纵梁成型模具的失效分析及解决方案

徐鹏飞 庞志艳 陈磊 任晓明

摘 要：本文从纵梁弯曲成型模具设计结构及模具材料选择提高模具使用寿命角度出发，对消除模具损伤的失效形式进行了分析，阐述了载重汽车纵梁、车架类等模具的结构特点及模具凹模块入口曲线（Traktrix曲线）结构方案。对模具磨损和零件划伤，提高生产率和降低成本等方面做出分析，本文重点介绍了纵梁模具结构、材料、TD覆层技术以及弯曲成型类模具失效形式。

关键词：工艺；失效分析；模具结构；表面处理工艺

1、纵梁模具的失效分析

模具常见的失效形式主要有：断裂失效；表面损伤失效；变形失效。模具的失效有达到预定寿命的正常失效，也有远低于预定寿命的早期失效。正常失效是比较安全的，而早期失效则带来经济损失，甚至可能造成人身或设备事故，因此应尽量避免。模具在工作过程中可能同时出现多种形式的损伤，导致模具失去正常功能。

1.1 模具材料的化学分析如下

纵梁弯曲成型模具，使用材料为Cr12MoV冷作模具钢， 失效冷弯曲成型模具的化学成分在Cr12MoV 钢的化学成分范围内， 杂质元素硫和磷的质量分数未超标， 不会导致模具的开裂与失效。 由此判断， 该模具的过早失效不是由材料的化学成分引起的。

1.2 模具断口外观分析

观察脆断的断口特征，发现其断口呈银灰色， 宏观组织细密、均匀，未见气孔、夹渣非金属夹杂物和晶粒特别粗大等现象。由此判断， 材料的冶金质量无明显不足（见图二）。

1.3 模具材质的金相分析

观察Cr12MoV金相图（见图三）块状碳化物的分布可知，共晶碳化物呈明显网状分布，且局部有堆积现象，共晶碳化物的这种分布形态，会导致脆性区域的产生，其强度低，塑性、韧性差，不能承受大的冲击力，裂纹很容易在这里萌生与扩展，由于该区脆性大，并且容易产生应力集中，所以成为裂纹产生的主要原因，大大地降低了模具的使用寿命。同时，共晶碳化物的不均匀性还使模具的力学性能呈各向异性，极易引起模具在热处理和使用过程中发生畸变开裂，致使模具不均匀磨损和崩刃，最终导致模具早期失效。

1.4 模具工作中产生失效的原因分析

模具投入使用后，在工作压力比较大的拉伸成形时，拉伤现象表现得尤为严重，通过对模块使用情况进行对比统计分析，发现凹模圆角位置属于应力集中点，最易出现划伤损坏情况见，图四、图五。纵梁、车架类等模具在弯曲成型过程中不可避免要产生磨损和划伤，直接影响产品质量，因大梁弯曲成型模具的热处理硬度相对较低，批量生产后大梁模具的凹模块表面会出现划痕并对大梁翼面造成划伤。从宏观角度上观察由于模具工作时，凸模与气垫板先将大梁板料上下面夹紧，然后拉入凹模块中，其间会产生大量的摩擦热，同时由于大梁板料自身携带的毛刺、氧化皮及熔渣易对大梁凹模块表面产生划伤进而造成大梁翼面划伤，使大梁划伤处形成应力集中点，严重时可造成大梁断裂，同时降低了模具使用寿命。从微观角度上观察由于模具工作时，模具凸、凹模与被加工材料表面相互接触并相对滑动，组成一对摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的，总存在可以测到的粗糙度，所以真正的接触只发生在微观接触面上。分析表明，微观真实接触面积只是名义上的几何接触面积的一小部分，在此微观接触面产生很大的机械应力，这些应力由于切向相对运动还会加强，以致受到负荷作用的粗糙面凸峰发生弹性或弹塑性变形，这样磨擦副双方表面的吸附层或反应层会遭到破坏，结果使暴露在表面的原子键联结或多或少地得到了加强，这种现象称为粘着作用。当摩擦副发生相对运动时，这种原子键又会相互脱开，其结果是材料从磨擦副的一方转移到磨擦副的另一方上去，这就是所谓的粘着磨损。实验证明，出现粘着磨损的磨擦副的表面非常粗糙，并有拉伤，其程度与法向力、磨擦副之间相对运动速度以及温度等负荷参数有关。当以上负荷参数超过了临界值时，粘着磨损突然加剧，出现所谓胶合现象，极端情况磨擦副间的相对运动停止，出现咬死现象。由上分析可见，纵梁成形时表面出现拉伤或咬死现象就是粘着摩损所引起的结果。纵梁成形时表面出现拉伤或咬死现象就是粘着摩损所引起的结果。都会在模具凸、凹模表面形成机械的磨损，磨损部位主要出现在凹模、凸模、凹模圆角半径处。由于纵梁表面与模具凸、凹模表面粘着磨损而形成的拉伤，这是生产中最常见而又最不容易解决的一种情况。

