冲压模具失效形式

1、冲压模具失效形式a ）局部塑变b ）摩擦磨损c ）疲劳损坏（初期磨损阶段）（正常磨损阶段）（急剧磨损阶段）图11.1.1 冲裁时刃口的损伤过程（1）初期磨损阶段模具刃口与板料相碰时接触面积很小，刃口的单位压力很大，造成了刃口端 面的塑性变形，一般称为塌陷磨损。其磨损速度较快（见图11.1.1a ）。（2）正常磨损阶段当初期磨损达到一定程度后，刃口部位的单位压力逐渐减轻，同时刃口表面 因应力集中产生应变硬化，（见图 11.1.1b）。这时，刃口和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要磨损形式。磨损进展较缓慢，进入长期稳定的正常磨损阶段， 该阶段时间越长，说明其耐磨性能越好。（3）急剧磨损阶段刃口经长期

2、工作以后，经受了频繁冲压会产生疲劳磨损，表面出现了损坏剥 落（见图11.1.1c）。此时进入了急剧磨损阶段，磨损加剧，刃口呈现疲劳破坏，模具已无法正常工作。模具使用时，必须控制在正常磨损阶段以内，出现急 剧磨损时，要立即 刃磨修复。随着刃口的磨损，工件的毛刺高度会不断增加，因此实际生产中，可以通过观测 毛刺高度的大小来推断模具刃口的磨损量， 在冲裁件达到质量允许的毛刺极限值 时即进行刃磨。从磨损机理上分析，凸、凹模的磨损主要是粘附磨损和磨粒磨损。粘附磨损 是在模具刃口在与板料的相对摩擦运动过程中，由于高压产生了局部的相互粘着和咬合现象当接触面相对滑动 时，粘附部分便发生剪切引起磨损。磨粒磨损是

3、 指模具工作时表面剥落的碎屑嵌入工作部件表面，成为磨料，使其逐渐磨损的过 程。冲裁硬度较高的金属材料（如高 碳钢、硅钢）时， 因材料的硬粒或碳化 物剥离而产生磨粒磨损。当冲压高韧性材料（如奥氏体不锈钢）时，易产生粘附 磨损。一般情况下，凸模的磨损要快于凹模，这是因为凸模刃口处的承力面积小于 凹模，在同一冲裁力的作用下，凸模刃口处单位面积承受的压应力要比凹模刃口 处更大一 些；同时，在每一次冲裁过程中，凸模都 要切入并退出板料，前后经历两次摩擦，而凹模和板料的分离部分仅发生一次摩擦。而且，凹模的淬火硬度通常高于凸模，这一切使得凸模的磨损要比凹模更快。此外，凸模退出板料时，需要有一定的卸料力将板料

4、从 凸模上 卸下，卸料 力与作用在凸模上的其它压应力不同， 是唯一的拉应力，使凸模在反复拉、压应 力的作用下产生疲劳磨损，这也是致使凸模崩刃的原因之一。对于厚板冲裁模，由于凸、凹模受到的作用力 增大，在过大应力的作用下, 不仅会产生磨损，而且可能造成刃口变形、疲劳崩刃等现象。当冲裁 凸模较 细 长时，还会引起弯曲变形或折断，如图 11.1.2所示。a）崩刃 b）弯曲 c）折断图11.1.2 凸 模断裂和塑性变形二.拉深模的工作条件及失效形式1. 拉深模的工作条件拉深模具主要用于金属板料的拉深成形，拉深过程 中模具的受力状态如图11-5所示。拉深时凸模下压板料毛坯，拉深力通过凸模底部和凸模圆角

5、部位传导给毛坯，板料毛坯的外缘部分通过凹模端面与压边圈之间被拉入凸模与 凹模之间的间隙。在 拉深力P动、压边力P压以及 毛坯与模具工作部 件相对运动产生的动摩擦力的作用下，凸 模圆角半径处受到压力 P1和摩擦力F 1 ;凹模圆角半径处受到压力 P 2及摩擦力F 2 ;凹模端面部位半受到 了压力P 3和摩擦力F 3 ;压边圈与板料相接触的部位受到了压力P 4和摩擦力F 4的作用。图11.1.3拉深时模具的受力在拉深开始阶段， 凸 模圆角半径处的板料被弯曲拉伸并作相对运动，摩擦 力F 1使凸模圆角半径受到磨损。随着拉深的进一步进行，已变形板料紧贴 凸模圆角半径部位并开始产生应变硬化， 相对运动大大

6、减弱，摩擦力变小。但是 在整个拉深过程中，凹模圆角半径处、凹模端面以及压边圈相应部位始终与板 料作相对运动，产生剧烈摩擦，压应力和摩擦力都很大，因此凹模与压边圈的磨 损现象始终存在。2. 拉深模的主要失效形式由于拉深模具的工作部件没有刃口，受力面积大，工作时无严重的冲击力， 因此，拉深模不易 出现塑性变形和断裂失效。但是工作时存在着很大的摩擦， 拉深模具的主要失效形式为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主，是拉深过程 中常出现的问题和模具失效的重要原因。粘附磨损的部位发生在凸 模、凹模的圆角半径处，以及凹模和压边圈的端面，其中以凹模和压边圈的端面粘附 磨损最严重。模具与工件表面产生粘附磨损后，

