1、5/19/202215/19/20222 模具模具寿命的高低寿命的高低是是衡量模具质量衡量模具质量的的重要重要指标之一指标之一。它影响产品质量、生产率和成本。它影响产品质量、生产率和成本。无论是模具的大型化、复杂化还是高精度、无论是模具的大型化、复杂化还是高精度、高效率，都依赖于模具寿命的提高。提高模高效率，都依赖于模具寿命的提高。提高模具寿命的宗旨就是延缓模具的失效。失效分具寿命的宗旨就是延缓模具的失效。失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到模具失效的原因和解决的科交叉分析，找到模具失效的原因和解决的措施，从而达到提高模具寿命的最终
2、目的。措施，从而达到提高模具寿命的最终目的。5/19/2022301 失效与失效学失效与失效学1什么是失效？什么是失效？ 将将“产品丧失其规定功能的现象产品丧失其规定功能的现象”称之为失效。称之为失效。2机械产品的失效大致可分为三种类型：机械产品的失效大致可分为三种类型： 完全丧失其规定的功能；完全丧失其规定的功能； 部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆满地完成规定的任务；满地完成规定的任务； 严重损伤，再不能安全地继续工作，此时应及时调严重损伤，再不能安全地继续工作，此时应及时调换或修补。换或修补。 机械产品的失效形式主要有过量的变形、断裂
3、和表面机械产品的失效形式主要有过量的变形、断裂和表面损伤等。损伤等。5/19/202243间接经济损失间接经济损失 由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失；由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失； 引起其他企业停产或减产的损失；引起其他企业停产或减产的损失； 影响企业的信誉和市场竞争能力所造成的损失。影响企业的信誉和市场竞争能力所造成的损失。4失效学失效学 失效学是研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效失效学是研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的一门学科。预防的理论、技术和方法及其工程应用的一门学科。 5/19/2022502 模具失效分析的意义模具失效分
4、析的意义1引起模具失效的因素引起模具失效的因素 材料方面的因素材料方面的因素内因：内因： 包括材料品质及加工工艺方面的各种因素；包括材料品质及加工工艺方面的各种因素； 环境方面的因素环境方面的因素外因：外因： 包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。2失效分析的意义失效分析的意义 通过对失效残骸的研究，可查明模具失效的机理和过程，通过对失效残骸的研究，可查明模具失效的机理和过程，并对失效的原因做出判断，从而可有针对性地采取改进和预并对失效的原因做出判断，从而可有针对性地采取改进和预防措施，避免同类失效的再发生，达到改进模具质量、延长防措施，避免同类失
5、效的再发生，达到改进模具质量、延长使用寿命、提高服役安全性和可靠性的目的。使用寿命、提高服役安全性和可靠性的目的。5/19/20226模 具 设 计改进措施设 计 失 误失效分析模 具 服 役 、 维 护 保 养装配、试模加 工 过 程材 料 选 择选 材 失 误材 料 缺 陷工 艺 缺 陷装 配 不 当受 力 过 大图0-1 失效分析与模具设计和制造之间的关系5/19/2022703 本课程的性质、任务、学习方法和最终目的本课程的性质、任务、学习方法和最终目的 模具失效与寿命模具失效与寿命是模具设计与制造专业的一门专是模具设计与制造专业的一门专业课称。本课程的任务是使学生了解模具寿命与失效的
6、关业课称。本课程的任务是使学生了解模具寿命与失效的关系及其与工业生产的关系；了解模具结构、模具工作条件、系及其与工业生产的关系；了解模具结构、模具工作条件、模具材料性能和模具制造等因素对模具寿命的影响；掌握模具材料性能和模具制造等因素对模具寿命的影响；掌握分析模具失效的方法，培养解决问题的能力，为合理的模分析模具失效的方法，培养解决问题的能力，为合理的模具设计与模具加工奠定必备的基本理论知识，从而即可以具设计与模具加工奠定必备的基本理论知识，从而即可以达到达到“防患于未然防患于未然”又可以做到又可以做到“亡羊补牢亡羊补牢”，最终达到最终达到提高模具寿命的目的。提高模具寿命的目的。5/19/20
