用计算机辅助设计与制造模具 这些都使模具制造形成了专门的工业体系 取得了显著的经济效益 2 我国模具工业的差距1 模具生产专业化 标准化程度低 模具品种少 效益低 缺少大型 精密 高效 长寿命模具 二 模具工业的现状和发展趋势 2 模具制造精度低 周期长 3 新材料 新工艺利用率低 技术力量落后 管理水平差1 发展精密 高效 长寿命模具 提高模具成型制件的精度 提高成型机床一次行程的生产数量 发展多工位 多型腔模具 提高模具的使用寿命 2 发展高效 精密 数控自动化加工设备 提高模具制造水平模具检测 加工设备向精密 高效和多功能化方向发展a 模具检测设备日益精密 高效 精度可达2 3 mb 数控技术 电火花加工设备普遍应用 c 高速铣削机床 HSM 应用 3 高速 经济制模技术发展迅速a 快速原型制造技术 RPM 包括激光光刻技术 SLA 叠层轮廓制造技术 LOM 激光粉末选区烧结成形技术 SLS 熔融沉积成形技术 FDM 等 3 模具工业发展趋势 b 表面成形制模技术 如喷涂 电铸 化学腐蚀等技术形成模具内腔表面 c 浇铸制模成形技术 Zn基合金 树脂复合成形等 d 冷挤压 超塑性成形制模技术 e 模具毛坯快速制造技术 4 模具材料及表面处理技术发展迅速模具工业要上水平 材料应用是关键 统计数据表明 目前因模具选材和处理不当造成的模具早期失效占约45 左右 新材料如H13 P20模具钢大量应用 多元 复合共渗技术 激光表面处理等新工艺不断应用 5 模具工业新工艺 新理念 新模式等逐步得到认可 例冲压模具功能复合化 超塑性成形 虚拟制造 网络制造等 第二节模具成形工艺及分类 普通模锻 挤压 拉拔 模具成形工艺及分类 一 普通模锻是将金属加热或不加热 在冲击力或压力作用下 使金属的几何形状发生变化 得到一定要求的锻件 它包括镦锻和热锻镦锻 是使材料局部锻粗成一定的形状的加工工艺 可分为冷镦 温镦和热镦 热锻 是利用锻锤或螺旋压力机或热模锻压力机使金属变形的加工方法 可分为模锻和胎模锻 二 挤压是将金属材料放在挤压模型腔内 一端施加强大压力 材料处于三向受力状态下变形 而从一端的模孔中流出 获得不同形状的型材与管材或零件 按凸模与材料相对运动方向分类 可分正挤压 反挤压 复合挤压 径向挤压和静液挤压 优点 挤压零件的形状可以很复杂 精度好 而且表面粗糙度值低 力学性能好 三 拉拔拉丝 材料在拉力作用下通过小于坯料断面的模孔 产生使断面积减少 长度增加的变形 从而获得不同规格的线材或其他型材 拔管 管坯材料受拉通过模孔和芯棒之间的环形缝隙变形 使管的直径减少 管壁变薄的加工工艺 四 冲压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 冲压主要可分为分离 成形两类基本工艺方法 1 分离使坯料的一部分与另一部分相互分离的工艺 可分冲孔 落料 切边 修整等方法 2 成形使坯料发生塑性变形而不分离的工艺 包括拉深 弯曲 胀形 翻变和校平等 二 模具的分类 模具的分类1 按模具所加工材料的再结晶温度分 分类 原则 冷变形模具 冷冲压 冷挤 冷镦 冷拔模 热变形模具 热锻 热镦 热挤 热冲模 温变形模具 变形在冷 热变形之间 即既比冷变形温度为高 降低了塑性变形抗力 减少了模具的承载 模具的分类2 按模具加工批坯料的工作温度分 分类 原则 热作模具 高温下进行加工 冷作模具 常温下进行加工 温变形模具 介于以上二者之间 模具的分类3 按模具成形的材料分 分类 原则 金属成形用模具 非金属成形用模具 三 课程的性质与任务 模具材料与寿命是机械制造及自动化专业模具设计与制造等方向的专业课 在专业教学计划中起承前启后的作用 课程的任务是使学生了解模具失效形式与分析方法 了解模具寿命与影响因素 掌握常用模具材料的性能特点 热处理工艺及选用原则 能正确利用这些原理和规律指导模具选材和制定热处理工艺 为模具设计 加工 使用及维护等奠定必备的基本理论知识 四 课程的目的与基本要求 熟悉模具寿命 失效的概念 模具寿命的影响因素 掌握常用模具材料的性能特点 热处理工艺与选用原则 具有正确选择模具材料和制定模具热处理工艺的能力 具有将所学知识用于模具设计 加工 使用 维护和管理的能力 第二章模具寿命及其对工业生产的影响 一 模具寿命与失效的基本概念 1 模具服役 模具安装 调试后 正常生产合格产品的过程 2 模具损伤 模具使用过程中 虽出现尺寸变化 微裂纹等缺陷 但没有丧失服役能力的状态 称有病状态 要及时维修 3 模具失效 模具损坏到不可修复 