9.5 冷挤压模具的损坏与预防措施

9.5.1 凸模损坏与预防措施

凸模是冷挤压模具中最重要的部分。凸模必须能承受很高的抗压载荷，而且又要有足够的韧性，以防因任何一个微小的弯曲而引起侧向压力使凸模突然断裂。同时凸模还要具有良好的耐磨性，以防发热时可能发生的软化，避免可能产生的刮痕和咬伤，并防止可能出现的永久变形。

冷挤压凸模的损坏主要是由于工作应力过大，偏心载荷和应力集中造成短期疲劳而引起的。损坏的主要形式是变形、断裂和破损。

1.变形

凸模在挤压过程中，发生图9-3所示的镦粗、变形和弯曲等永久变形，称为塑性变形。引起凸模塑性变形的主要原因有以下几方面。

1）挤压力过大，超过凸模材料的屈服强度。

2）凸模的强度和硬度偏低。

3）毛坯材料的硬度过高。

4）毛坯体积偏大，多余材料无法排除。

5）凸模材料选择不当。

为了防止凸模弯曲和变形，应采用热硬性好、抗压强度较高的高速工具钢制作凸模，淬火回火后硬度在61HRC以上。提高毛坯精度，使毛坯两端面平行，并将毛坯硬度控制在110HBW以下。此外，还应提高模具的导向精度和安装精度，以保证挤压时凸、凹模的同轴度。

图9-3 凸模损坏情况

a）镦粗 b）变形 c）弯曲

2.断裂

断裂是直接影响凸模寿命和危害最大的一种破损形式。凸模的断裂常常从一个极微小的切痕或划痕开始，逐渐扩大形成环状裂纹，严重时出现开裂和突然折断。引起裂纹的主要原因是反复交变应力作用和周期性的温度变化。在冷挤压过程中，短时内产生大量的热量，使模具温度升高，每挤压一次就是一个热冷循环。在这种热冷交替作用下，模具表面的应力正负也交替变化，因而导致热疲劳裂纹的产生。可见，疲劳是导致凸模开裂的主要原因之一。还有，承受偏心载荷时，常常在圆角与直线部分交接位置，即截面或形状变化的部位发生裂纹，甚至断裂。尤其是这些过渡部位处的圆角很小或相接不圆滑时，开裂更为严重。这是因为这些部位是应力集中区，是产生裂纹的发源地。因此，将这部分设计成带有适当的圆角，仔细加工并进行抛光，使其圆滑相接，避免应力集中，是防止裂纹产生的有效办法。

凸模的断裂按其破坏性质和断裂部位的形态，分为横向裂纹、纵向裂纹和径向裂纹三种类型。横向裂纹又有两种情况，图9-4所示的一种是折断，折断大多数发生在过渡处，也有时在挤压件的口部作用部位和凸模与固定连接的部位发生折断。折断主要是由于偏心负荷造成的弯曲应力引起的，受应力集中的影响较小。在反挤压杯形件时，若凸模的圆角R过分限制反挤压，则该处将发生横向裂纹。若反挤压件的口部偏斜较大，即一面高一面低，在退料时由于侧向力引起的弯曲力矩，常使凸模折断，见图9-5。另一种拉断多半是在润滑条件变坏的情况下发生在截面变化的部位，拉断的主要特征是其断口平整。改善润滑条件、减小摩擦，是防止凸模被拉断的有效措施。

纵向裂纹的几种常见形式如图9-6所示。图9-6a所示纵裂是发生在工作环带的圆周上。这是疲劳性质的裂纹，是由周期性、热冷的交变应力作用引起的，还与毛坯润滑不好，凸模硬度不够有关。为了减少这种微小的纵向裂纹的发生，首先要选用韧性极好的高速钢材料，采用氮碳共渗处理，以增加表面的耐磨性、耐疲劳性。其次，应选用合适粒度的砂轮，严格控制磨削时的进刀量。在磨削后加以抛光。同时改善润滑质量，减小摩擦，提高凸模的表面硬度，使其表面硬度在61HRC以上。

图9-4 凸模横向断裂

a）过渡部位的裂纹 b）挤压件口边部位的裂纹 c）凸模固定板部位的裂纹

图9-5 作用在凸模上的弯曲力矩

图9-6 凸模纵向裂纹

a）疲劳裂纹 b）纵向开裂 c）中心劈裂 d）、e）角裂

由工作端面开始沿纵向向上发展的纵向裂纹和中心开裂，如图9-6b和图9-6c所示，多数是由于材料有缺陷引起的，如碳化物分布不均匀，材料偏析过大等。因为碳化物分布不均匀会增加钢的脆性，降低钢的强度。锻造加工中，一般将材料的偏析控制在3级以下，对于小直径棒料，这基本上是可以达到的。对于大直径棒料，必须通过严格的十字法锻造工艺，才能消除过大的碳化物偏析。图9-6d和图9-6e所示两种角裂，是由于连接部位的圆角过小或相接不圆滑引起的。因此，将连接部位设计成圆角，仔细加工抛光，使其圆滑过渡且无应力集中，是防止角部开裂的有效措施。