7、228本课程学习的具体要求是：本课程学习的具体要求是： 熟悉模具失效与寿命中名词术语的概念和定义。熟悉模具失效与寿命中名词术语的概念和定义。 了解模具失效的形式，掌握对不同模具失效形式分了解模具失效的形式，掌握对不同模具失效形式分析与判断的方法和模具材料抗失效性能指标及应用。析与判断的方法和模具材料抗失效性能指标及应用。 认识提高模具寿命的重要性，掌握有关因素对模具认识提高模具寿命的重要性，掌握有关因素对模具寿命的影响和影响模具失效的基本因素，并能正确应用这些寿命的影响和影响模具失效的基本因素，并能正确应用这些规律指导模具的设计与制造。规律指导模具的设计与制造。 具有正确选择模具材料和模具热处
8、理工艺的能力和具有正确选择模具材料和模具热处理工艺的能力和将所学知识用于模具设计、模具加工、模具使用和管理的能将所学知识用于模具设计、模具加工、模具使用和管理的能力。力。5/19/20229本课程要求：本课程要求：1本课程为考查课。本课程为考查课。2考核方式为以平时每章的大作业（小论文）的考核方式为以平时每章的大作业（小论文）的累计得分并参照出勤和课堂综合表现作为该课程累计得分并参照出勤和课堂综合表现作为该课程成绩。成绩。3每次作业按规定时间发到：每次作业按规定时间发到：m2006_4答疑在系办公室随时进行。答疑在系办公室随时进行。5联系电话：联系电话：139020280665/19/2022
9、10第第1章章 模具失效的基础知识模具失效的基础知识 研究模具的失效问题就必须熟悉各种模具的工作条件研究模具的失效问题就必须熟悉各种模具的工作条件和失效形式，进而学习运用失效分析的基本知识来判断模和失效形式，进而学习运用失效分析的基本知识来判断模具失效的性质，分析失效的原因，最终从各个方面提出预具失效的性质，分析失效的原因，最终从各个方面提出预防失效或推迟失效的防护措施。防失效或推迟失效的防护措施。 在防止模具失效的各种因素中，模具材料抵抗失效的在防止模具失效的各种因素中，模具材料抵抗失效的性能指标是最直接、最重要的因素。根据模具的失效形式，性能指标是最直接、最重要的因素。根据模具的失效形式，
10、对模具材料提出合理的性能指标，是模具设计和选材的依对模具材料提出合理的性能指标，是模具设计和选材的依据，也为正确制定模具制造工艺指明了方向。据，也为正确制定模具制造工艺指明了方向。5/19/20221111 模具失效和失效分析模具失效和失效分析111 模具失效与模具损伤模具失效与模具损伤1 什么是模具失效？什么是模具失效？ 当模具零件在服役中产生了过量变形、断裂破坏、表当模具零件在服役中产生了过量变形、断裂破坏、表面损坏等现象后，将丧失其原有的功能，达不到预期的要面损坏等现象后，将丧失其原有的功能，达不到预期的要求，或变得不安全可靠，以致不能继续正常地服役，这些求，或变得不安全可靠，以致不能继
11、续正常地服役，这些现象统称为模具失效。广义上讲，模具失效是指一套模具现象统称为模具失效。广义上讲，模具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作零件不能再完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作零件不能再用。如热挤压冲头被镦粗变形，冷冲裁模刃口崩刃或过度用。如热挤压冲头被镦粗变形，冷冲裁模刃口崩刃或过度磨损，型腔损坏、变形等。磨损，型腔损坏、变形等。5/19/2022122模具失效的过程模具失效的过程 模具失效一般有一个发展过程，以断裂失效为例：模具失效一般有一个发展过程，以断裂失效为例：零件表面零件表面产生缺陷产生缺陷萌生微裂纹萌生微裂纹裂纹扩展裂纹扩展直至断裂直至断裂5/19
12、/2022133模具的损伤模具的损伤 模具在制造和使用中产生了某些缺陷，如表面轻度磨模具在制造和使用中产生了某些缺陷，如表面轻度磨损、微裂纹等，但还没有丧失规定的功能而仍可继续服役，损、微裂纹等，但还没有丧失规定的功能而仍可继续服役，那么，这些缺陷就称为模具的损伤。显然，损伤可成为破那么，这些缺陷就称为模具的损伤。显然，损伤可成为破断的裂源，断的裂源，损伤的积累也可导致损伤的积累也可导致失效失效。损伤损伤损伤损伤损伤损伤失效失效5/19/202214耗损失效早期失效图1-1寿命特性曲线随机失效使用时间失效几率 模具未达到一定工业技术水平公认的使模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役
