模具寿命与失效7.pptx
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1、模具失效与寿命授课人:曾珊琪2009-20102009-2010(第(第1 1学期学期)22024年4月22日第五章第五章 影响模具寿命的因素影响模具寿命的因素n模具结构设计模具结构设计n模具材料模具材料n模具的热加工和冷加工模具的热加工和冷加工n模具的使用状况等。模具的使用状况等。32024年4月22日第一节第一节 模具结构模具结构n合理的模具结构,使模具在工作时合理的模具结构,使模具在工作时受力均受力均匀匀,应力集中小应力集中小,也,也不不易受易受偏载偏载。n模具种类多,形式和工作环境差别很大。模具种类多,形式和工作环境差别很大。n各有特性,但在结构方面也有共性的问题,各有特性,但在结构方
2、面也有共性的问题,如:几何形状和刚度。如:几何形状和刚度。影响模具寿命的因素影响模具寿命的因素42024年4月22日一、模具的几何形状一、模具的几何形状n影响模具寿命的几何形状因素:影响模具寿命的几何形状因素:模具的圆角半径、模具的圆角半径、凸模端面形状、凸模端面形状、凹模锥角的大小、凹模锥角的大小、凹模截面变化的大小等。凹模截面变化的大小等。模具结构52024年4月22日(一)圆角半径n采采用用圆圆角角结结构构可可以以获获得得良良好好的的工工艺艺效效果果,同同时时,也也可可避避免免拐拐角角处处产产生生应力集中应力集中。模具几何形状62024年4月22日n从应力图可以看出,不同拐角形式产生的应
3、力集从应力图可以看出,不同拐角形式产生的应力集中源不同,中源不同,圆角半径越大应力分布越均匀圆角半径越大应力分布越均匀,越不,越不容易产生应力集中,拐角为尖角结构时应力集中容易产生应力集中,拐角为尖角结构时应力集中最严重。最严重。模具几何形状72024年4月22日n圆角半径分为圆角半径分为:n外外(凸凸)圆角半径圆角半径n内内(凹凹)圆角半径圆角半径 模具几何形状82024年4月22日v凸圆角半径对工艺影响大n过小的凸圆角半径过小的凸圆角半径在板料拉深中增加成型力;在板料拉深中增加成型力;在模锻中,易造成锻件折叠缺陷。在模锻中,易造成锻件折叠缺陷。模具几何形状92024年4月22日v凹的圆角半
4、径对模具寿命影响大n小的凹圆角半径会使局部受力恶化,在四小的凹圆角半径会使局部受力恶化,在四角半径处产生较大的角半径处产生较大的应力集中应力集中,易萌生,易萌生裂裂纹纹导致导致断裂断裂。n大的圆角半径使模具大的圆角半径使模具受力均匀受力均匀,不易产生,不易产生裂纹。裂纹。n非工作部位凹圆角半径过小,在使用过程非工作部位凹圆角半径过小,在使用过程中也易造成中也易造成应力集中应力集中,使抗,使抗偏载偏载、抗冲击、抗冲击的能力降低。的能力降低。模具几何形状102024年4月22日n从图中可以看出,在采用同一模具条件下,过渡从图中可以看出,在采用同一模具条件下,过渡半径半径R由由2.3增大到增大到3.