图9-7 凸模径向裂纹

a）工作圆角处的裂纹 b）工作端面的裂纹 c）尾部端面上的裂纹

在凸模工作端面和尾部端面上沿径向所发生的裂纹如图9-7所示。在凸模工作圆角处所发生的裂纹，是位于表层的轻微裂纹。这种裂纹常常从一个极微小的磨痕、划痕或金属粘连拉伤开始，由极细的条纹逐渐扩展成微裂纹。因此，降低圆角部位的表面粗糙度和提高其硬度，采用优质润滑剂以防金属粘连，便可避免这种裂纹的发生。凸模工作端面上的网状裂纹，是一种由于挤压时的热效应而引起的热疲劳造成的。有时，当磨加工的磨削量过大，进给速度太快时，由于表面过热所引起的龟裂，在挤压时也会发展成为网状裂纹。因此，在磨削成形端面时，应选用粗粒度的砂轮。接近成品时，每次磨削量要小，同时应检查回火处理以及氮碳共渗和镀铬等表面处理情况。在凸模尾部端面上，有时发生如图9-7c所示类似网状裂纹的端部开裂。这种表面为网状、向纵向发展的开裂现象，是由于端面不平，材质不均匀，或由于凸模垫块不平，中心压塌变形，而使端面接触不良引起的。因此，凸模的尾部端面应平坦，且与工作端面平行，并采取足够厚度和强度的凸模垫块，以增加其刚性，防止变形。

凸模折断、断裂、裂纹损坏原因及预防措施如表9-3所示。

表9-3 凸模折断、断裂、裂纹损坏原因及预防措施

（续）

3.破损

在凸模工作部位所发生的卷边和剥离属于局部破损。而碎裂和粉碎性破坏，则属于整体破损，它是突发性和破坏性很大的一种损坏形式。金属粘连和咬合，是最常见的一种粘模现象。粘模容易拉伤凸模的工作表面，影响挤压件的质量。粘模严重时，卸料困难，工作条件恶化，以致挤压过程不能正常进行。以上三种破损的原因及预防措施见表9-4。

表9-4 凸模破损原因及预防措施

9.5.2 凹模损坏与预防措施

图9-8 凹模镶块纵向开裂

冷挤压凹模不像凸模那样容易损坏。常见的凹模破损形式有开裂、纵向裂纹、横向裂纹和损伤等。

1.开裂

凹模开裂是一种较为常见的模具早期损坏形式，主要是镶块纵向开裂，如图9-8所示。镶块纵向开裂的主要原因是预应力不足，或因镶块本身的壁厚过小，圆度误差过大和强度不足所引起的。预防措施是，适当加大过盈量和凹模镶块的厚度。采用硬质合金镶块时，外径的圆度误差必须控制在0.005mm以内。

2.纵向裂纹

图9-9所示裂纹发生在凹模型腔的内表面，起初它既不像开裂也不像热咬合那样的划伤，随着加工数量的增加，产生无数的纵向划痕，并逐渐发展成网状裂纹，以致最后引起剥离。这种裂纹属于疲劳性质的裂纹，在润滑条件变坏，预应力不足时，尤其容易出现。因此，提高润滑剂质量，适当加大过盈量，对减小纵向裂纹是有作用的。采用氮碳共渗处理，提高模具的表面硬度，或用硬质合金代替一般的工具钢制造凹模，可完全排除图9-9a所示的裂纹。

图9-9 凹模纵向裂纹

a）型腔内表面上的裂纹 b）工作刃带上的裂纹

1—初始划伤 2—网状裂纹 3—剥离 4—纵向裂纹

图9-9b所示发生在工作刃带部位的纵向裂纹，也集聚于模腔的内表面，虽然有一定深度，但未穿透，主要集于表层。这种裂纹主要是由于毛坯表面有残存的氧化物引起润滑不良，发生粘模或由于模具表面软化而引起的。因此，应保持毛坯洁净，提高润滑处理效果，采取氮碳共渗处理，以提高模腔的硬度，或采用硬质合金作凹模镶块，这种裂纹便可消除。