13、时，称为模具的早期失效，用寿命就不能服役时，称为模具的早期失效，也叫做非正常失效。早期失效发生在模具的也叫做非正常失效。早期失效发生在模具的使用初期，主要是由于模具设计和制造上的使用初期，主要是由于模具设计和制造上的缺陷一经使用就显露出来，进而诱发失效。缺陷一经使用就显露出来，进而诱发失效。这一阶段的失效几率甚高，但随着使用时间这一阶段的失效几率甚高，但随着使用时间的延长而迅速减低的延长而迅速减低 模具经过使用初期的考验而未发生失效，就模具经过使用初期的考验而未发生失效，就进入了随机失效阶段。在理想的情况下，未达到进入了随机失效阶段。在理想的情况下，未达到正常寿命的模具不应该发生失效现象。但由
14、于环正常寿命的模具不应该发生失效现象。但由于环境的偶然变化，操作者的人为差错，或者因管理境的偶然变化，操作者的人为差错，或者因管理不善而造成的某些损伤，仍可能导致失效。这种不善而造成的某些损伤，仍可能导致失效。这种失效的发生几率很低，且随着使用时间的延长其失效的发生几率很低，且随着使用时间的延长其增长也很缓慢，呈随机分布增长也很缓慢，呈随机分布 5/19/202215112 模具失效的分类模具失效的分类按照研究失效的目的不同，常用的失效分类方法有两种；按照研究失效的目的不同，常用的失效分类方法有两种；1是按经济法观点分类，目的是明确失效造成损失的法律是按经济法观点分类，目的是明确失效造成损失的
15、法律责任和经济责任；责任和经济责任；2是按失效形式及失效机理分类，目的是找出失效原因，是按失效形式及失效机理分类，目的是找出失效原因，并提出防护措施，以防止或推迟同一形式的失效现象重复并提出防护措施，以防止或推迟同一形式的失效现象重复发生的。发生的。5/19/2022161121 按经济法观点对失效分类，可将失效分为四种按经济法观点对失效分类，可将失效分为四种情况情况1正常耗损失效正常耗损失效 模具的使用时间已到寿命终止期，属正模具的使用时间已到寿命终止期，属正常失效，应由产品使用者自己负责。但若产品制造者提供常失效，应由产品使用者自己负责。但若产品制造者提供的使用说明书没有对使用寿命等做出明
16、确规定，则制造者的使用说明书没有对使用寿命等做出明确规定，则制造者也要承担一定责任。也要承担一定责任。2产品缺陷失效产品缺陷失效 属于产品质量问题，应由产品制造者承属于产品质量问题，应由产品制造者承担责任。担责任。3误用失效误用失效 属于使用不当造成的失效，应由产品使用者属于使用不当造成的失效，应由产品使用者承担责任。但若产品制造者提供的使用说明书没有对有关承担责任。但若产品制造者提供的使用说明书没有对有关操作做出明确规定，则制造者也要承担责任。操作做出明确规定，则制造者也要承担责任。4受累性失效受累性失效 属于其他原因或自然灾害等不可抗拒的因属于其他原因或自然灾害等不可抗拒的因素所导致的失效
17、。素所导致的失效。5/19/2022171122 按失效形式及失效机理分类，大致可分为以下按失效形式及失效机理分类，大致可分为以下几类：几类： 过量弹性变形过量弹性变形 1过量变形过量变形 韧性断裂韧性断裂 脆性断裂脆性断裂 疲劳断裂疲劳断裂 2断断 裂裂 蠕变断裂蠕变断裂 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 磨损磨损 3表面损伤表面损伤 接触疲劳接触疲劳 腐蚀腐蚀5/19/202218113 模具失效分析模具失效分析 1什么是失效分析？什么是失效分析？ 判断失效性质，分析失效原因，研究预防失效的措判断失效性质，分析失效原因，研究预防失效的措施等一系列的技术活动，称为失效分析。施等一系列的技术活动，称为
18、失效分析。2失效分析的目的？失效分析的目的？ 主要目的是避免或减少同类失效现象的重复发生，延主要目的是避免或减少同类失效现象的重复发生，延长模具的使用寿命，提高经济效益和社会效益。长模具的使用寿命，提高经济效益和社会效益。5/19/2022191131 失效分析的任务失效分析的任务 失效分析的任务：失效分析的任务： 判断失效性质判断失效性质 分析失效原因分析失效原因 提出防护措施提出防护措施失效的形貌特征失效的形貌特征 失效件的应力状态失效件的应力状态 失效材料的实际强度失效材料的实际强度 失效的环境因素等失效的环境因素等 5/19/202220 模具失效原因的分析和防护措施的提出，可以从以下
