縱梁成型模具的失效分析及解決方案

徐鵬飛 龐志艷 陳磊 任曉明

摘 要：本文從縱梁彎曲成型模具設(shè)計結(jié)構(gòu)及模具材料選擇提高模具使用壽命角度出發(fā)，對消除模具損傷的失效形式進行了分析，闡述了載重汽車縱梁、車架類等模具的結(jié)構(gòu)特點及模具凹模塊入口曲線（Traktrix曲線）結(jié)構(gòu)方案。對模具磨損和零件劃傷，提高生產(chǎn)率和降低成本等方面做出分析，本文重點介紹了縱梁模具結(jié)構(gòu)、材料、TD覆層技術(shù)以及彎曲成型類模具失效形式。

關(guān)鍵詞：工藝；失效分析；模具結(jié)構(gòu)；表面處理工藝

1、縱梁模具的失效分析

模具常見的失效形式主要有：斷裂失效；表面損傷失效；變形失效。模具的失效有達到預(yù)定壽命的正常失效，也有遠低于預(yù)定壽命的早期失效。正常失效是比較安全的，而早期失效則帶來經(jīng)濟損失，甚至可能造成人身或設(shè)備事故，因此應(yīng)盡量避免。模具在工作過程中可能同時出現(xiàn)多種形式的損傷，導(dǎo)致模具失去正常功能。

1.1 模具材料的化學(xué)分析如下

縱梁彎曲成型模具，使用材料為Cr12MoV冷作模具鋼， 失效冷彎曲成型模具的化學(xué)成分在Cr12MoV 鋼的化學(xué)成分范圍內(nèi)， 雜質(zhì)元素硫和磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超標(biāo)， 不會導(dǎo)致模具的開裂與失效。 由此判斷， 該模具的過早失效不是由材料的化學(xué)成分引起的。

1.2 模具斷口外觀分析

觀察脆斷的斷口特征，發(fā)現(xiàn)其斷口呈銀灰色， 宏觀組織細(xì)密、均勻，未見氣孔、夾渣非金屬夾雜物和晶粒特別粗大等現(xiàn)象。由此判斷， 材料的冶金質(zhì)量無明顯不足（見圖二）。

1.3 模具材質(zhì)的金相分析

觀察Cr12MoV金相圖（見圖三）塊狀碳化物的分布可知，共晶碳化物呈明顯網(wǎng)狀分布，且局部有堆積現(xiàn)象，共晶碳化物的這種分布形態(tài)，會導(dǎo)致脆性區(qū)域的產(chǎn)生，其強度低，塑性、韌性差，不能承受大的沖擊力，裂紋很容易在這里萌生與擴展，由于該區(qū)脆性大，并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以成為裂紋產(chǎn)生的主要原因，大大地降低了模具的使用壽命。同時，共晶碳化物的不均勻性還使模具的力學(xué)性能呈各向異性，極易引起模具在熱處理和使用過程中發(fā)生畸變開裂，致使模具不均勻磨損和崩刃，最終導(dǎo)致模具早期失效。