且不能生产出合格产品的状态 广义上讲 模具失效是指一套模具完全不能再用 可分为两种情况 1 早期失效 模具未达到预期寿命即失效报废 属非正常失效 常见的失效形式有塑性变形 断裂 局部严重磨损 2 正常失效 模具达到预期寿命而失效报废 属正常失效 常见的失效形式有缓慢塑性变形 疲劳断裂 工作面均匀磨损等 4 模具寿命 模具正常失效前 生产合格产品的总数目 用S来表示 模具首次修复前生产出的合格产品的数目 称首次寿命S1 模具一次修复后到下一次修复前所生产出的合格产品的数目 称修模寿命S2 模具寿命是首次寿命与各次修模寿命的总合 数学表达 S Si其中Si表示模具从第i 1次到i次修复时生产合格产品的数目 第二节模具寿命与生产率 一 模具的设计时间 T1 从模具设计到模具所有工艺文件 图样完成所用的时间 二 模具的制造时间 T2 模具从制造开始到初次使用时所用的时间 三 模具的安装 调试时间 T3 模具制造出来后 装在相应生产设备上 调试生产第一件合格产品所用的时间 四 模具的修复及维护时间 T4 模具服役一段时间后 暂时性地失去功能或为了维护所用的时间 它包含拆卸 重新装在设备上所用的时间二 模具寿命与生产率的关系 生产率Q 件 h n T1 T2 T3 T4 n 60N 其中 n 产品批量 件 T1 模具的设计时间 指从模具设计到模具所有工艺文件图样完成所用的时间 T2 模具的制造时间 指从模具制造到初次使用所用的时间T3 模具的安装 调试时间 T4 模具经历数次维修所用时间总和 N 设备的工作节奏 次 min 注 1 n S时 需消耗多套模具 2 减少模具的装配 修模次数及时间 提高模具的首次寿命和维修后寿命 可显著提高模具生产率 3 设备工作节奏N越快 模具寿命对生产率的影响越显著 三 模具寿命与产品成本 模具的成本 与模具寿命无关的项目 如原材料费 工资 设备拆卸费 与模具寿命有关的项目 如模具费 模具的成本可简写为 V A M B SA 与模具寿命无关的单件产品成本之和 含管理费 材料费等 B 与模具寿命有关的其它项目成本之和 不包括模具费 M 模具费 MC 模具材料费 MZ 模具制造费 MX 模具修理费 注 1 模具寿命增加 产品成本降低 2 要考虑产品批量和模具寿命之间的关系 三 模具寿命与产品成本 产品成本随着模具寿命的增加而下降 我国模锻 冲压件产品模具费占产品成本的10 30 小批量冲压件模具费占产品成本的30 50 因此 有效地提高模具的寿命 就可降低产品成本 三 模具寿命与产品成本 同一批量产品 当采用不同的模具材料 不同的制模工艺时 其模具费用不同 也会影响产品成本 因此 降低产品成本 除了提高模具寿命外 还要考虑产品批量与模具寿命的匹配关系 应使模具寿命稍大于产品批量 第三章模具失效形式及机理模具失效形式 磨损 断裂 塑性变形 一 磨损失效 磨损 由于表面的相对运动 从接触表面逐渐逐渐失去物质的现象 磨损失效 当这磨损使模具的尺寸发生变化或改变模具的表面状态使之不能继续服役时 磨损分类 磨粒磨损 粘着磨损 疲劳磨损 气蚀和冲蚀磨损 腐蚀磨损 根据模具成形坯料不同 使用状况不同 二 磨粒磨损 1 概念 工件和模具表面存在外来硬质颗粒 刮擦模具表面引起模具表面材料脱落的现象 2 磨粒磨损机理垂直分力使磨粒压入金属表面 平行分力使磨粒与金属表面产生相对切向运动 磨粒压入金属表面是磨粒磨损的第一阶段 而压入金属表面的磨粒与金属表面的相对切向运动是磨损的第二阶段 在用模具成形工件时 一般情况模具比工件硬度高 磨粒首先被压入软工件内 在模具与工件相对运动时刮檫模具 从模具表面切下细少的碎片 3 影响磨粒磨损的因素a 磨粒尺寸和形状 尺寸越大 磨损越严重 达一定尺寸后趋于稳定 磨粒形状尖锐 磨损严重b 磨粒硬度Hm和模具材料表面硬度Ho磨粒硬度Hm和模具材料表面硬度Ho之间的相对值对磨损影响很大 当Hm Ho时 如图中 区 模具产生轻微磨损 此时磨损率小 曲线上升平缓 当Hm Ho时 如图中 区 为磨损软化状态 此时磨损率急剧增加 曲线上升很陡 当Hm Ho时 如图中 区 为严重磨损状态 此时磨损量较大 曲线趋平 由此可见 要减少磨粒磨损 模具材料硬度Ho应比磨粒硬度Hm高 轻微磨损区 Hm Ho c 模具与工件表面压力 压力 磨损严重d 磨粒尺寸与工件厚度的相对值 工件厚度越大 磨粒越易嵌入工件 且越深 磨损越小 4 提高抗磨粒磨损的措施a 提高模具材料硬度一般情况下 模具材料硬度越高 抗磨粒压入的能力越强 耐磨损性越好 b 模具表面进行耐磨处理模具使用工况恶劣 