19、模具失效原因的分析和防护措施的提出，可以从以下几个方面入手：几个方面入手：1合理选材合理选材 根据模具的工作条件和失效形式，提根据模具的工作条件和失效形式，提出相应的评价材料性能的指标，并由此选出相应的评价材料性能的指标，并由此选用合适的模具材料及热处理工艺，以满足用合适的模具材料及热处理工艺，以满足使用要求。使用要求。 2合理的结构设计合理的结构设计 模具结构的设计，应尽量使各模具结构的设计，应尽量使各部分均匀受载，使应力流线均匀分部分均匀受载，使应力流线均匀分布并平滑过渡，减小应力集中，强布并平滑过渡，减小应力集中，强化薄弱环节。化薄弱环节。 3合理加工与装配合理加工与装配 模具的加工与装
20、配应选择合理模具的加工与装配应选择合理的工艺方案，正确按照技术要求和的工艺方案，正确按照技术要求和工艺规程实施，注意加工表面质量，工艺规程实施，注意加工表面质量，减少可能造成的应力集中。减少可能造成的应力集中。 4合理使用与保养合理使用与保养 按照操作规程对模具正确安按照操作规程对模具正确安装、合理使用并加强维护保养，装、合理使用并加强维护保养，减少环境损伤失效和随机失效。减少环境损伤失效和随机失效。 5严格质量控制严格质量控制 控制模具材料的冶金质量及锻造、冷控制模具材料的冶金质量及锻造、冷加工和热处理质量，防止或减少制造中加工和热处理质量，防止或减少制造中的内外缺陷，从而防止或减少早期失效
21、。的内外缺陷，从而防止或减少早期失效。 6表面强化表面强化 在对模具整体进行强韧化的同时，在对模具整体进行强韧化的同时，采取各种方法对模具工作表面进行强化采取各种方法对模具工作表面进行强化和改性，是很有效的防护措施，能明显和改性，是很有效的防护措施，能明显提高模具的服役寿命。提高模具的服役寿命。 5/19/2022211132 失效分析的方法和步骤失效分析的方法和步骤 模具失效的形式不同，失效分析的方法和步骤也不尽模具失效的形式不同，失效分析的方法和步骤也不尽相同。现以较典型的失效形式相同。现以较典型的失效形式断裂为例简要说明。断裂为例简要说明。1现场调查和模具断裂件的处理现场调查和模具断裂件
22、的处理 主要包括保护事故现场、察看断裂的形式和部位、主要包括保护事故现场、察看断裂的形式和部位、询问操作情况和失效过程等工作。在调查过程中，应注询问操作情况和失效过程等工作。在调查过程中，应注意收集齐全所有的断裂碎块，以便确定主断口和进行断意收集齐全所有的断裂碎块，以便确定主断口和进行断口分析。口分析。 在收集断裂碎块时，应注意保护断口的洁净和新鲜。在收集断裂碎块时，应注意保护断口的洁净和新鲜。对于洁净的断口，应立即放入干燥器内进行保护；对有对于洁净的断口，应立即放入干燥器内进行保护；对有油泥污染的断口，应依次用汽油、丙酮（或三氯甲烷、油泥污染的断口，应依次用汽油、丙酮（或三氯甲烷、苯等）、无
23、水乙醇清洗断口，并用热风吹干后放入干燥苯等）、无水乙醇清洗断口，并用热风吹干后放入干燥器内；对于附有腐蚀产物的断口，可暂不清除腐蚀产物器内；对于附有腐蚀产物的断口，可暂不清除腐蚀产物而直接放入干燥器内。而直接放入干燥器内。2模具制造工艺和服役历史的调查及质量检验模具制造工艺和服役历史的调查及质量检验 对模具制造工艺历史的调查，主要通过翻阅有关技对模具制造工艺历史的调查，主要通过翻阅有关技术资料、检测报告，取样检查同批原材料，询问制造者术资料、检测报告，取样检查同批原材料，询问制造者等方式进行，要核实制造中的各个环节是否符合有关标等方式进行，要核实制造中的各个环节是否符合有关标准规定和设计、工艺
24、的技术要求。调查的内容一般为：准规定和设计、工艺的技术要求。调查的内容一般为：材质状况、锻造质量、切削加工和磨削加工质量、电火材质状况、锻造质量、切削加工和磨削加工质量、电火花成形加工和线切割加工质量、热处理和表面处理质量、花成形加工和线切割加工质量、热处理和表面处理质量、装配质量等。装配质量等。 为了进一步了解模具的内在质量，一般可进行无损探伤、为了进一步了解模具的内在质量，一般可进行无损探伤、化学成分分析、力学性能测定及组织鉴定等。化学成分分析、力学性能测定及组织鉴定等。 对模具服役历史的调查，主要是查阅模具运行记录、调对模具服役历史的调查，主要是查阅模具运行记录、调整及维修记录，了解锻压
25、设备及被加工坯料的状况，询问操整及维修记录，了解锻压设备及被加工坯料的状况，询问操作者有关模具的使用条件和使用状况，是否按规程操作及有作者有关模具的使用条件和使用状况，是否按规程操作及有无异常现象等。无异常现象等。3模具工作条件和断裂状况分析模具工作条件和断裂状况分析 模具的工作条件主要包括受力状况和温度、介质等工模具的工作条件主要包括受力状况和温度、介质等工作环境状况。作环境状况。 受力状况主要包括：载荷性质，如静载荷、冲击载荷、循受力状况主要包括：载荷性质，如静载荷、冲击载荷、循环载荷等；载荷类型，如拉深、压缩、扭转、弯曲等；应环载荷等；载荷类型，如拉深、压缩、扭转、弯曲等；应力情况，如应
