模具的失效形式与修复分析

董兵天

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

模具的失效形式与修复分析

董兵天

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

模具在我国的工业生产中扮演着重要角色，对于我国工业生产有着重大的意义，在近几年，有关模具的失效现象越来越严重，因此目前需要探究模具的失效形式以及失效因素，并且拿出修复措施，保证模具在工业生产中的功效，促进我国的工业发展。

模具；失效；因素；修复

让模具的使用寿命得到延长，对于我国工业的经济效益与生产效率具有重要作用，模具使用寿命长短是模具质量最为直接的体现，它影响着产品的生产质量，还影响这产品的生产成本与生产效率。面对着当前工业技术的高速发展，高精度、高速以及高效的塑性加工工艺的出现，这对于模具提出了更高的要求，因此目前需要延长模具使用寿命，找出失效因素并且提出修复措施，保证模具的使用寿命。

1 模具使用寿命与模具失效形式

1.1 模具使用寿命

在模具的正常使用中，生产出合格产品的数目称为模具正常使用寿命，在进行首次修复前生产出合格产品的数目称为模具首次寿命，第一次修复到第二次修复之间生产出合格产品的数目称为修模寿命，各次的总和加起来成为模具使用寿命。模具使用寿命与模具的结构、形貌以及类型有关，它也是在这一时期内，模具材料冶金水平、模具材料性能、模具锻造技术、模具设计思路与方案、模具热处理水平、模具制造技术水平、模具工程系统管理水平以及模具使用与维护水平的综合表现，能够对模具寿命产生影响的因素有很多，模具的成型工艺、设计结构、模具的制造材料、表面强化处理技术、模具的强韧处理技术与热处理质量、零件的制造精度以及模具自身的制造质量、制造工艺、维护与使用、调整与安装等，这些都会影响模具使用寿命，模具使用寿命也会影响生产成本与生产效率。

1.2 模具失效形式

模具因为各种原因而造成损坏或磨损，导致不能继续生产产品被成为模具失效，模具的失效形式可以分成正常失效与非正常失效，正常失效指的是模具经过较长时间的使用，由于蠕变、塑性变形、疲劳断裂以及均匀磨损等原因致使其不能够继续进行使用；非正常失效指的是模具在投入使用后没有达到工业技术水平认为的使用寿命便无法进行使用，这一失效也被称作早期失效，它的主要表现形式为磨损严重、塑性变形以及断裂等。对模具的失效形式、机理以及规律等方面进行研究的目的就是避免与防止模具的非正常失效，并且对失效原因进行寻找，从当前的模具失效形式来看，它主要包含了磨损失效、塑性变形失效、断裂失效以及疲劳失效。

1.2.1 磨损失效。这是指模具在使用过程中因为自然磨损、摩擦而导致的失效，是较为正常的失效形式，可以被分为初期、正常、急剧这三个阶段。在对一些硬材料、脆材料（高碳钢、硅钢、云母等）进行加工时，会因为碳化物以及硬粒的脱落而对模具造成磨粒磨损，对金属材料进行加工时，会造成黏性磨损的状况，为了降低这些磨损应该选择抗回火软化力较强的材料，对模具表面也要进行硬化处理，增强模具表层的耐磨性、硬度以及自润滑性。

1.2.2 塑性变形失效。当模具承载超过自身负荷时就会发生塑性变形，模具尺寸也会失去它原来的准确性，继而导致模具失效，例如凸模弯曲、局部压塌、模具产生褶皱、凸模镦粗等都会产生塑性变形。

1.2.3 断裂失效。这对于模具来说是最为严重的，是裂纹进行拓展而导致的最终结果，按照断口与断裂力学可以分为以下三个种类，断裂性质、断裂机理、断裂路径，断裂性质包含脆性断裂与塑性断裂，断裂机理包含疲劳断裂与一次性断裂，断裂路径包含混晶断裂、沿晶断裂与穿晶断裂。脆性断裂是其中最为常见的一种形式，它在断裂时会造成塑性变形，其中包括疲劳断裂与一次性断裂。疲劳断裂会在模具强度最低、应力最高的部分发生，模具的断裂纹在模具的外表面与次表面产生，当模具受力不均匀时，它的内部就会出现应力的集中，当这一过程重复时，在应力的集中点就会出现裂纹，模具被反复的使用，裂纹也在逐渐的加大，这就会导致模具发生疲劳断裂。一次性断裂分为沿晶断裂与穿晶断裂。当杂质聚集以及晶界内物质沉淀时就容易发生沿晶断裂，当模具表面收到超负荷冲击时会发生穿晶断裂。

2 模具失效主要因素

2.1 热处理引起的模具失效

如图1所示，淬火温度的过高会导致钢晶粒膨胀，韧性下降，这可能会导致模具的断裂与崩刃，如果在高温下没有足够的保护措施，那么模具就会发生脱碳的现象，这对于模具的冷热疲劳寿命与耐磨性都是极大的降低，模具的回火处理不充分也会导致模具韧性的下降，造成模具断裂。一些模具以钢作为主要材料，钢含有大量的合金元素与碳元素，导热性较差，因此对于模具的加热需要缓慢的进行，保证模具不能发生开裂、变形等现象，并且需要使用装箱对加热进行保护，模具的加热速度如果控制不好很容易造成裂纹或变形，因此必须要对这一点进行预防。

