壓鑄模具失效形式以及如何提高壽命

壓鑄鋁合金零件失效分析摘要：本文結(jié)合工廠的壓鑄模具的實(shí)際失效情況，總結(jié)分析了壓鑄模的主要失效形式,系統(tǒng)地提出了分析壓鑄模具失效的方法和手段。從工程實(shí)用的角度提出了避免早期失效、提高模具壽命的方法。

壓鑄是一種節(jié)能、低價(jià)、高效的金屬成形方式。壓鑄件具有尺寸精度高，表面光潔，強(qiáng)度和硬度高的特點(diǎn)，一般不需要機(jī)械加工或稍經(jīng)加工便可使用，適合批量生產(chǎn)。但是在使用過程中，由于各種原因壓鑄模容易失效。關(guān)鍵字:壓鑄模具失效提高壽命1壓鑄模具常見失效形式

下面結(jié)合工廠實(shí)際情況分析了壓鑄模具的失效形式和失效機(jī)理。

1.1熱裂

熱裂是模具最常見的失效形式，如圖1所示。熱裂紋通常形成于模具型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處，當(dāng)裂紋形成后，應(yīng)力重新分布，裂紋發(fā)展到一定長度時(shí)，由于塑性應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力松弛使裂紋停止擴(kuò)展。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋尖端附近出現(xiàn)一些小孔洞并逐漸形成微裂紋，與開始形成的主裂紋合并，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最后裂紋間相互連接而導(dǎo)致模具失效。1.2整體脆斷整體脆斷是由于偶然的機(jī)械過載或熱過載導(dǎo)致模具災(zāi)難性斷裂。材料的塑韌性是與此現(xiàn)象相對應(yīng)的最重要的力學(xué)性能。材料中有嚴(yán)重缺陷或操作不當(dāng),會(huì)引起整體脆斷，如圖2所示。1.3侵蝕或沖刷這是由于機(jī)械和化學(xué)腐蝕綜合作用的結(jié)果,熔融鋁合金高速射入型腔,造成型腔表面的機(jī)械磨蝕。同時(shí),金屬鋁與模具材料生成脆性的鐵鋁化合物,成為熱裂紋新的萌生源。此外,鋁充填到裂紋之中與裂紋壁產(chǎn)生機(jī)械作用,并與熱應(yīng)力疊加,加劇裂紋尖端的拉應(yīng)力,從而加快了裂紋的擴(kuò)展。提高材料的高溫強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強(qiáng)材料的抗腐蝕能力。2壓鑄模具常見失效分析方法為了延長模具的使用壽命,節(jié)約成本,提高生產(chǎn)效率,就必須研究模具的失效形式和導(dǎo)致模具失效的原因以及模具失效的內(nèi)部機(jī)理。由于壓鑄模具失效的原因比較復(fù)雜,要從模具的設(shè)計(jì)、材料選擇、工作狀態(tài)等很多方面來進(jìn)行分析。圖3為壓鑄模具常見失效分析圖。圖3壓鑄模具常見失效分析方法2.1裂紋的表面形狀及裂紋擴(kuò)展形貌分析失效模具型腔表面主要是沖蝕坑，大小比較均勻，冒口所對部位有明顯的沖蝕坑外，表面明顯具有一定方向的劃痕，劃痕上分布有大小不等的鋁合金塊狀物。由于正對澆口部位直接受金屬液的沖刷，該部位具有明顯的沖刷犁溝，同時(shí)可觀察到劃痕間有裂紋。裂紋從裂紋源出發(fā)，并向西周擴(kuò)展。裂紋內(nèi)有大量的夾雜物，裂紋邊緣有二次裂紋。由于模具使用時(shí)間短，一般部位表面主要是沖蝕坑和焊合，而澆口所對部位主要為液態(tài)金屬?zèng)_刷形成的犁溝和熱疲勞裂紋。由于高溫液態(tài)金屬的沖刷，模具型腔表面首先沖擊坑及犁溝，模具的表面變得凸凹不平，造成局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這些部位是裂紋產(chǎn)生的危險(xiǎn)部位。另外，分布在模具型腔表面的夾雜物，如氧化物、硫化物等，在熱循環(huán)過程中與基體脫離，直接成為熱疲勞裂紋。一方面夾雜物同集體的彈性模量不同，當(dāng)熱應(yīng)力及機(jī)械力作用時(shí)，在其周圍形成應(yīng)力集中;另一方面在冷卻時(shí)夾雜物與基體有不同的熱收縮，造成鑲嵌應(yīng)力，兩者疊加的結(jié)果，在夾雜物周圍產(chǎn)生很大的應(yīng)力場。應(yīng)力集中的結(jié)果使沖擊坑、犁溝及夾雜物成為疲勞裂紋的誘發(fā)核心和擴(kuò)展優(yōu)取向。2.2殘余應(yīng)力分析壓鑄模具的殘余應(yīng)力較為復(fù)雜,主要是在機(jī)械加工、電火花加工、熱處理及生產(chǎn)過程中熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力等原因產(chǎn)生。