26、力的分布、最大应力的大小及部位，应力集力情况，如应力的分布、最大应力的大小及部位，应力集中状况、断裂部位的应力状态和应力大小等。中状况、断裂部位的应力状态和应力大小等。 工作环境状况主要包括工作温度的高低，工作温度的变化幅度工作环境状况主要包括工作温度的高低，工作温度的变化幅度及其所引起的热应力大小，介质种类、含量及腐蚀性等。及其所引起的热应力大小，介质种类、含量及腐蚀性等。 模具的断裂状况主要包括断裂处的塑性变形程度，断口的模具的断裂状况主要包括断裂处的塑性变形程度，断口的取向、位置、表面状况，以及断口和模具结构的关系等。取向、位置、表面状况，以及断口和模具结构的关系等。通过断口状况分析，可
27、初步确定断裂的性质和类型。通过断口状况分析，可初步确定断裂的性质和类型。当模具断裂为多个碎块时，应找出最早断裂的主断口。其当模具断裂为多个碎块时，应找出最早断裂的主断口。其方法是：将各碎块按照模具原来的形状拼合在一起，并察方法是：将各碎块按照模具原来的形状拼合在一起，并察看其密合程度，密合最差、裂隙最大的断口为最早断裂的看其密合程度，密合最差、裂隙最大的断口为最早断裂的主断口。通过肉眼观察或用量具测量断口处的塑性变形量，主断口。通过肉眼观察或用量具测量断口处的塑性变形量，就可初步确定是韧性断裂还是脆性断裂。就可初步确定是韧性断裂还是脆性断裂。根据主断口的取向，可以分析模具断裂的载荷类型和实际应
28、力根据主断口的取向，可以分析模具断裂的载荷类型和实际应力状态。例如，脆性断口总是与最大正应力作用的方向垂直，齐状态。例如，脆性断口总是与最大正应力作用的方向垂直，齐平的韧性断口总是与最大切应力作用的方向平行等。而当断裂平的韧性断口总是与最大切应力作用的方向平行等。而当断裂起源于模具外形结构的缺口或应力集中处时，则说明缺口效应起源于模具外形结构的缺口或应力集中处时，则说明缺口效应和应力集中对断裂的影响作用很大。和应力集中对断裂的影响作用很大。另外，根据断口氧化色的不同，可大致分析模具工作温度的高另外，根据断口氧化色的不同，可大致分析模具工作温度的高低；根据断口有无腐蚀产物，可确定模具的工作介质有
29、无腐蚀低；根据断口有无腐蚀产物，可确定模具的工作介质有无腐蚀性。性。5/19/2022224断口分析断口分析 断口的宏观分析是用肉眼、放大镜或低倍立体显微镜断口的宏观分析是用肉眼、放大镜或低倍立体显微镜分析断口的形貌。它用来判定：断裂的性质，即快速分析断口的形貌。它用来判定：断裂的性质，即快速断裂、疲劳断裂或应力腐蚀断裂；断裂的类型，如快断裂、疲劳断裂或应力腐蚀断裂；断裂的类型，如快速断裂是韧断还是脆断，裂源的位置和断裂的走向如速断裂是韧断还是脆断，裂源的位置和断裂的走向如何；疲劳断裂时的应力大小，应力集中程度和疲劳寿何；疲劳断裂时的应力大小，应力集中程度和疲劳寿命。命。断口的微观分析是用高倍
30、扫描电子显微镜或透射电子显断口的微观分析是用高倍扫描电子显微镜或透射电子显微镜分析断口的微观形貌。它是宏观断口分析的深化和微镜分析断口的微观形貌。它是宏观断口分析的深化和必要补充。它用于分析：微观断裂的性质，即微观韧断必要补充。它用于分析：微观断裂的性质，即微观韧断或微观脆断；微观断裂的机理，显微组织对断裂的影响或微观脆断；微观断裂的机理，显微组织对断裂的影响等。此外，它还可用于估算疲劳裂纹宏观扩展速率和疲等。此外，它还可用于估算疲劳裂纹宏观扩展速率和疲劳寿命。劳寿命。对于应力腐蚀断裂，其断口往往附着有腐蚀产物。为对于应力腐蚀断裂，其断口往往附着有腐蚀产物。为避免腐蚀产物对断口分析的干扰，应先
31、对断口上的腐避免腐蚀产物对断口分析的干扰，应先对断口上的腐蚀产物进行成分和相结构分析，然后用化学或电化学蚀产物进行成分和相结构分析，然后用化学或电化学方法清除之，之后再进行断口分析。方法清除之，之后再进行断口分析。当模具中存在材料缺陷和加工缺陷时，往往在缺陷处产当模具中存在材料缺陷和加工缺陷时，往往在缺陷处产生裂纹并扩展。故应分析裂源和断裂路径与各类缺陷的生裂纹并扩展。故应分析裂源和断裂路径与各类缺陷的关系，以确定缺陷对断裂的影响。常见的缺陷有非金属关系，以确定缺陷对断裂的影响。常见的缺陷有非金属夹杂物、碳化物编聚、表面微裂纹、过热、过烧、回火夹杂物、碳化物编聚、表面微裂纹、过热、过烧、回火不