5、2,模具寿命就从,模具寿命就从1.5万件提万件提高到高到2万件。万件。模具几何形状112024年4月22日(二)几何角度 n1.1.凹模的锥角和截面变化凹模的锥角和截面变化 n模具的工作角度对成形过程中坯料的模具的工作角度对成形过程中坯料的流动、成形力及模具寿命有很大的影流动、成形力及模具寿命有很大的影响。响。模具几何形状122024年4月22日模具几何形状132024年4月22日1.凹模的锥角和截面变化n以挤压为例:正挤压以挤压为例:正挤压时,主要是凹模对挤时,主要是凹模对挤压力产生影响,为了压力产生影响,为了便于金属塑性流动和便于金属塑性流动和减小模具负荷,一般减小模具负荷,一般都将凹模出
6、口部分设都将凹模出口部分设计成锥形,如图示。计成锥形,如图示。模具几何形状142024年4月22日n从图中看,挤压从图中看,挤压力的大小不仅与力的大小不仅与入口角入口角大小有大小有关,还与锥形进关,还与锥形进口正挤压凹模的口正挤压凹模的截面变化量截面变化量lnA0/A1有关。有关。模具几何形状152024年4月22日1.凹模的锥角和截面变化n冷挤压凹模的型腔截冷挤压凹模的型腔截面变化越小,尺寸过面变化越小,尺寸过渡越平缓,则挤压力渡越平缓,则挤压力越小,模具寿命越高。越小,模具寿命越高。模具几何形状162024年4月22日2.凸模的端面形状 n平底带锥台的凸模平底带锥台的凸模(图(图a),端部
7、受力面积较大,),端部受力面积较大,因此单位面积承受的因此单位面积承受的挤压力挤压力比比平底凸模平底凸模(图(图b)可)可降低降低20%,模具寿命也相应提高,模具寿命也相应提高 模具几何形状172024年4月22日n当变形程度当变形程度F F不是不是很大时,以很大时,以平底凸平底凸模模所受的单位挤压所受的单位挤压力最大,力最大,半球面凸半球面凸模模的挤压力最小,的挤压力最小,平底带锥台凸模平底带锥台凸模居居中。中。1-平底凸模平底凸模 2-平底带锥台凸模平底带锥台凸模 3-锥角凸模锥角凸模a=120 4-半球面凸半球面凸模模 模具几何形状182024年4月22日n变形程度过大时,变形程度过大时
8、,球面凸球面凸模模的单位挤压力会急剧上的单位挤压力会急剧上升。升。n平底凸模平底凸模刃口处增加圆角刃口处增加圆角半径,可降低挤压力;半径,可降低挤压力;n凸模端部设计成平底带锥凸模端部设计成平底带锥台形,对减轻挤压力也有台形,对减轻挤压力也有明显效果。明显效果。1-平底凸模平底凸模 2-平底带锥台凸模平底带锥台凸模 3-锥角凸模锥角凸模a=120 4-半球面凸模半球面凸模 模具几何形状192024年4月22日n中心锥角中心锥角为为120120130130的凸模结构比较的凸模结构比较合理。锥角过大,对降合理。锥角过大,对降低挤压力的作用并不明低挤压力的作用并不明显,锥角过小易造成侧显,锥角过小易
9、造成侧向分力不平衡,引起凸向分力不平衡,引起凸模偏斜、弯曲或折断。模偏斜、弯曲或折断。1-平底凸模平底凸模 2-平底带锥台凸模平底带锥台凸模 3-锥角凸模锥角凸模a=120 4-半球面凸模半球面凸模 模具几何形状202024年4月22日凹模锥角的最佳取值计算公式凹模锥角的最佳取值计算公式n在此值下,模具承受的力最小,在此值下,模具承受的力最小,寿命最高。寿命最高。变薄拉深变薄拉深l t0t变形比、变形比、摩擦系数摩擦系数模具几何形状212024年4月22日n对于锤锻模、压铸模、塑料模等型腔对于锤锻模、压铸模、塑料模等型腔模,型腔结构常需要考虑脱模斜度以模,型腔结构常需要考虑脱模斜度以便制件脱模
10、。便制件脱模。n型腔型腔脱模斜度脱模斜度对模具型腔侧壁及底部对模具型腔侧壁及底部的的应力状态应力状态也有直接的影响。也有直接的影响。模具几何形状222024年4月22日二、模具结构形式(一)整体模具与组合模具(一)整体模具与组合模具n整体模具不可避免的存在整体模具不可避免的存在凹圆角半径,易造成应力凹圆角半径,易造成应力集中,并引起开裂。集中,并引起开裂。模具结构232024年4月22日v组合式模具n把模具在应力集中处分把模具在应力集中处分割为两部分或几部分,割为两部分或几部分,再组合起来使用。再组合起来使用。n采用组合式模具采用组合式模具 可避可避免应力集中和裂纹的产免应力集中和裂纹的产生。
11、生。模具结构形式 242024年4月22日1.组合凸模结构 n工作时,凸模前端工作时,凸模前端小直径心轴部分先小直径心轴部分先插入毛坯孔内,以插入毛坯孔内,以控制挤压件孔径的控制挤压件孔径的位置。但心轴根部位置。但心轴根部应力集中严重,受应力集中严重,受力时容易折断。力时容易折断。n若将凸模设计成图若将凸模设计成图b及图及图c所示的组合形式,则可避所示的组合形式,则可避免应力集中,显著提高寿命。免应力集中,显著提高寿命。模具结构形式 252024年4月22日2.组合凹模结构 模具结构形式 262024年4月22日(a)(a)、(e)(e)整体式整体式 (b)(b)、(c)(c)、(f)(f)、
