冲压模具的几种失效形式

模具因某种原因损坏，或者模具损伤积累至一定程度导致模具损坏，无法继续服役，称为模具的失效。 在生产中，凡模具的主要工作部件损坏，不能继续冲压出合格的工件时，即认为模具失效。 冲压模具的失效形式一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。

模具的失效按照发生时间的早晚，大致可分为两类：正常失效和早期失效。

模具经过大量的生产使用，因摩擦而自然磨损或缓慢地产生塑性变形及疲劳裂纹，达到正常使用寿命之后失效是属于正常的现象，为正常失效。模具未达到设计使用规定的期限，既产生崩刃 、碎裂、折断等早期破坏；或因严重的局部磨损和塑性变形而无法继续服役，为早期失效。对于早期失效的模具，必须查找其产生的原因，努力采取补救的措施。

11.1.1 冲压模具的工作条件及失效形式

一.冲裁模的工作条件及失效形式

1. 冲裁模的工作条件

冲裁模具主要用于各种板料的冲切 。从冲裁工艺分析中我们已经得知，板料的冲裁过程可以分为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和剪裂阶段 ( 见图2.1.3) 。

在弹性变形阶段，当 凸模对 板料施加压力时，由于 凸 模和凹模之间存在间隙，受力部位不在同一垂线上，图2.1.1 所示力臂为 l 。板料会在弯矩 M 的作用下产生翘曲，与 凸 模端面的中心部分脱离接触，。这时板料只和模具的 凸 、凹模刃口部分相接触，压力集中于刃口附近。在冲裁过程中，由于板料的弯曲，模具的受力主要集中于刃口附近的狭小区域。凸 、凹模刃口区域不仅位于最大端面压应力和最大侧面压应力的交聚处，而且也处于最大端面摩擦力和最大侧面摩擦力的交汇处，工作时刃口承受着剧烈的压应力和摩擦力作用。

2. 冲裁模的主要失效形式

模具刃口所受作用力的大小和板料的力学性能、厚度等因素有关。考虑到板料厚度对模具冲裁负荷的影响，通常可以将冲裁按板料的厚度分为薄板冲裁 (t ≤ 1.5mm) 和厚板冲裁 (t ＞ 1.5mm) 。

对于薄板冲裁模，由于模具受到的冲击载荷不大，在正常的使用过程中，模具因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式。磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段。对应于三个阶段，刃口的损伤过程如图 11-3 所示。

a ）局部塑变 b ） 摩擦磨损 c ） 疲劳损坏

（初期磨损阶段） （正常磨损阶段） （急剧磨损阶段）

图 11.1.1 冲裁时刃口的损伤过程

（1） 初期磨损阶段

模具刃口与板料相碰时接触面积很小，刃口的单位压力很大，造成了刃口端面的塑性变形，一般称为塌陷磨损。其磨损速度较快（见图 11.1.1a ）。

（2） 正常磨损阶段

当初期磨损达到一定程度后，刃口部位的单位压力逐渐减轻，同时刃口表面因应力集中产生应变硬化，（见图 11.1.1b ）。这时，刃口和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要磨损形式。磨损进展较缓慢，进入长期稳定的正常磨损阶段，该阶段时间越长，说明其耐磨性能越好。

（3） 急剧磨损阶段

刃口经长期工作以后，经受了频繁冲压会产生疲劳磨损，表面出现了损坏剥落（见图 11.1.1c ）。此时进入了急剧磨损阶段，磨损加剧，刃口呈现疲劳破坏，模具已无法正常工作。模具使用时，必须控制在正常磨损阶段以内，出现急剧磨损时，要立即 刃 磨修复。

随着刃口的磨损，工件的毛刺高度会不断增加，因此实际生产中，可以通过观测毛刺高度的大小来推断模具刃口的磨损量，在冲裁件达到质量允许的毛刺极限值时即进行刃 磨。

从磨损机理上分析，凸 、凹模的磨损主要是粘附磨损和磨粒磨损。粘附磨损是在模具刃口在与板料的相对摩擦运动过程中，由于高压产生了局部的相互粘着和咬合现象当接触面相对滑动时，粘附部分便发生剪切引起磨损。磨粒磨损是指模具工作时表面剥落的碎屑嵌入工作部件表面，成为磨料，使其逐渐磨损的过程。冲裁硬度较高的金属材料（如高碳钢、硅钢）时， 因材料 的硬粒或碳化物剥离而产生磨粒磨损。当冲压高韧性材料（如奥氏体不锈钢）时，易产生粘附磨损。