32、充分等。可选取断裂碎块，在裂源和断裂扩展区处，不充分等。可选取断裂碎块，在裂源和断裂扩展区处，分别以垂直于断口的截面制备金相试样，用光学或电子分别以垂直于断口的截面制备金相试样，用光学或电子显微镜观察断口处的缺陷和显微组织显微镜观察断口处的缺陷和显微组织。5断裂原因的判定断裂原因的判定 首先，根据模具断裂状况的分析和断口分析的结果，综合首先，根据模具断裂状况的分析和断口分析的结果，综合判定模具断裂的性质和类型，并由此列出所有可能的断裂判定模具断裂的性质和类型，并由此列出所有可能的断裂原因。可能的断裂原因一般包括设计不合理，选材不当，原因。可能的断裂原因一般包括设计不合理，选材不当，材质不良，各
33、种加工和热处理缺陷，操作使用不当和安装、材质不良，各种加工和热处理缺陷，操作使用不当和安装、维护不良等方面。维护不良等方面。然后，再根据模具的工作条件、制造工艺及服役历史、质然后，再根据模具的工作条件、制造工艺及服役历史、质量检验结论和现场使用状况等，进行逻辑推理、综合分析、量检验结论和现场使用状况等，进行逻辑推理、综合分析、相互印证，在可能的断裂原因中，逐一排除被证明不可能相互印证，在可能的断裂原因中，逐一排除被证明不可能的原因，最终判定引起断裂失效的主要原因。必要时，还的原因，最终判定引起断裂失效的主要原因。必要时，还可以进行失效重现性试验或模拟试验，以证明所判定的断可以进行失效重现性试验
34、或模拟试验，以证明所判定的断裂原因正确与否。裂原因正确与否。6提出防护措施提出防护措施 应该注意的是，同一模具可能有几种损伤形式出现，而应该注意的是，同一模具可能有几种损伤形式出现，而最终先导致模具失效的形式可能是其中的一种（如脆性最终先导致模具失效的形式可能是其中的一种（如脆性断裂）。当我们采取相应的措施（如提高材料的强韧性）断裂）。当我们采取相应的措施（如提高材料的强韧性）防止了这种形式的失效以后，则另一种失效形式（如磨防止了这种形式的失效以后，则另一种失效形式（如磨损）又可能成为主要矛盾，又需要我们采取另外的措施损）又可能成为主要矛盾，又需要我们采取另外的措施去解决第二、第三种形式失效的
35、问题。去解决第二、第三种形式失效的问题。5/19/20222312 模具的工作条件及失效形式模具的工作条件及失效形式 模具的种类很多，按照用途的不同，大致可分为六模具的种类很多，按照用途的不同，大致可分为六大类：大类：冷冲压模、热锻压模、压力铸造模、塑料模、玻冷冲压模、热锻压模、压力铸造模、塑料模、玻璃压模和粉料压制模等璃压模和粉料压制模等。在机械、电机、电子、仪表等。在机械、电机、电子、仪表等工业部门中，使用最广的是各种冷冲压模、热锻压模、工业部门中，使用最广的是各种冷冲压模、热锻压模、压力铸造模和塑料模。压力铸造模和塑料模。 每套模具都有许多零件组成，其中对模具的质量和寿每套模具都有许多零
36、件组成，其中对模具的质量和寿命起决定作用的是命起决定作用的是工作零件工作零件。因而通常主要研究模具工作。因而通常主要研究模具工作零件的工作条件和失效形式等问题。模具（本书中通常专零件的工作条件和失效形式等问题。模具（本书中通常专指模具工作零件）的损伤和失效形式，主要有塑性变形、指模具工作零件）的损伤和失效形式，主要有塑性变形、磨损、断裂和冷热疲劳等。除了冷热疲劳主要出现于热作磨损、断裂和冷热疲劳等。除了冷热疲劳主要出现于热作模具外，其余几种失效形式在各种模具上均可能出现。模具外，其余几种失效形式在各种模具上均可能出现。5/19/202224121 冷作模具的工作条件及失效形式冷作模具的工作条件
37、及失效形式 典型的冷作模具有典型的冷作模具有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模和冷镦锻模和冷镦锻模。各种冷作模具的工作都是在常温下对被加。各种冷作模具的工作都是在常温下对被加工材料施加压力，使其产生分离或变形，从而获得一定工材料施加压力，使其产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件。不同种类的冷作模具，其具形状、尺寸和性能的零件。不同种类的冷作模具，其具体工作条件不同，它们的失效形式又各有不同的特点。体工作条件不同，它们的失效形式又各有不同的特点。5/19/202225冲头凸模凹模条料图12冷冲裁工作示意图1211 冷冲裁模冷冲裁模1冷冲裁模的工作条件冷冲裁模的
38、工作条件 冷冲裁模用于冷冲冷冲裁模用于冷冲压加工的分离工序，主压加工的分离工序，主要是使各种板料冲切成要是使各种板料冲切成形。图形。图1-2是简单冲裁模是简单冲裁模工作示意图。冲裁模的工作示意图。冲裁模的主要工作部位是凸模主要工作部位是凸模（冲头）、凹模的刃口，（冲头）、凹模的刃口，它们对板料施加压力，它们对板料施加压力，使板料弹性变形、塑性使板料弹性变形、塑性变形，直至被剪裂。变形，直至被剪裂。5/19/202226c）图1-3冷冲裁过程示意图b）a） 在板料弹性变形阶段，冲在板料弹性变形阶段，冲头端面的中央部位与板料脱离头端面的中央部位与板料脱离接触，压力集中于刃口附近的接触，压力集中于刃