承受一定的冲击载荷 模具的整体必须具有一定的韧性 因此 对模具表面进行耐磨处理 是在保证一定的条件下 提高模具耐磨性的有效途径 如渗碳 氮化等 c 采取防护措施 及时清理模具表面与毛坯上存在的磨粒 防止磨粒的侵入 也是提高耐磨性的有效方法 4 粘着磨损 1 概念 工件和模具表面相对运动时 由于表面凹凸不平 粘着的结点发生剪切断裂 使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象 2 粘着磨损机理1 微凸体开始接触 在接触峰顶产生弹 塑性变形2 微凸体接触点产生粘着 并形成粘结点 3 粘结点附近产生裂纹4 粘结点在裂纹处被剪切 使微凸体分离5 微凸体附近弹性恢复 一个粘着磨损过程完结 粘着磨损分类按照磨损严重程度 粘着磨损可分为轻微粘着磨损和严重粘着磨损 3 影响粘着磨损的因素a 表面压力 一般压力 磨损越严重b 材料性质 材料塑性越好 粘着磨损越严重 相同金属或互溶性大的材料之间 容易产生粘着磨损 多相金属抗粘着磨损能力强c 材料硬度 硬度相差大 剪切发生在软金属次表层 磨损轻 硬度相近时 剪切同时发生在较深部位 磨损严重 4 提高抗粘着磨损的措施a 合理选择材料 选与工件互溶性小的材料 可减少亲和力 降低粘结的可能性 b 合理选择润滑剂和添加剂 形成润滑油膜防止金属表面直接接触c 模具表面改性 改变互溶性和材料组织 结构 5 其它磨损 疲劳磨损 气蚀和冲蚀磨损 腐蚀磨损等 自学 注 一般磨损失效较复杂 往往不是单一形式 而是多种形式并存 第二节断裂失效 模具出现大裂纹或分离为两部分和数部分 丧失服役能力时 称为断裂失效 断裂对模具来说是最严重的失效形式 它是各种因素产生的裂纹扩展的归宿 根据不同的出发点 断裂可有几种分类方法 其中按断裂性质 断裂可分为塑性断裂和脆性断裂 1 塑性断裂 断裂前有明显塑性变形发生 原因是模具材料选择不当 强度低 2 脆性断裂 断裂时不发生或发生很小的宏观塑性 2 5 即没有明显塑性变形发生 由于模具材料多为中 高强度钢 断裂的性质多为脆性断裂 脆性断裂包括一次性断裂和疲劳断裂 一次性断裂 是指在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下 裂纹产生并迅速扩展所造成的断裂 其断口为结晶状 一次性断裂考虑的性能指标 冲击韧性 K 或AK 承受冲击载荷的能力 由于模具在承受冲击载荷时 瞬间冲击所引起的应力和变形要比静载荷引起的大的多 疲劳断裂 是指在较低的应力下 经多次使用 裂纹缓慢扩展后产生的断裂 疲劳断裂是损伤的积累过程 包括疲劳裂纹的产生 扩展 瞬间断裂三各阶段 应力大小和循环次数有关 疲劳断口 通过改善材料形状结构 减少表面缺陷 提高表面光洁度 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力 断裂韧性KIC 综合考虑材料强度和塑性的影响 50年代以后发展起来的新型学科 它表示裂纹突然失稳而快速扩展 发生瞬间脆断 它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力 其大小可以通过实验测定 它是材料本身的特性 与材料成分 热处理及加工工艺等有关 断裂韧性判据 KIC C ac 1 2 1 式中 C为材料的断裂应力 ac为材料中临界裂纹长度应用 可估计模具承载能力 由于KIC是一个常数 一旦模具材料选定 工作应力与裂纹长度的关系也就确定了 测ac 探伤等 根据 1 式和材料KIC可估算模具承载能力 C 或者还可以根据工作应力来确定所允许存在的最大裂纹 3 疲劳断裂 有三个阶段组成1 裂纹萌生阶段 一般在应力最大 应力集中处等 强度最弱 缺陷 晶界 夹杂等 处产生 裂纹萌生的方式为 表面不均匀变形萌生裂纹 沿晶界萌生裂纹 沿夹杂和第二相微裂纹2 疲劳裂纹稳定扩展阶段 疲劳裂纹扩展速率da dN C K m 2 式中C m是材料常数 由实验确定 N为应力循环次数 应用 估计模具剩余寿命测模具中已存在裂纹长度a0 根据 1 式求出模具允许的临界裂纹长度ac 由 2 式估计模具的剩余寿命N剩余Ny ac a0 da dN 3 裂纹失稳扩展阶段 断裂 影响断裂失效的主要因素模具的断裂是由裂纹萌生及裂纹扩展两个过程来实现的 因此能对这两个过程产生影响的因素 也就影响断裂失效的因素 一 模具表面形状由于成型件结构与工艺的需要 模具零件存在截面突变凹槽 圆角半径及尖角 在这些部位易产生应力集中 形成裂纹并导致断裂 因