图1

2.2 机械加工引起的模具失效

2.2.1 磨削加工。如果磨削速度过快，冷却条件较差或者砂轮粒过细，那么就会造成磨削表面过热以及磨削表面软化，造成硬度降低的现象，这就导致模具在使用时会因为磨损严重而产生裂纹，造成模具的早期失效。在一般情况下，磨削加工在热处理加工后才能够进行的，如果之前的热处理加工中存在不足，例如淬火温度过高、没有立即回火，这些都会导致模具收到磨损，减少模具使用寿命。

2.2.2 切削加工。模具的一些部位在加工中经常会造成刀痕，这就会导致这些部位应力集中，在之后的热处理加工中造成开裂。如果削切加工操作不当，切削量不足，就会造成脱碳层强度低，模具在使用中也容易造成开裂。

2.2.3 电火花加工。由于放电会释放出大量的热量，模具在进行电火花加工时有些部位也会被加热到很高的温度，这就会导致模具中的部分组织产生变化，由于电火花加工而形成一个异常层，这其中存在这较大的应力与裂纹，这些会对模具的抗疲劳能力有一个较大的影响，造成模具出现早期失效的情况。

2.3 模具设计不合理引起的模具失效

2.3.1 模具选材。部分钢材中的夹杂物是造成模具裂纹的根本原因，这其中包括了硅酸盐以及部分氧化物，在热加工与热处理中会造成裂纹并且导致它的扩大，最终导致模具的开裂。一些钢材由于自身质量原因在热加工与淬火中会发生脱碳的现象，这就造成了钢材外层与内层组织不同，也容易引发模具的开裂。

2.3.2 模具设计。有些模具在设计时尖锐转角过大，引发应力集中，这就很容易导致模具出现早期失效的情况。很多模具的截面过大，就会造成模具的断面与薄壁过薄，模具整体强度不够，导致模具开裂。

3 模具失效的修复途径

3.1 电刷镀修复技术

电刷镀在无糟与常温条件下，在模具表面利用电化学将金属快速沉积或者将合金镀金的一种方法，这一修复途径具有工艺简单、操作灵活、设备简单、金属沉积速度快、镀层硬度与抗腐蚀性高、镀层表面粗糙度低等优点，使用这一方法对模具进行修复，不仅能够提高模具质量，还能够对模具的磨损部分进行修复，例如锈斑磨损、拉毛沟槽等，在修复后模具的硬度、耐磨性、表面粗糙度都能够得到提升，而且费用较低。目前的电刷镀可以在不拆卸模具的情况下进行，对模具质量有着足够的保证。

3.2 热喷涂修复技术

模具在高温状态下，承受着挤压、磨损、冲击等过程时极容易产生损坏，降低模具的使用寿命，模具表面的损坏是可以进行修复的，并且可以延长模具原有的使用寿命。等离子弧喷涂、火焰喷涂以及超声速喷涂是热喷涂修复技术的主要模式，将非金属或者金属材料进行加热致使其融化而形成熔滴，并且以高速向模具表面进行喷射，形成金属涂层，修复模具损毁。

3.3 堆焊修复技术

这一方法是指将金属直接与模具损毁处进行焊接，对模具进行修复，并且得到所需的规格与性能，堆焊修复技术价格较低，生产周期较短，因此在模具修复中得到了广泛的利用，它分为火花堆焊与电弧堆焊两种，在堆焊工作完成后应该进行应力退火，避免裂纹的产生。目前很多旧模具需要通过翻新制作来拥有新型模具的功能，在很多时候都需要对模具有所调整，这时也需要应用到堆焊技术，对模具进行镜面加工、花纹加工以及削切加工。

3.4 激光熔覆修复技术

这一技术是利用激光对模具表面进行辐照，让涂覆材料进行熔化，能够与模具表面结合并且凝固，在模具表面形成一层特殊物质，这种物质具有力学、物理以及化学性能，激光熔覆技术不仅可以对损毁的模具表面进行修复，还能够对模具表面进行改性。激光束能量较高，对模具表面的影响较小，不会对模具形成大规模的损坏，而且加热与冷却较快，可以满足各种环境，适应多种需求，而且可以对局部表面的损毁进行密封边处理，对于材料也没有过高的要求，这对模具修复来说具有很大的作用。

[1]喻红梅，刘海琼，周红梅，王静 .模具修复再制造技术研究应用现状 [J].电焊机 , 2014,(11): 17-18.

[2]陈 望 .表 面 技 术 在 模 具 修 复 中 的 应 用 研 究 [J].技 术 与 市场 ,2016,(5): 63-64.

[3]邬天荣，吴晓春，陶立民，孙文娟，马栋柱，曹韵牧 .冷作模具焊补修复再制造技术的研究 [J].上海金属，2010,(3): 32-33.

TG76

A

1671-0711（2017）07（下）-0078-03

2015年 “甘肃省科技计划资助”项目《等离子堆焊在高合金模具轧辊修复中的应用研究》 项目编码：1504GKCC121。