12、(g)(g)纵向分割式纵向分割式 (d)(d)、(h)(h)横向分割式横向分割式模具结构形式 272024年4月22日3.预应力镶套凹模 n为了防止模具胀裂,冷镦、冷挤压凹为了防止模具胀裂,冷镦、冷挤压凹模通常要求具有高的模通常要求具有高的硬度硬度和和耐磨性耐磨性,同时还要求具有高的同时还要求具有高的强度强度和和韧性韧性。n采用整体结构很难同时满足这两方面采用整体结构很难同时满足这两方面的性能要求。的性能要求。模具结构形式 282024年4月22日n可采用预应力镶套结构,即用可采用预应力镶套结构,即用高强、韧材料高强、韧材料制造制造凹模体,工作部分采用淬硬的高速钢或硬质合金凹模体,工作部分采用
13、淬硬的高速钢或硬质合金等高硬度、等高硬度、高耐磨性材料高耐磨性材料,通过压力将工作部分,通过压力将工作部分镶入凹模体成为组合式模具,以满足型腔表面高镶入凹模体成为组合式模具,以满足型腔表面高耐磨性和整体高强、韧性的要求。耐磨性和整体高强、韧性的要求。模具结构形式 图(图(b)是一组合冷镦模)是一组合冷镦模292024年4月22日模具结构形式 n图示组合冷镦模,原采用高速钢整体式,常图示组合冷镦模,原采用高速钢整体式,常发生早期胀裂失效,寿命不到碳素工具钢凹发生早期胀裂失效,寿命不到碳素工具钢凹模的模的1/4。n改为预应力镶套结构,模体采用结构钢,工改为预应力镶套结构,模体采用结构钢,工作部分为
14、高速钢,二者过盈配合使工作部分作部分为高速钢,二者过盈配合使工作部分预先产生切向压应力,以抵消一部分工作时预先产生切向压应力,以抵消一部分工作时产生的切向拉应力,使模具寿命提高,高出产生的切向拉应力,使模具寿命提高,高出碳素工具钢凹模的碳素工具钢凹模的810倍。倍。302024年4月22日(二)(二)模具的工作间隙模具的工作间隙 n冲裁模凸、凹模的刃口间隙是工作间隙冲裁模凸、凹模的刃口间隙是工作间隙也叫冲裁间隙,不仅影响冲裁过程和冲也叫冲裁间隙,不仅影响冲裁过程和冲裁质量,也影响模具的寿命。裁质量,也影响模具的寿命。模具结构形式 312024年4月22日n当刃口间隙由板当刃口间隙由板料厚度的料
15、厚度的55加加大到大到1515时,模时,模具的一次刃磨寿具的一次刃磨寿命显著增加。命显著增加。1-Q2351-Q235钢,厚度钢,厚度6 6;2-Q2352-Q235钢,厚度钢,厚度1010 3-Cr18Ni9Ti 3-Cr18Ni9Ti钢,厚度钢,厚度8 8模具的工作间隙 322024年4月22日n当间隙过大(当间隙过大(15)时,板料的弯曲变形增时,板料的弯曲变形增大,凸、凹模端面与板大,凸、凹模端面与板料的接触面积减小,冲料的接触面积减小,冲裁力集中作用于刃口处,裁力集中作用于刃口处,使刃口塑变钝化。使刃口塑变钝化。n刃口变钝又导致冲裁力刃口变钝又导致冲裁力增大,使模具的刃磨寿增大,使模
16、具的刃磨寿命降低。命降低。模具的工作间隙 332024年4月22日注 意!n实际中,获得实际中,获得高质量冲裁断面高质量冲裁断面的的最佳最佳间隙值间隙值和保证模具和保证模具较高寿命较高寿命的的最佳间最佳间隙值隙值不是完全一致的,设计时应综合不是完全一致的,设计时应综合考虑做出最优选择。考虑做出最优选择。模具的工作间隙 342024年4月22日(三)模具的结构刚度(三)模具的结构刚度n1 1模具的导向装置模具的导向装置n导向装置导向装置可以保证模具具有足够的可以保证模具具有足够的刚度刚度,保证,保证凸、凹模或型芯、型腔间的相互凸、凹模或型芯、型腔间的相互位置精度位置精度,增,增加模具的加模具的抗
17、弯曲抗弯曲、抗偏载抗偏载的能力,避免不均匀的能力,避免不均匀磨损和凸、凹模相互卡死、啃伤或型芯、型腔磨损和凸、凹模相互卡死、啃伤或型芯、型腔的错位,从而保证模具的正常工作并延长其使的错位,从而保证模具的正常工作并延长其使用寿命。用寿命。模具结构形式 352024年4月22日导向结构对冲裁模具寿命的影响n例如在例如在2mm2mm厚的厚的0808钢钢板上冲裁板上冲裁M3M3螺母的螺母的冲裁模,模具材料冲裁模,模具材料为为T10T10,硬度为,硬度为HRC55HRC555959无导向板:无导向板:冲头的冲头的平均寿命为平均寿命为778778件;件;有导向板:有导向板:冲的平均寿命为冲的平均寿命为3.