据以上的失效分析可以知，导致纵梁弯曲成形模具失效原因主要有两个：一是由于在弯曲成型过程中应力集中现象导致主要受力点凹模圆角位置出现裂纹；二是由于粘着磨损，在弯曲成形过程中由于纵梁与模具之间的产生滑动产生大量摩擦热，导致凹模圆角半径表面出现划伤。

2、纵梁弯曲成型模具结构及模具表面处理方式

针對上述两个原因，从两个方面寻求解决方案，一对模具凹模圆角结构进行设计，二是改进模具的表面处理工艺。

2.1 针对易损伤位置的模具结构设计

该模具凹模入口结构具有以下特点：按照传统的弯曲模结构，弯曲凹模入口部位通常采用标准圆弧半径和椭圆曲线为入口形状，这种形状对于薄、厚料或较大尺寸零件的弯曲过程中在弯曲部位会出现“冲击痕”或压痕现象，严重影响产品质量。依据图二受力情况分析及精确计算（计算略），采用Traktrix曲线作为凹模入口部位形状并将它与习惯采用的圆弧形状作对比就可以得出以下结论：模具对弯曲零件的挤压力减小，避免了零件表面产生划伤、压痕、凹坑等缺陷，提高了模具的使用寿命。

2.2 模具的表面处理工艺改进

减少粘着磨损所采取的一些基本措施：减少接触副之间的负荷，包括机械与热负荷。当使用金属配对副时，应优先采用体心立方或六方体结构的材料，避免采用面心立方结构的材料。同时采用润滑油膜使接触副隔开使接触副表面上形成保护性的吸附层或反应层。

模具TD覆层表面处理通过对模具凸、凹模进行表面超硬化处理是解决零件表面拉伤问题经济而有效有方法。TD覆层处理国内又名熔盐渗金属、渗钒等，其原理是通过热扩散作用于模具表面形成一层数微米到数十微米的碳化钒覆层。主要特点是：① 覆层硬度较高，硬度可达3000HV左右，具有极高的耐磨、抗拉伤、耐蚀等性能；② 由于是通过扩散形成的，所以覆层与基体具有冶金结合，这一点对在成形类模具上的应用极其重要；③ TD覆层处理后可以直接进行淬火，这一点特别适合于各类模具钢材；④ TD覆层处理可以重复进行。大量的实践证明，在成形类模具上采用该技术具有其他表面处理无法比拟的使用效果，在一些场合具有比硬质合金更好的效果。

3.模具结构及表面处理工艺改进前后模块状态对比

通过多年大梁的生产和对大梁弯曲模具工作部分的观察和研究，我们认为采用Traktrix曲线技术和TD覆层处理后的大梁模具从根本上解决了大梁模具划伤失效问题，大幅度提高了大梁模具的使用寿命，取得了优异的使用效果。

4.结束语

模具的失效，是模具表面拉伤和粘着磨损的结果，解决模具表面拉伤和粘着磨损问题的方法较多，应根据情况具体予以选择。采用合理的模具材料、结构及TD覆层处理是目前解决模具失效问题最有效、最经济的方法。

作者简介：

徐鹏飞，性别：男，出生年月日：1984年7 月 8 日，职称：工程师，现就职于北奔重型汽车集团有限公司技术中心底盘所，从事商用车悬架系统设计开发工作。