7、 脱落的材料碎屑会成为磨粒，从 而伴生出磨粒磨损。磨粒磨损将使模具表面更为粗糙，进而又加重粘附磨损。从显微观 察看，模具和坯料的表面都是凹凸不平的，由于模具表面的硬度高 于坯料，相互挤压摩擦时会将坯料表面刮下的碎粒压入模具表面的凹坑。在拉 深过程 中，坯料的塑性变形以及坯料和模具工作部件表面的摩擦，会产生出热 能。特别是在某些塑性变形严重和摩擦剧烈的局部区域，所产生的热能造成了高温，破坏了模具和坯料表面的氧化膜和润滑膜，使金属表面裸露，促使材料分 子之间相互吸引，并使模具表面凹坑里的坯料碎屑熔化，和模具表面焊合，形成 坚硬的小瘤，即粘结 瘤。这些坚硬的小瘤，会使 拉深件表面粗糙度 变差，严 重

8、时将在产品的表面刻划出刻痕，擦伤工件，并且加速模具的不均匀磨损，这 种失效形式又 称为粘模。此时，需对模具进行修磨，除去粘附的金属。拉深模的重要问题，就在于如何防止粘附的金属小瘤。在拉深工作中，出现拉深粘模的问题，与被拉深坯料的化学成分、所使用的 润滑剂及模具工作部件的表面状况等因素有关。镍基合金、奥氏体不锈钢、坡莫合金、精密合金等材料拉深时极易 发生粘模。为保证产品的质量， 拉深模 的工作部件表面不允许出现磨损痕迹，必须具有较低数值的表面粗糙度和较高的 耐磨性。三冷挤压模的工作条件及失效形式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

9、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300C左右（局部可达300C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。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、

10、 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。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1/31/2 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

11、，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）。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。由于模具材料的性能、模具的结构、制造工艺、压力加工设备的特性和加工 操作方法的不同，各种损伤形式的发展速度有很大的差异,多种损伤形式的相互 促进会加速模具

12、的失效。因此，同样的模具可能会导致完全不同的失效形式和服 役寿命。对模具进行失效分析，不仅要查明其失效形式、失效原因及影响因素，还应 当了解其它可能导致损伤的原因及影响因素， 掌握全面的情况。在克服某一种失 效形式时，还要防止其它损伤的发展，以确保和延长模具的服役期限。11.1.2影响冲压模具寿命的因素及提高冲模寿命的措施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（1） 模具材料性能的影响 各种模具材料的硬度、耐磨性

13、、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。2.模具结构的影响（1）模具几何形状的影响模

14、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。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

15、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。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

16、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。（2）加工工艺的影响 切削加工时没有彻底去除材料表面脱碳层， 将会降 低模具的表面硬度， 加剧了模具 磨裂及淬裂 的倾向。 切削的表面粗糙、 尺寸连 接处不光滑，或留有尖角和加工刀痕，将萌生疲劳裂纹，造成模具疲劳失效。磨 削加工时进给量过大、冷却不足则容易产生磨削裂 纹和磨削烧伤，减低模具的 疲劳疲劳强度和断裂抗力。 电火花

17、成形及线切割 加工，会使模具表面产生拉应 力和显微裂纹， 导致表面剥落和早期开裂。 若材料 淬火后的内应力很高， 电火 花加工时应力会重新分布，引起模具变形或开裂。（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

18、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。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。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

19、 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。（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

20、”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。（ 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剂，使用寿命可达 1 万件。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

21、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。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

22、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0.80.9%韧性较好，含碳量在0.951.05%为硬韧，含碳量在1.051.15%为硬性，大型模具含 碳量取下限， 小型模具取上限。（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

23、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。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。 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

24、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。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

25、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。提高模具制造加工质量要重视模具钢坯的锻造工艺，消除带状和网状碳化物分布，使流线和冲击力 方向垂直。锻造时为了充分打碎坯料中的碳化物， 使其呈弥散状均匀分布，应采 用高锻比变向镦拔的方法。在制造加工过程中，必须严格保证模具的尺寸形状精度，避免留下机加工刀 痕；过渡部分要平滑，不能有微小缺陷，防止使用过程中出现应力集中裂纹。电 加工及磨削加工后应进行回火，以消除加工应力。拉深模具的最后抛光工序操作方向应和坯料金属流动的方向一致，凹模型腔应纵向往

26、复而不是圆周运动抛光。抛光时应注意冷却，防止过热使模具硬度下 降。冷挤压 凸模加工 后形状要对称，工作部分必须同轴心，否则 凸 模单边受 力易折断。正挤压或反挤压凹模的表面粗糙度值越低越好，可以采用磨削后再研 磨抛光的方法，以减少磨损，提高模具的寿命。应根据冷镦模的工作条件和材料性质适当选择淬火硬度和硬化层深度，防 止早期失效。热处理中要注意充分回火，回火时间不足，应力未能全部消除，即 使硬度满足要求，仍会产生 崩块现象，回火时间一般在1.5小时以上。（2）正确选择模具材料当冲裁模的生产批量很大时，应选择强度高、韧性好、耐磨性好的高性能模 具材料。由于凸模的工作条件比凹模更差，凸模材料的耐磨性可以选得比凹模材料更咼。（3）采用模具强韧化处理和表面强化处理采用强韧化处理和表面强化处理技术，使模具获得优良的整体强韧性能和优异的表面硬度、耐磨性和抗粘附性能，是提高各类模具使用寿命的有效途径。（4）合理使用维护模具 冲裁模操作时应严格控制