18、853.85万件。万件。模具的结构刚度362024年4月22日导向结构对塑料模具寿命的影响导向结构对塑料模具寿命的影响 n具具有有细细小小推推杆杆推推出出系系统统的的塑塑料料注注射射模模的的推推板板采采用用四四导导柱柱导导向向机机构构,可可以以避避免免由由于于顶顶出出系系统统的的顶顶杆杆受受力力不不均均衡衡,弯弯曲曲变变形形而而造造成成塑塑料表面划伤、推杆料表面划伤、推杆磨损,甚至造成顶杆卡死或折断等现象。磨损,甚至造成顶杆卡死或折断等现象。模具的结构刚度372024年4月22日导向精度对模具寿命的影响导向精度对模具寿命的影响n在其他条件相同的情况下,模具的在其他条件相同的情况下,模具的导向精
19、度导向精度愈高愈高,模具的,模具的寿命愈高寿命愈高。n冲压模、注塑模的寿命比锤锻模高的原因,冲压模、注塑模的寿命比锤锻模高的原因,除了工作条件不同的因素之外,导向精度的除了工作条件不同的因素之外,导向精度的不同也是影响模具寿命的重要因素。不同也是影响模具寿命的重要因素。模具的结构刚度382024年4月22日2凸模刚度设计要点n1 1)合理设计凸模的截面形状和尺寸,尽)合理设计凸模的截面形状和尺寸,尽量量减小其径长比减小其径长比,使之具有足够的强度、,使之具有足够的强度、刚度和抗压稳定性。刚度和抗压稳定性。n2 2)适当加大凸模柄部的)适当加大凸模柄部的承载面积承载面积和和固定固定长度长度,可以
20、提高其刚度。,可以提高其刚度。模具的结构刚度392024年4月22日n3)加加大大凸凸模模垫垫板板厚厚度度或或采采用用多多层层淬淬硬硬垫垫板板,避避免免由由于于垫垫板板面面积积大大、厚厚度度薄薄或或硬硬度度不不足足而而出出现现变变形形、凹凹坑坑等等损损伤伤,以导致凸模产生附加弯曲应力。以导致凸模产生附加弯曲应力。模具的结构刚度402024年4月22日l 4)对对细细长长凸凸模模可可增增加加导导向向板板等等辅辅助助支支承承。导导向向板板位位置置应应尽尽量量减减小小凸凸模模悬悬臂臂部部分分的的长长度度,且且使使凸凸模模始始终终不不脱脱离离导导向向板板,并并保保证证导导向精度。向精度。模具的结构刚度
21、412024年4月22日3塑料模的刚度结构l塑塑料料注注射射模模结结构构设设计计时时,可可以以采采用用高高精精度度的的导导向向或或支支撑撑结结构构来来保保证证模模具具的的刚度。刚度。l图中所示是注射模图中所示是注射模支承垫板承受注射压力的变形情况。支承垫板承受注射压力的变形情况。模具的结构刚度422024年4月22日l小小型型模模具具可可通通过过增增加加垫垫板板厚厚度度来来提高刚度,提高刚度,l大大型型模模具具可可以以采采用用加加支支撑撑的的方方法法,如图如图5-195-19所示。所示。模具的结构刚度432024年4月22日n在定模板和动在定模板和动模板四周作模板四周作出斜面配合,出斜面配合,
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