模具使用一定時(shí)間后,模具的表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,裂紋前端無論是平行于裂紋擴(kuò)展方向還是垂直于裂紋的擴(kuò)展方向,都受壓應(yīng)力。型腔表面裂紋前端的殘余應(yīng)力大于裂紋沿深度方向裂紋前端的殘余應(yīng)力,模具的型腔表面溫度變化大,產(chǎn)生的熱應(yīng)力的殘余應(yīng)力要大,而且模具投入使用之前的機(jī)械加工和熱處理過程中模具表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力要大于模具內(nèi)部。由于液態(tài)金屬的沖刷,澆口所對部位的溫度要高于一般部位,加上沖擊力的作用,澆口所對部位的殘余應(yīng)力大于一般部位.殘余應(yīng)力范圍90MPa-420MPa。模具型腔表面殘余應(yīng)力的存在對裂紋的擴(kuò)展有一定的影響,殘余應(yīng)力場中的裂紋擴(kuò)展研究表明,殘余應(yīng)力可以增加裂紋的閉合程度,減緩裂紋的擴(kuò)展速率.模具型腔表面形成的殘余應(yīng)力的大小及壓應(yīng)力存在的深度對減弱模具熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有一定益處。模具經(jīng)過一定時(shí)間使用后,模具表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,裂紋前端無論是平行于裂紋擴(kuò)展方向還是垂直與裂紋擴(kuò)展方向都受壓應(yīng)力。所以在模具的使用過程中隔一段時(shí)間要進(jìn)行清洗和維修。3提高模具壽命的方法對壓鑄模具失效及提高壓鑄模壽命的研究，無論是從實(shí)驗(yàn)方法還是對模具壽命的估算，都沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使壓鑄模具的使用壽命遇到了一個(gè)瓶頸，因此提高模具壽命是工程界一個(gè)十分艱巨的任務(wù)。3.1精心設(shè)計(jì)壓鑄件和壓鑄模具模具的局部開裂、型腔表面磨損以及型壁面交界處的裂紋等失效，往往是由于壓鑄件的工藝設(shè)計(jì)不合理所造成的。因此，設(shè)計(jì)壓鑄件必須注意以下幾點(diǎn)：(1)在滿足壓鑄件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，宜采用薄壁結(jié)構(gòu)，這不僅減輕了壓鑄件的質(zhì)量，而且也減少了模具的熱載荷。(2)壓鑄件壁厚應(yīng)均勻，避免熱節(jié)，以減少局部熱量集中引起模具過早的熱疲勞失效。(3)壓鑄件所有轉(zhuǎn)角處，應(yīng)有適當(dāng)?shù)蔫T造圓角，以避免在模具相應(yīng)部位形成棱角，產(chǎn)生裂紋和塌陷。(4)壓鑄件上應(yīng)盡量避免深而窄的凹穴，以避免模具相應(yīng)部位出現(xiàn)尖劈，使散熱條件惡化而產(chǎn)生斷裂。(5)壓鑄件應(yīng)該有合理的脫模斜度，以避免開模抽芯取件時(shí)擦傷模具型壁。3.2保證模具的加工質(zhì)量模具的加工制造、安裝、裝配的實(shí)際精度對模具的壽命有影響，需要引起重視，其中的磨削加工對模具壽命的影響很大，至少會(huì)從三個(gè)方面對損壞模具壽命：(1)砂輪不鋒利引起的摩擦使模具表面出現(xiàn)磨銷裂紋。(2)摩擦熱使模具表面軟化，降低了模具抗熱疲勞能力和內(nèi)腐蝕能力。(3)表面存在磨銷應(yīng)力，降低了模具的抗熱疲勞能力和機(jī)械疲勞能力。3.3選用優(yōu)質(zhì)鋼材壓鑄模具材料質(zhì)量的提高于改進(jìn)對其熱疲勞壽命的提高影響極大。其中，氣體中雜質(zhì)的含量高、成分偏析及碳化物的不均勻程度嚴(yán)重，都會(huì)降低模具的熱疲勞壽命。鋼中的夾雜物往往是萌生裂紋的核心，夾雜物的尺寸大于某一臨界尺寸后，疲勞強(qiáng)度隨夾雜物顆粒尺寸的加大而下降。疲勞強(qiáng)度的下降與顆粒尺寸的立方成正比[1][2]。(1)采用先進(jìn)的毛坯鍛造工藝采用先進(jìn)的毛坯鍛造工藝有兩個(gè)目的，一是使碳化物分布均勻，二是形成合理的流線分布，以提高鋼材的耐磨性和各項(xiàng)同性以及抗咬合能力[1]。(2)采用合理的熱處理規(guī)范作為壓鑄模具材料必須具有較高的熱強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，這樣才有可能獲得高的熱疲勞抗力和耐磨性。從壓鑄工作條件和提高抗熱疲勞性能出發(fā)，回火溫度應(yīng)盡量提高一些，但必須低于二次硬化溫度。