一般情况下，凸模的磨损要快于凹模，这是因为凸模刃口处的承力面积小于凹模，在同一冲裁力的作用下，凸模刃口处单位面积承受的压应力要比凹模刃口处更大一些；同时，在每一次冲裁过程中， 凸模都 要切入并退出板料，前后经历两次摩擦，而凹模和板料的分离部分仅发生一次摩擦。 而且，凹模的淬火硬度通常高于凸模，这一切使得凸模的磨损要比凹模更快。

此外， 凸模退出板料时，需要有一定的卸料力将板料从 凸模上 卸下，卸料力与作用在凸模上的其它压应力不同，是唯一的拉应力，使凸模在反复拉、压应力的作用下产生疲劳磨损，这也是致使凸模崩刃的原因之一。

对于厚板冲裁模，由于凸 、凹模受到的作用力增大，在过大应力的作用下，不仅会产生磨损，而且可能造成刃口变形、疲劳崩刃等现象。当冲裁 凸模较 细长时，还会引起弯曲变形或折断，如图 11.1.2所示。

a) 崩 刃 b) 弯曲 c) 折断

图 11.1.2 凸 模断裂和塑性变形

二. 拉深模的工作条件及失效形式

1. 拉深模的工作条件

拉深模具主要用于金属板料的拉深成形，拉 深过程 中模具的受力状态如图 11-5 所示。拉深时 凸 模下压板料毛坯，拉 深力通过凸 模底部和 凸模 圆角部位传导给毛坯，板料毛坯的外缘部分通过凹模端面与压边 圈之间被拉入凸模与 凹模之间的间隙。在 拉深力 P 动 、压边力 P 压 以及 毛坯与模具工作部件相对运动产生的动摩擦力的作用下， 凸 模圆角半径处受到压力 P 1 和摩擦力 F 1 ；凹模圆角半径处受到压力 P 2 及摩擦力 F 2 ；凹模端面部位 半受到 了压力 P 3 和摩擦力 F 3 ；压边圈与板料相接触的部位受到了压力 P 4 和摩擦力 F 4 的作用。

图 11.1.3 拉深时模具的受力

在拉深开始阶段， 凸 模圆角半径处的板料被弯曲拉伸并作相对运动，摩擦力 F 1 使 凸 模圆角半径受到磨损。随着拉深的进一步进行，已变形板料紧贴凸模圆角半径部位并开始产生应变硬化，相对运动大大减弱，摩擦力变小。但是在整个拉深过程中，凹模圆角半径处、凹模端面以及压边圈相应部位始终与板料作相对运动，产生剧烈摩擦，压应力和摩擦力都很大，因此凹模与压边圈的磨损现象始终存在。

2. 拉深模的主要失效形式

由于拉深模具的工作部件没有刃口，受力面积大，工作时无严重的冲击力，因此， 拉深模不易 出现塑性变形和断裂失效。但是工作时存在着很大的摩擦，拉深模具的主要失效形式为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主，是拉 深过程 中常出现的问题和模具失效的重要原因。粘附磨损的部位发生在 凸 模、凹模的圆角半径处，以及凹模和压边圈的端面，其中以凹模和压边圈的端面粘附磨损最严重。模具与工件表面产生粘附磨损后，脱落的材料碎屑会成为磨粒，从而伴生出磨粒磨损。磨粒磨损将使模具表面更为粗糙，进而又加重粘附磨损。