图9-10 凹模横向裂纹

a）过渡部位上的裂纹 b）导向与成形部分分界面上的裂纹

3.横向裂纹

常见的横向裂纹主要有两种，如图9-10所示。图9-10a所示凹模的横向裂纹发生在截面的过渡部位。如果适当加大过渡部位的圆角半径，或在该处将凹模横向分割成两部分，这种裂纹便可消除。图9-10b所示横向裂纹发生在凹模导向部分与成形部分的分界面上，即凹模反复作用的部位。在挤压过程中，凸模对凹模的加载是一个周期性的反复载荷，因而凹模的径向弹性变形也是在周期性的变化。由于这种长时间的反复作用，在界面上便会出现横向裂纹。显然，裂纹的发生与模具的变形过大及强度不足有直接关系，还与压配表面的接触情况有关。因此，加大镶块及整个凹模的内外径之比，适当加大过盈量，保证压配表面接触均匀，或采用多层压套的凹模，可以消除横向裂纹。

图9-11 凹模剥离损伤

a）塌角 b）起层剥离

4.损伤

图9-11所示在凹模型腔和工作面上所发生的塌角A和起层剥落B，是冷挤压凹模常见的一种损伤形式。这种剥离损伤现象多数发生在工作刃带、边棱或孔口的边缘部位。这里是应力集中处，又是比较薄弱的部位，圆角选择不当，或材料韧性不好，都会产生局部剥离现象。局部有缺陷或局部过热发生软化时，也会发生金属剥离。因此，采用韧性高的材料，选择合适的圆角半径，采用良好的润滑剂，会在一定程度上减少和防止剥离现象。

9.5.3 预应力圈损坏与预防措施

组合凹模中的预应力圈损坏形式主要有纵向开裂和永久变形两种。

图9-12 预应力圈纵向开裂

a）外圈开裂 b）在钻孔处开裂

1.纵向开裂

图9-12a所示预应力外圈的纵向开裂情况有两种：一种是发生在装配后的数小时所发生的自然开裂；另一种是在承载情况下，挤压几件、几十件，甚至几百件后发生的。这种开裂的主要原因是装配预过盈量过大，使得预应力在外圈内表面处产生的拉应力超过外圈材料的屈服强度，即预应力外圈承受了过大的拉应力作用，或者因为外圈本身的强度不足或硬度过高。在单个预应力外圈预紧的场合，外圈的硬度如果接近50HRC，则可能产生自然开裂，即在装配后的放置期间，外圈有自行突然开裂的危险，因此，必须将单层外圈的硬度控制在45HRC以下。在采用双重预应力外圈的场合，如果外圈的硬度在40HRC以下，则中圈硬度可取50HRC。但在装配时，如果不首先将外圈与中圈装配在一起，也是有危险的。因此，为了防止外圈开裂，应严格控制过盈量和外圈的硬度，装配方法要合理。当在预应力圈上加工固定用的孔时，如图9-12b所示，由于这些孔会大大降低外圈的强度和引起应力集中，挤压时常在钻孔处发生开裂现象，所以在预应力圈上尽可能不要制造固定模具用的孔或其他孔。

2.永久变形

由于预应力圈的材料选用不当，或热处理后的硬度及强度偏低，以及装配时过盈量偏大引起径向压力过大而产生永久变形。因此，采用较好的材料，通过合理的热处理工艺，以提高硬度及强度，或优选预应力圈的直径及过盈量，以保证预压力不超出预应力圈材料的屈服强度，这种永久变形便可防止产生。

图9-13 压力板的径向裂纹

a）凹入 b）凸出

1—压力板 2—凸模

9.5.4 压力板损坏与预防措施

因种种原因，压力板的损坏形式主要有径向裂纹和永久变形两种。

1.径向裂纹

沿压力板径向产生的放射性裂纹称为径向裂纹，如图9-13所示。

产生径向裂纹的原因是：①压力板的材料不好，硬度偏低；②承压面不平（见图9-13a）或凸模直径过小（见图9-13b）；③压力板经受多次反复的弹性变形而产生疲劳裂纹。消除这种裂纹的预防措施有：①提高压力板的硬度；②加大压力板的厚度或凸模直径；③在压力板外面加一加强圈，以提高压力板的强度；④加工时，应保证压力板上下平面的平行度，不应有凹凸不平。

2.永久变形

发生压力板承压面永久变形的原因是：①压力板的强度不够；②单位挤压力过大；③压力板的厚度不够或凸模直径过小。防止这种永久变形的预防措施有：①改用优质的材料制作压力板；②采用合理的热处理工艺，以提高压力板的硬度和强度；③加大压力板的厚度和凸模直径，以提高压力板的抗压能力；④采用多层压力板，以缓和从凸、凹模传来的高压力。