此外，為了使一次回火生成的馬氏體充分回火，以及使殘余奧氏體馬氏體化，還應(yīng)采取二次回火。(3)采用表面強(qiáng)化處理采用表面強(qiáng)化工藝提高模具表面的強(qiáng)度、耐磨性及耐蝕性，可以延長熱裂紋萌生的孕育期，防止熱裂紋的擴(kuò)展，由此提高模具的使用壽命。常見的表面強(qiáng)化處理有：噴丸強(qiáng)化法、壓應(yīng)力冷作撞擊法、蒸汽處理法、電火花放電強(qiáng)化法、高頻淬火、軟氮化、鎢鎳合金沉積法等[1][2][3]。(4)采用良好的操作規(guī)程在操作前預(yù)熱模具是十分重要的。不僅可以提高鋼的韌性。同時(shí)也可以減少模具斷面的溫度梯度，以降低模具的熱應(yīng)力。但預(yù)熱模具溫度不能太高，過高的預(yù)熱溫度則會(huì)降低表層的屈服強(qiáng)度，反而會(huì)降低模具的使用壽命。合金的冶煉和保溫也都應(yīng)該嚴(yán)格按操作規(guī)范執(zhí)行，特別是重視精練排氣，減少材料內(nèi)部的裂紋源[3]。要進(jìn)一步提高模具的使用壽命，最重要的就是開發(fā)新的鋼種并運(yùn)用;建立全面的質(zhì)量管理制度，提高職工的綜合素質(zhì)。4小結(jié)模具的多種失效方式是影響壓鑄模具使用壽命的因素,本文結(jié)合工廠實(shí)際情況，通過對壓鑄模具失效及原因分析,系統(tǒng)地提出了若干改進(jìn)方法,進(jìn)而提高模具使用壽命。本文研究的內(nèi)容對提高壓鑄模具的壽命有一定指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn)[1]楊欲國.壓鑄工藝及設(shè)備[D].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[2]賴華清.壓鑄工藝及模具[D].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.[3]李蘊(yùn)林.壓鑄工藝分析及改進(jìn)[D].武漢：華中理工大學(xué)，1993.附件四：重慶理工大學(xué)第十八屆“開拓杯”競賽作品指導(dǎo)教師推見表編號作品名稱壓鑄鋁合金零件失效分析作品類別（A）A、自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文B、科技發(fā)明制作C、哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類學(xué)術(shù)論文與社會(huì)調(diào)查報(bào)告申報(bào)者負(fù)責(zé)人姓名性別所在學(xué)院班級朱建男材料學(xué)院0793-5合作者程星宇男材料學(xué)院0793-5陳玲偉男材料學(xué)院0793-5謝康鵬男材料學(xué)院0793-4指導(dǎo)教師姓名所在學(xué)院黃福祥材料學(xué)院指導(dǎo)教師對作品的推薦意見（包括對作品的真實(shí)性、科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的說明）指導(dǎo)教師簽名：年月日注：1、此表置于作品最后一頁，上報(bào)時(shí)間：9月30日2、教師推薦意見必須手寫。重慶理工大學(xué)第十八屆“開拓杯”參賽作品誠信書論文題目：壓鑄鋁合金零件失效分析作者：朱建該論文應(yīng)系作者（群）在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下，查閱相關(guān)背景書籍，經(jīng)過實(shí)際調(diào)查、試驗(yàn)，獨(dú)立完成的。如若發(fā)現(xiàn)抄襲、剽竊、雷同現(xiàn)象，一律不與參賽，并給予相應(yīng)處分！指導(dǎo)老師簽字：作者簽字：學(xué)院蓋章：校學(xué)生會(huì)科技部2010-

附錄資料：不需要的可以自行刪除課題一數(shù)控銑床入門知識一、教學(xué)要求1、了解華中世紀(jì)星HNC-21M系統(tǒng)數(shù)控銑2、掌握華中世紀(jì)星HNC-21M系統(tǒng)數(shù)控銑3、掌握華中世紀(jì)星HNC-21M系統(tǒng)數(shù)控銑二、教學(xué)內(nèi)容1．1華中世紀(jì)星HNC-21M華中世紀(jì)星（HNC-21M)是一基于PC的銑床CNC數(shù)控裝置，是武漢華中數(shù)控股份有限公司在國家八五、九五科技攻關(guān)重大科技成果一華中I型(HNC-1)高性能數(shù)控裝置的基礎(chǔ)上，為滿足市場要求，開發(fā)的高性能經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置。