从显微观 察看，模具和坯料的表面都是凹凸不平的，由于模具表面的硬度高于坯料，相互挤压摩擦时会将坯料表面刮下的碎粒压入模具表面的凹坑。在拉 深过程 中，坯料的塑性变形以及坯料和模具工作部件表面的摩擦，会产生出热能。特别是在某些塑性变形严重和摩擦剧烈的局部区域，所产生的热能造成了高温，破坏了模具和坯料表面的氧化膜和润滑膜，使金属表面裸露，促使材料分子之间相互吸引，并使模具表面凹坑里的坯料碎屑熔化，和模具表面焊合，形成坚硬的小瘤，即粘结瘤。这些坚硬的小瘤，会使 拉深件表面粗糙度 变差，严重时将在产品的表面 刻划 出刻痕，擦伤工件，并且加速模具的不均匀磨损，这种失效形式又 称为粘模 。此时，需对模具进行修磨，除去粘附的金属。 拉深模的 重要问题，就在于如何防止粘附的金属小瘤。

在拉深工作中，出现拉深粘模的问题，与被拉深坯料的化学成分、所使用的润滑剂及模具工作部件的表面状况等因素有关。镍基合金、奥氏体不锈钢、 坡莫合金 、精密合金等材料拉深时极易 发生粘模 。为保证产品的质量， 拉深模的工作部件表面不允许出现磨损痕迹，必须具有较低数值的表面粗糙度和较高的耐磨性。

三. 冷挤压模的工作条件及失效形式

1.冷挤压模的工作条件

冷挤压模具工作时，将大截面的坯料挤压为小截面的工件，坯料受到强烈的 三向压应力 作用，发生剧烈的塑性流动，由于被挤压材料的变形抗力较高，如钢的冷挤压，其变形抗力高达 1960MPa 以上，使模具承受强大的挤压反作用力和摩擦力。摩擦功和变形功转化成热能， 使模具表面升温达 300℃左右（局部可达300℃以上）。此外，每一次挤压过程都是在很短的瞬间完成的，从而使模具在工作时温度升高，不工作时温度又下降，就是说模具还承受着冷热交变温度和多次冲击负载的作用。如此严酷的工作条件，使得冷挤压模具的使用寿命比其它模具要低。

2. 冷挤压模的主要失效形式

冷挤压模具的 凸 、凹模由于受力状况有所不同，所以失效形式有所差异，一般 凸 模易于折断，凹模易于胀裂。冷挤压凸模的失效形式主要有折断、磨损、 镦粗 、疲劳断裂和纵向开裂；冷挤压凹模的失效形式主要有胀裂和磨损。

冷挤压模具的磨损主要是磨粒磨损和粘附磨损，磨损主要发生在 凸 模的工作端部和凹模内壁。模具表面温度的升高可能会使模具材料的表层软化，从而加速磨损失效的过程。

冷挤压时， 凸模可能 在弯曲应力或应力集中的作用下折断，或因脱模时的拉应力拉断。 凸模肩部由于承受很高的压应力和摩擦力，易产生麻点和磨损，成为导致凸 模折断的 疲劳源 。若凸模选材或热处理不当，在压应力和弯曲应力的作用下，将产生纵向弯曲或 镦粗，镦粗一般 发生在 距工作 端部 1/3~1/2 凸模工作 长度处。一旦发现 凸模镦粗 ，应立即重磨。如果 凸模因 抗压强度不够 发生镦粗 ，在工作部位表面会产生拉应力，引起表面纵裂。若继续挤压，裂纹将扩展并连接起来，造成掉块（凹模表面成片剥落）。

若凹模抗拉强度不够，挤压时在切向拉应力的作用下，会产生胀裂（纵向开裂）， 凹 模型 腔 变化的部位会发生横向开裂。如果采用预应力组合凹模，长期工作中内层凹模型腔内壁会因拉、压交变循环的切向应力作用导致疲劳开裂。

任何模具，其失效形式并非一成不变。模具在服役过程中，在不同的部位，会承受不同形式的作用力，可能导致出现多种损伤形式并存的现象。

由于模具材料的性能、模具的结构、制造工艺、压力加工设备的特性和加工操作方法的不同，各种损伤形式的发展速度有很大的差异，多种损伤形式的相互促进会加速模具的失效。因此，同样的模具可能会导致完全不同的失效形式和服役寿命。

对模具进行失效分析，不仅要查明其失效形式、失效原因及影响因素，还应当了解其它可能导致损伤的原因及影响因素，掌握全面的情况。在克服某一种失效形式时，还要防止其它损伤的发展，以确保和延长模具的服役期限。