39、口附近的狭小范围内，使刃口上的单位狭小范围内，使刃口上的单位面积压力增大。面积压力增大。 在板料塑性在板料塑性变形和剪裂阶段，变形和剪裂阶段，冲头切入板料，冲头切入板料，板料挤入凹模洞板料挤入凹模洞口，使模具刃口口，使模具刃口的端面和侧面产的端面和侧面产生挤压和摩擦生挤压和摩擦。 5/19/2022272模具寿命与受力大小、板料厚度的关系模具寿命与受力大小、板料厚度的关系 模具刃口受力的大小与板料的厚度和硬度有关。冲头的模具刃口受力的大小与板料的厚度和硬度有关。冲头的压力通常大于凹模，尤其是在厚板上冲制小孔时，冲头的单压力通常大于凹模，尤其是在厚板上冲制小孔时，冲头的单位压力很大。设冲头工作部
40、分的直径为位压力很大。设冲头工作部分的直径为d，板料厚度为，板料厚度为t，则，则比值比值dt 越小，冲头受力越大，其寿命就越低。图越小，冲头受力越大，其寿命就越低。图1-4表示出表示出比值比值dt 与模具寿命的关系。与模具寿命的关系。图1-4 冲头寿命与其直径及板厚的关系300200100123456789（d/t）%冲裁件数（ 104）5/19/2022283冷冲裁模的失效形式冷冲裁模的失效形式 模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形模具刃口在压力和摩擦力的作用下，最常见的失效形式是式是磨损磨损。其中，冲头的受力较大，且在一次冲裁过程中。其中，冲头的受力较大，且在一次冲裁过程中经受两
41、次摩擦（冲入和退出各一次），因而冲头的磨损较经受两次摩擦（冲入和退出各一次），因而冲头的磨损较快。磨损使刃口变钝，棱角变圆，甚至产生表面剥落，从快。磨损使刃口变钝，棱角变圆，甚至产生表面剥落，从而使冲裁件毛刺增大，尺寸超差。这时，必须对模具刃口而使冲裁件毛刺增大，尺寸超差。这时，必须对模具刃口进行修磨才能继续使用。进行修磨才能继续使用。 两次刃磨之间模具服役的时间或冲裁次数，称为两次刃磨之间模具服役的时间或冲裁次数，称为一次一次刃磨寿命刃磨寿命。 模具经多次刃磨后终因尺寸超差而最终失效，其服役模具经多次刃磨后终因尺寸超差而最终失效，其服役总时间或冲裁总次数，称为总时间或冲裁总次数，称为最终寿命
42、最终寿命。5/19/202229根据被冲板料的厚度通常把冲裁模分为：根据被冲板料的厚度通常把冲裁模分为： 薄板冲裁模受力较小，其失效的主要形式是磨损。薄板冲裁模受力较小，其失效的主要形式是磨损。 厚板冲裁模受力较大，其失效形式除了磨损外，还可厚板冲裁模受力较大，其失效形式除了磨损外，还可能发生局部断裂（崩刃），而当比值能发生局部断裂（崩刃），而当比值dt 较小时，还会较小时，还会引起冲头的宏观塑性变形或折断。如图引起冲头的宏观塑性变形或折断。如图1-5所示。所示。 厚板冲裁模（厚板冲裁模（t 15mm） 薄板冲裁模（薄板冲裁模（t 15mm）5/19/202230图1-5冷冲裁崩刃、局部断裂示
43、意图5/19/2022314模具刃口的损伤过程模具刃口的损伤过程 模具在服役中的磨损过程，可分为模具在服役中的磨损过程，可分为初期磨损初期磨损、稳定磨稳定磨损损和和急剧磨损急剧磨损三个阶段，如图三个阶段，如图1-6所示。所示。 稳定磨损急剧磨损初始磨损图1-6冷冲裁模磨损过程的三个阶段冲裁件数磨损量5/19/202232c）b）a）p100m图1-7冷冲裁模刃口损伤过程示意图 在模具服役初期，刃口在模具服役初期，刃口锋利，与板料接触面积小，锋利，与板料接触面积小，单位面积压力大，易造成刃单位面积压力大，易造成刃口局部塑变，故初期磨损阶口局部塑变，故初期磨损阶段的磨损速度较大。段的磨损速度较大。
44、 刃口磨损至一定刃口磨损至一定程度，单位面积程度，单位面积压力减轻，且刃压力减轻，且刃口表面塑变强化，口表面塑变强化，不再继续塑变，不再继续塑变，这时刃口的磨损这时刃口的磨损主要由坯料的摩主要由坯料的摩擦引起，磨损速擦引起，磨损速度变缓，即进入度变缓，即进入稳定磨损阶段。稳定磨损阶段。 模具服役相当长模具服役相当长的时间后，刃口因经的时间后，刃口因经受多次冲裁而趋于疲受多次冲裁而趋于疲劳，局部表面开始剥劳，局部表面开始剥落，即进入急剧磨损落，即进入急剧磨损阶段。这时，会因冲阶段。这时，会因冲裁件不合格而导致模裁件不合格而导致模具失效。具失效。 5/19/202233影响模具磨损的主要因素有：影