HNC-21M采用彩色LCD液晶顯示器，內(nèi)裝式PLC可與多種伺服驅(qū)動(dòng)單元配套使用。具有開放性好、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、可.靠性好、性能價(jià)格比高、操作維護(hù)方便的特點(diǎn)。本次課主要介紹HNC-21M的基本配置、技術(shù)規(guī)格、操作臺構(gòu)成以及軟件操作界面。1．1．1基本結(jié)構(gòu)及主要功能(1)數(shù)控單元a)工業(yè)控制機(jī)中央處理器板(CPUBOARD):原裝進(jìn)口嵌入式上業(yè)PC機(jī);中央處理單元(CPU):高性能32位微處理器;存儲器(DRAMRAM):8MBRAM加工緩沖區(qū)；程序斷電存儲區(qū)(FlashROM):4MB(可擴(kuò)至72MB);顯示器.7.5’彩色LCD(分辨率為硬盤:可選(選件):軟驅(qū):1.44M3.5";RS232接口:RS23219200BaudRate;網(wǎng)絡(luò)接口:以太網(wǎng)接口(選件)。b)控制軸數(shù):3軸，最大至4軸(選件):c)伺服接口:數(shù)字量、模擬量接口和串行口，.可選配各種脈沖接口、模擬接口交流伺服單元或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，及本公司生產(chǎn)的串行接口HSV-11系列交流伺服驅(qū)動(dòng)單兀;d)開關(guān)量接口:輸入40點(diǎn)，輸出32點(diǎn);e)其它接口:手搖脈沖發(fā)生器接口、主軸接口、遠(yuǎn)程輸入/輸出接口(選件);f)控制面板:防靜電薄膜標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床控制面板;g)MPG手持單元:4軸MPG一體化手持單元選件);h)NC鍵盤:包括精簡型MDI鍵盤和F1～F10個(gè)功能鍵;i)軟件:華中世紀(jì)星高性能銑削數(shù)控系統(tǒng)軟件。(2)進(jìn)給系統(tǒng)HSV-11系列交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī);各種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元與電機(jī);各種模擬接口、脈沖接口伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。(3)主軸系統(tǒng)接觸器+主軸電機(jī);變頻器+主軸電機(jī);主軸驅(qū)動(dòng)單元+主軸電機(jī)。1.1.2主要技術(shù)規(guī)格最大控制軸數(shù):4軸(X,Y,Z,4TH)最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù):4軸(X,Y,Z,4TH)主軸數(shù):1最大編程尺寸:99999.999mm最小分辨率:0.01um-l0um(可設(shè)置)直線、圓弧、螺旋線插補(bǔ)小線段連續(xù)高速插補(bǔ)用戶宏程序、固定循環(huán)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像自動(dòng)加減速控制((S曲線)加速度平滑控制MDI功能M,S,T功能故障診斷與報(bào)警漢字操作界面全屏幕程序在線編輯與校驗(yàn)功能參考點(diǎn)返回上件坐標(biāo)系G54～G59加上軌跡三維彩色圖形仿真，加上過程實(shí)時(shí)三維圖形顯示加上斷點(diǎn)保護(hù)/恢復(fù)功能雙向螺距補(bǔ)償(最多5000點(diǎn))反向間隙補(bǔ)償?shù)毒唛L度與半徑補(bǔ)償主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度信率控制CNC通訊功能:RS-232網(wǎng)絡(luò)功能:支持NT,Novell,Internet網(wǎng)絡(luò)支持DIN/ISO標(biāo)準(zhǔn)G代碼，零件程序容量:硬盤、網(wǎng)絡(luò):不需DNC，最大可直接執(zhí)行2GB的程序內(nèi)部二級電子齒輪內(nèi)部己提供標(biāo)準(zhǔn)PLC程序，也可按要求自行編制PLC程序。1.2操作裝置1.2.1HNC-21M世紀(jì)星銑床數(shù)控裝置操作臺為標(biāo)準(zhǔn)固定結(jié)構(gòu)，如圖1.2.1所示，其結(jié)構(gòu)美觀、體積小巧，外形尺寸為420X310X110