11.1.2 影响冲压模具寿命的因素及提高冲模寿命的措施

一. 影响冲压模具寿命的因素

模具因磨损或其它形式失效，不可修复而报废之前所加工的产品件数，称为模具的使用寿命。为了提高冲压模具的寿命，必须对已失效的模具进行分析，了解和掌握失效的原因和影响模具寿命的主要因素。

1. 模具材料的影响

（1） 模具材料性能的影响 各种模具材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断裂抗力、冷热疲劳抗力等性能均有所不同，材料的性能必须满足模具的具体使用要求，否则将导致模具的早期失效。如模具工作在循环载荷下时，使用疲劳抗力差的材料将会萌生疲劳裂纹，裂纹的不断扩展将引起模具的断裂失效。

（2） 模具钢材冶金质量的影响 若钢中含有强度低、塑性差的非金属夹杂物，则容易形成裂纹源，引起模具早期断裂失效。 当钢中 的碳化物过多，形成网状、大块状或带状 偏析时 ，将严重降低钢的冲击韧度及断裂抗力，引起模具的早期断裂、崩块及开裂等。钢材中存在中心疏松和白点，会降低模具的抗压强度，使模具淬火开裂及工作表面凹陷。

2. 模具结构的影响

（1） 模具几何形状的影响 模具的几何形状对成形过程中坯料的流动和成形力产生很大的影响，从而影响模具的寿命。如图 11-8 所示为三种形状的反挤压凸模其中 a 、b 两种结构的 凸模比c 结构的 凸模降低 挤压力 20% ，但 a 、 b 两种结构的凸模端面倾斜角不能过大，否则虽然降低了挤压力，但凸模容易因挤偏受到弯曲应力而折断。

a) 整体式 b) 组合式

图 11.1.4 挤压 凸模结构 形式

（2） 模具间隙的影响 模具的凸凹模工作间隙不仅影响工件的质量，还影响模具的寿命。例如 拉深模的 间隙过小将增加摩擦阻力，易擦伤工件表面，并增大了模具的磨损。冲裁模的间隙过小会加剧凸凹模的磨损，降低模具的使用寿命。

（3） 结构形式的影响 模具的结构形式不合理将导致应力集中而断裂失效。如图 11-9a 所示为正挤压空心工件的整体凸模，挤压时极易 在心轴根部产生应力集中而折断。改为图 11-9b 所示组合式，消除了应力集中，可以防止模具的早期断裂失效。

3. 模具制造工艺的影响

（1） 锻造工艺的影响 如果锻造工艺不合理，会降低钢材的性能，造成锻造缺陷，形成导致模具早期失效的隐患。常见的锻件表面缺陷有裂纹、折叠、凹坑等，内部缺陷有组织偏析、流线分布不合理、疏松、过热、过烧等。

锻造时 镦击力 过大，变形量过大，易产生裂纹。加热不均，温度过高会产生材料晶粒粗大的过热现象、或导致晶界熔化和氧化的过 烧现象 。 停锻后冷却 速度过快容易开裂，特别是高碳高合金钢，锻造温度范围较窄，操作不当极易开裂。 锻造不充分会产生组织应力，热处理时也易发生变形开裂。若模具材料中的非金属夹杂物锻压后，流线分布走向与 凸 模轴线垂直，则可能引起横向折断；如果分布走向与轴线平行，则可能发生纵向劈裂。

（2） 加工工艺的影响 切削加工时没有彻底去除材料表面脱碳层，将会降低模具的表面硬度，加剧了模具 磨裂及淬裂 的倾向。切削的表面粗糙、尺寸连接处不光滑，或留有尖角和加工刀痕，将萌生疲劳裂纹，造成模具疲劳失效。磨削加工时进给量过大、冷却不足则容易产生磨削裂纹和磨削烧伤，减低模具的疲劳疲劳强度和断裂抗力。电火花 成形及线切割 加工，会使模具表面产生拉应力和显微裂纹，导致表面剥落和早期开裂。 若材料 淬火后的内应力很高，电火花加工时应力会重新分布，引起模具变形或开裂。