45、响模具磨损的主要因素有：（1） 模具材料和被加工材料的成分、组织及性能；模具材料和被加工材料的成分、组织及性能；（2）模具和坯料的表面状态及粗糙度；）模具和坯料的表面状态及粗糙度；（3）模具的工作条件如冲裁力、冲裁速度、工作温）模具的工作条件如冲裁力、冲裁速度、工作温度及润滑条件等。度及润滑条件等。5/19/2022341212 冷挤压模和冷镦模冷挤压模和冷镦模 冷挤压模和冷镦模都是使金属坯料（一般非板料）在冷挤压模和冷镦模都是使金属坯料（一般非板料）在模具型腔内冷变形成形的模具。金属坯料的冷变形成形需模具型腔内冷变形成形的模具。金属坯料的冷变形成形需要要强大的压力或冲击力强大的压力或冲击力，
46、使冷固态金属在型腔内塑变流动，使冷固态金属在型腔内塑变流动并充满型腔。因而，这类模具要承受很大的并充满型腔。因而，这类模具要承受很大的机械载荷和摩机械载荷和摩擦擦作用。作用。5/19/2022351冷挤压模冷挤压模 按照被挤压金属流动方向与凸模运动方向之间的关按照被挤压金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，冷挤压可分为系，冷挤压可分为正挤压正挤压反挤压反挤压复合挤压复合挤压图1-8冷挤压工艺分类示意图b）c）a）工工作作零零件件5/19/202236图1-9冷挤压活塞销示意图坯料上冲头凹模下冲头 在工作时，由于冲头要承受挤压件对其产生的在工作时，由于冲头要承受挤压件对其产生的多种应力，以及由于
47、坯料端面不平整、冲头与凹模多种应力，以及由于坯料端面不平整、冲头与凹模间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使冲头在间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使冲头在挤压时承受很大的挤压时承受很大的偏载偏载或或横向弯曲横向弯曲载荷。在这些应载荷。在这些应力作用下，冲头的失效形式可能有力作用下，冲头的失效形式可能有塑性变形、折断、塑性变形、折断、疲劳断裂和纵向开裂疲劳断裂和纵向开裂等，等， 5/19/202237图1-10冲头的塑性变形和整体断裂d）c）b）a）5/19/202238 如果凹模型腔结构比较复杂，存在有截面尺寸变化、如果凹模型腔结构比较复杂，存在有截面尺寸变化、沟槽或台阶时，则由于应力集中
48、和应力状态的变化，或更增沟槽或台阶时，则由于应力集中和应力状态的变化，或更增大脆性开裂倾向，或更易引起棱角倒塌等塑性变形失效。大脆性开裂倾向，或更易引起棱角倒塌等塑性变形失效。 另外，整体凹模和未经纵向分割的凹模模芯，均可因循另外，整体凹模和未经纵向分割的凹模模芯，均可因循环应力的多次作用而发生疲劳开裂。当模具负荷较重时，坯环应力的多次作用而发生疲劳开裂。当模具负荷较重时，坯料变形、摩擦生热可使型腔表面的瞬时温度达到料变形、摩擦生热可使型腔表面的瞬时温度达到200300，由此造成的循环热应力将加速疲劳裂纹的萌生。由此造成的循环热应力将加速疲劳裂纹的萌生。 冷挤压凸模和凹模，都要经受坯料塑变流动
49、的剧烈摩擦，冷挤压凸模和凹模，都要经受坯料塑变流动的剧烈摩擦，从而产生从而产生磨粒磨损磨粒磨损和和粘着磨损粘着磨损。模具工作表面的磨损损伤将。模具工作表面的磨损损伤将导致导致应力集中应力集中，在拉应力作用下有可能成为，在拉应力作用下有可能成为裂纹源裂纹源。模具表。模具表面温度升高可导致材料表层软化或屈服强度降低，从而加速面温度升高可导致材料表层软化或屈服强度降低，从而加速磨损失效过程。磨损失效过程。5/19/2022392冷镦模冷镦模 冷镦模是在冲击力的作用下，凸模使金属棒料在凹冷镦模是在冲击力的作用下，凸模使金属棒料在凹模型腔内模型腔内镦粗镦粗成形的冷作模具。主要用来加工各种形状成形的冷作模
50、具。主要用来加工各种形状的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。图的螺钉、铆钉、螺栓和螺母等的毛坯。图1-11是冷镦模的是冷镦模的工作示意图。工作示意图。图1-11 冷镦 模工作示意图123456785/19/202240 冷镦模最常见的失效形式是冷镦模最常见的失效形式是磨损失效磨损失效和和疲劳断裂失疲劳断裂失效效。其中，磨损失效可能有磨粒磨损、表面损伤、冲击。其中，磨损失效可能有磨粒磨损、表面损伤、冲击磨损等多种失效形式，特别是凸模在冲击力的作用下，磨损等多种失效形式，特别是凸模在冲击力的作用下，表面会产生剥落而出现麻坑，而由磨损所造成的表面损表面会产生剥落而出现麻坑，而由磨损所造成的表面损伤、麻
