冷作模具的失效形式及原因

文章出处：网责任编辑：作者：人气：-发表时间：2023-04-06 15:05:00

冷作模具主要包括冲裁模、冷挤压模、冷拉深模、冷镦模、拉丝模等。冷作模具的工作条件是在常温下，主要完成金属及非金属材料的冲裁、弯曲、拉深、镦锻、挤压等工序。冷作模具在工作时，由于被加工材料的变形抗力较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力和摩擦力等，其刃口或工作表面产生剧烈的摩擦与磨损，其常见的失效形式有磨损、断裂、塑性变形、咬合及多冲疲劳等失效。

磨损

冷作模具工作部分与被加工材料之间的摩擦而引起的物质损耗，能使工作部位（刃口、冲头）形状和尺寸发生变化而引起失效，如冲裁模的刃口变钝，冷镦模的工作表面出现沟槽等。

磨损失效包括正常磨损失效与非正常磨损失效。对于冲模、冷挤压模，在保证不断裂的条件下，工作部分磨损到无法修复的程度属于正常磨损；非正常磨损则是在局部高压力作用下，模具工作表面与被加工材料间发生咬合，引起坯料表面形状与尺寸发生突变，或产品表面出现严重划痕等导致失效，如冷拉深模、弯曲模及冷挤压模中容易出现此类缺陷。

断裂

冷作模具在使用过程中突然出现裂纹或发生破损而失效，按其损坏情况可分为局部破损（如剥落、崩刃、掉牙等）和整体性破损（如碎裂、断裂、胀裂、劈裂等）。其共同的特点是破损大多数产生在受力最大的工作部位，或是在断面变化的应力集中处。

按其断裂过程的特征，可分为脆性断裂和疲劳断裂两种形式。脆性断裂主要是由于模具存在冶金缺陷、工艺缺陷，或因操作不当发生超载造成的；疲劳断裂主要是由于循环应力所致，其常见于各种重载模具，如冷镦模、冷挤压模。

塑性变形

冷作模具在使用过程中发生塑性变形，失去原有的几何形状，通常发生在硬度偏低或淬硬层太薄的模具，具体表现为凸模镦粗、弯曲，凹模型腔下沉塌陷、棱角塌陷、模孔胀大等。

咬合

当被加工材料与模具工作部位接触时，在高压力摩擦下，润滑油膜破裂，发生咬合。此时，被加工件金属“冷焊”到模具型腔表面，导致被加工产品表面出现划伤。咬合失效常见于弯曲、拉深、冷镦、冷挤压等工序。

多冲疲劳

冷作模具承受的载荷大都是以一定冲击速度和能量反复作用，其工作状态与小能量多冲疲劳试验相似。由于模具材料硬度高，多冲疲劳寿命多在1000~5000次，而且裂纹萌生期占寿命绝大部分，疲劳源和裂纹扩展区不明显。重载模具，如冷挤压模、冷镦冲头等易发生此类失效。

实例

Cr12MoV钢冲模线切割开裂问题分析。

（1）原因分析

冲模用于加工一汽“大众”A4与“捷达”5V踏板机构总成等产品。冲模在线切割加工时，经常发生模具开裂（见图2）问题。经过分析，模具线切割开裂原因主要是：内部存在淬火残余内应力、材料韧性低。当模具体积较大时，模具经热处理后会产生内应力（表面为拉应力，内部为压应力），当两种内应力相互抵消而保持内应力平衡状态时，不易使模具开裂；而模具在线切割加工时，拉应力增大，将破坏其内应力平衡，加上高碳钢模具材料韧性低，则易使模具开裂。统计发现，此种情况多发生在模具厚度超过50mm时。

（2）对策

1）选用合理的淬火冷却方式。在满足技术要求的前提下，尽量缓慢冷却，如采取风冷、空冷（如Cr12MoV、DC53钢等）、分级和等温淬火的冷却方式，不要直接用油冷却，从而降低淬火残余内应力。

2）提高回火温度。为了消除残余内应力，提高材料韧性，在模具材料具有很好的耐回火性前提下，回火温度控制在360℃以上，宜采用500℃回火。对于Cr12MoV、DC53等具有二次硬化的材料，若回火温度太低，在模具线切割加工前进行磨削加工时，也容易产生磨削裂纹。对此，可将传统冲模硬度要求58~62HRC降低为55~58HRC，尤其对大型复杂模具，依据工作载荷大小选取，载荷大的取下限。通过采取以上措施，经磁测应力测试，模具的残余内应力基本消除。

3）改变加工工艺过程。在模具淬火前预先钻通孔，并用带锯或铣刀将孔连接起来，即可避免模具在线切割加工时产生畸变和开裂；或者在淬火前预先留出30~50mm厚的刃口，在热处理时可减少部分应力，则在线切割加工时能够避免模具开裂。

a）预先钻孔 b）预先留出刃口

4）选用合适模具材料。优选模具钢材，如采用电渣重熔Cr12MoV钢，或者日本大同公司的DC53、奥地利百禄的K340钢等。

5）采用真空热处理工艺。Cr12MoV钢模具经1020℃ × 1.5min/mm真空加热后，气冷至70℃左右，及时进行回火，回火温度360~400℃，保温2h，回火2次，出炉风冷至室温。对于大中型模具（截面尺寸50mm以上）必须回火2~3次。