（3） 热处理工艺的影响 模具淬火加热时温度过高，容易造成模具的过热、过烧，冲击韧度下降，导致早期断裂。如果淬火温度过低，会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力，容易造成模具的塑性变形、磨损失效。淬火加热时不注意采取保护措施，会使模具表面氧化和脱碳，脱碳将造成淬火 软点或软区 ，降低模具的耐磨性、疲劳强度和抗咬合能力，影响其使用寿命。淬火冷却速度过快或油温过低，模具容易产生淬火裂纹。如果回火温度太低，而且不够充分，将无法消除淬火过程中的残余应力使模具的韧性降低，容易发生早期断裂。

4. 模具工作条件和使用维护的影响

（1） 被加工材料的影响 被加工材质的不同、厚度的不同对模具寿命有很大的影响。被加工材料的强度越高、厚度越大，模具承受的力也越大，模具的寿命相对较低若被加工材质与模具材料的亲和力大，在冲压成形过程中会和模具发生粘附磨损，降低模具的寿命。如用 Cr12MoV 钢制作 拉深模 ，拉深镍基合金钢板时，极易产生粘附咬合及拉毛现象，改用 GT35 钢结硬质合金 制作拉深凹模，粘附咬合倾向大为减轻，提高了模具的寿命。

被加工材料的表面状态，对模具的磨损也有很大的影响。采用表面没有氧化黑皮、脱碳层，仅有极薄的氧化膜或磷化膜的坯料，对模具冲压最为有利。如用 T10A 钢为工作部件制造的冲裁模，冲裁表面光亮的薄钢板时，每 刃磨一次可冲 3 万件 ，冲裁同等厚度的热轧钢板时，由于表面有氧化黑皮，每次刃磨只能冲裁 1.7 万件左右。

（2）冲压设备特性的影响 冲压设备的刚度和精度对模具的寿命影响极大。 开式压力机为 C 型框架，刚度较差。在冲压力的 作用下易产生 变形，造成上、 下模中心线 不重合，模具工作间隙不均，甚至啃刃 、崩 刃 。此外，冲裁过程结束的瞬间，载荷急速锐减，压力机在冲压过程中积聚的变形能量突然释放，造成上、 下模间 的冲击振动，即所谓“失重插入”现象，这也加剧了模具的磨损。因此，精密冲裁或使用硬质合金冲裁模具时，最好采用刚度较好，精度高的闭式压力机。

（3）润滑条件的影响 良好的润滑条件可以有效降低摩擦力、摩擦热和冲压力，减少模具的磨损，显著提高模具的使用寿命。如冲裁硅钢片时，采用润滑的模具寿命大约是无润滑模具的10 倍。使用的润滑剂和润滑方式是否适当，对模具的使用寿命影响很大。如不锈钢表壳 挤光模 ，工作时采用机油润滑，模具寿命只有 80 件；改用二硫化钼配制润滑剂，使用寿命可达 1 万件。

二. 提高冲模寿命的措施

对于拉深模 ，粘附磨损是拉深模具失效的重要原因，一般粘附易发生在性质相近的材料之间，所以应根据被拉深材质的不同，选择相应的模具材料，。如果被拉 深材料 为有色金属，模具材料可以选用铸铁、钢材和硬质合金；若被拉深材料为黑色金属，则模具材料选用有色金属、硬质合金以及与其亲和力小的钢铁材料。

对于冷挤压模，如果模具承受的单位挤压力很大，则应使用高淬透性的材料如基体钢、高速钢，否则未淬硬的材料心部会引起模具塑性变形。如果 凸模受偏心力较大 ，则应选用高强韧性的材料。挤压工件形状复杂、生产批量大或者被挤压坯料强度高，选择硬质合金 或钢结硬质合金 可以提高模具的寿命。

冷镦模在选材上，应注意钢的原始组织和化学成分，钢材不应有原始组织缺陷， 如偏析、夹杂和少量缩孔等。在高负荷条件下工作的冷镦模 ，模具用钢要有较高的纯度，硫、磷含量要严格控制。 一般钢材含碳量在 0.8 ～ 0.9%韧性较好，含碳量在0.95 ～ 1.05%为硬韧，含碳量在1.05 ～ 1.15%为硬性，大型模具含碳量取下限， 小型模具取上限。

（1） 合理设计模具

在保证冲裁工件质量的前提下，冲裁模具应尽可能选用较大的冲裁间隙，以降低冲裁力，减小模具的磨损。为了提高凸模的刚度，加强其抗偏载能力，以防止工作时凸模弯曲变形或折断。一般 凸 模头部截面积和尾柄部截面积大约分别取为工作端面面积的 2倍和4倍，必要时对凸模进行 导向保护。可以采用弹性卸料板，对板料施加一定的压边力，以减少因板料滑移或翘曲对凸模的作用力。为确保冲压过程中冲裁间隙均匀，避免啃刃和刃口的不均匀磨损，可选用精确的模具导向装置，例如使用滚珠 导柱导套 。

拉 深模的凸 、凹模间隙设计要合理：间隙过小，摩擦阻力增大将使模具磨损加剧；间隙过大，则使制件起皱而加大模具的磨损；间隙不均，在模具工作中会产生不均匀内应力，使模具的使用寿命下降。模具的工作表面硬度要高，以减少磨损。模具的 的表面粗糙度值要低 ，同时被拉深板料的表面粗糙度值也要低一些，以减少拉深时的摩擦阻力，有利于拉深件的 塑性成形并提高模具的寿命。

冷挤压模具的结构必须有足够的强度、刚度、可靠性和良好的导向性。采用最佳的凸模形状，条件许可的情况下采用工艺轴，变单纯正挤压或反挤压为复合挤压，以降低单位挤压力。挤压凸模不易过长，防止纵向弯曲。模具工作部件的过渡部分 应设计 足够大的圆角半径，避免尖角过渡产生应力集中现象。凹模易横向开裂部位应采用分割式结构，以消除应力集中。采用预应力组合凹模结构以防止内层凹模的纵向开裂。采用阶梯式组合凹模比同尺寸的平口组合凹模具有更大的承受径向内压力的能力。

在冷镦模的凹模入口处，尽量设置足够大的渐变圆角，避免应力集中，并在出模方向上作出拔模斜度 。以利于 坯料在型腔内 的流动及降低模具的负荷。硬质合金或钢结硬质合金冷镦模具的硬度高，耐磨性好，生产出来的产品精度高。可以采用硬质合金或 钢结硬质合金镶块 的组合式结构，用加套的方法施加预应力，减少或抵消模具受到的 冷镦力 ，以提高模具的使用寿命。但硬质合金脆性很大，当模具形状复杂并在较高的冲击负荷下工作时，不应采用硬质合金。

提高模具制造加工质量

要重视模具钢坯的锻造工艺，消除带状和网状碳化物分布，使流线和冲击力方向垂直。锻造时为了充分打碎坯料中的碳化物，使其呈弥散状均匀分布，应采用高锻比变向镦拔的方法。

在制造加工过程中，必须严格保证模具的尺寸形状精度，避免留下机加工刀痕；过渡部分要平滑，不能有微小缺陷，防止使用过程中出现应力集中裂纹。电加工及磨削加工后应进行回火，以消除加工应力。

拉深模具的最后抛光工序操作方向应和坯料金属流动的方向一致， 凹模型腔应纵向 往复而不是圆周运动抛光。抛光时应注意冷却，防止过热使模具硬度下降。

冷挤压 凸模加工 后形状要对称，工作部分必须同轴心，否则 凸 模单边受力易折断。正挤压或反挤压凹模的表面粗糙度值越低越好，可以采用磨削后再研磨抛光的方法，以减少磨损，提高模具的寿命。

应根据 冷镦模的 工作条件和材料性质适当选择淬火硬度和硬化层深度，防止早期失效。热处理中要注意充分回火，回火时间不足，应力未能全部消除，即使硬度满足要求，仍会产生 崩块现象 ，回火时间一般在1.5小时以上。

（2） 正确选择模具材料

当冲裁模的生产批量很大时，应选择强度高、韧性好、耐磨性好的高性能模具材料。由于凸模的工作条件比凹模更差， 凸模材料的耐磨性可以选得比凹模材料更高。

（3）采用模具强韧化处理和表面强化处理

采用强韧化处理和表面强化处理技术，使模具获得优良的整体强韧性能和优 异的表面硬度、耐磨性和抗粘附性能，是提高各类模具使用寿命的有效途径。