1.4 模具工作中產(chǎn)生失效的原因分析

模具投入使用后，在工作壓力比較大的拉伸成形時，拉傷現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為嚴(yán)重，通過對模塊使用情況進行對比統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)凹模圓角位置屬于應(yīng)力集中點，最易出現(xiàn)劃傷損壞情況見，圖四、圖五。縱梁、車架類等模具在彎曲成型過程中不可避免要產(chǎn)生磨損和劃傷，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，因大梁彎曲成型模具的熱處理硬度相對較低，批量生產(chǎn)后大梁模具的凹模塊表面會出現(xiàn)劃痕并對大梁翼面造成劃傷。從宏觀角度上觀察由于模具工作時，凸模與氣墊板先將大梁板料上下面夾緊，然后拉入凹模塊中，其間會產(chǎn)生大量的摩擦熱，同時由于大梁板料自身攜帶的毛刺、氧化皮及熔渣易對大梁凹模塊表面產(chǎn)生劃傷進而造成大梁翼面劃傷，使大梁劃傷處形成應(yīng)力集中點，嚴(yán)重時可造成大梁斷裂，同時降低了模具使用壽命。從微觀角度上觀察由于模具工作時，模具凸、凹模與被加工材料表面相互接觸并相對滑動，組成一對摩擦副。由于材料表面不可能是完全平整的，總存在可以測到的粗糙度，所以真正的接觸只發(fā)生在微觀接觸面上。分析表明，微觀真實接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一小部分，在此微觀接觸面產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力，這些應(yīng)力由于切向相對運動還會加強，以致受到負(fù)荷作用的粗糙面凸峰發(fā)生彈性或彈塑性變形，這樣磨擦副雙方表面的吸附層或反應(yīng)層會遭到破壞，結(jié)果使暴露在表面的原子鍵聯(lián)結(jié)或多或少地得到了加強，這種現(xiàn)象稱為粘著作用。當(dāng)摩擦副發(fā)生相對運動時，這種原子鍵又會相互脫開，其結(jié)果是材料從磨擦副的一方轉(zhuǎn)移到磨擦副的另一方上去，這就是所謂的粘著磨損。實驗證明，出現(xiàn)粘著磨損的磨擦副的表面非常粗糙，并有拉傷，其程度與法向力、磨擦副之間相對運動速度以及溫度等負(fù)荷參數(shù)有關(guān)。當(dāng)以上負(fù)荷參數(shù)超過了臨界值時，粘著磨損突然加劇，出現(xiàn)所謂膠合現(xiàn)象，極端情況磨擦副間的相對運動停止，出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。由上分析可見，縱梁成形時表面出現(xiàn)拉傷或咬死現(xiàn)象就是粘著摩損所引起的結(jié)果。縱梁成形時表面出現(xiàn)拉傷或咬死現(xiàn)象就是粘著摩損所引起的結(jié)果。都會在模具凸、凹模表面形成機械的磨損，磨損部位主要出現(xiàn)在凹模、凸模、凹模圓角半徑處。由于縱梁表面與模具凸、凹模表面粘著磨損而形成的拉傷，這是生產(chǎn)中最常見而又最不容易解決的一種情況。

據(jù)以上的失效分析可以知，導(dǎo)致縱梁彎曲成形模具失效原因主要有兩個：一是由于在彎曲成型過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致主要受力點凹模圓角位置出現(xiàn)裂紋；二是由于粘著磨損，在彎曲成形過程中由于縱梁與模具之間的產(chǎn)生滑動產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致凹模圓角半徑表面出現(xiàn)劃傷。

2、縱梁彎曲成型模具結(jié)構(gòu)及模具表面處理方式

針對上述兩個原因，從兩個方面尋求解決方案，一對模具凹模圓角結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，二是改進模具的表面處理工藝。

2.1 針對易損傷位置的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

該模具凹模入口結(jié)構(gòu)具有以下特點：按照傳統(tǒng)的彎曲模結(jié)構(gòu)，彎曲凹模入口部位通常采用標(biāo)準(zhǔn)圓弧半徑和橢圓曲線為入口形狀，這種形狀對于薄、厚料或較大尺寸零件的彎曲過程中在彎曲部位會出現(xiàn)“沖擊痕”或壓痕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。依據(jù)圖二受力情況分析及精確計算（計算略），采用Traktrix曲線作為凹模入口部位形狀并將它與習(xí)慣采用的圓弧形狀作對比就可以得出以下結(jié)論：模具對彎曲零件的擠壓力減小，避免了零件表面產(chǎn)生劃傷、壓痕、凹坑等缺陷，提高了模具的使用壽命。

2.2 模具的表面處理工藝改進

減少粘著磨損所采取的一些基本措施：減少接觸副之間的負(fù)荷，包括機械與熱負(fù)荷。當(dāng)使用金屬配對副時，應(yīng)優(yōu)先采用體心立方或六方體結(jié)構(gòu)的材料，避免采用面心立方結(jié)構(gòu)的材料。同時采用潤滑油膜使接觸副隔開使接觸副表面上形成保護性的吸附層或反應(yīng)層。

模具TD覆層表面處理通過對模具凸、凹模進行表面超硬化處理是解決零件表面拉傷問題經(jīng)濟而有效有方法。TD覆層處理國內(nèi)又名熔鹽滲金屬、滲釩等，其原理是通過熱擴散作用于模具表面形成一層數(shù)微米到數(shù)十微米的碳化釩覆層。主要特點是：① 覆層硬度較高，硬度可達3000HV左右，具有極高的耐磨、抗拉傷、耐蝕等性能；② 由于是通過擴散形成的，所以覆層與基體具有冶金結(jié)合，這一點對在成形類模具上的應(yīng)用極其重要；③ TD覆層處理后可以直接進行淬火，這一點特別適合于各類模具鋼材；④ TD覆層處理可以重復(fù)進行。大量的實踐證明，在成形類模具上采用該技術(shù)具有其他表面處理無法比擬的使用效果，在一些場合具有比硬質(zhì)合金更好的效果。

3.模具結(jié)構(gòu)及表面處理工藝改進前后模塊狀態(tài)對比

通過多年大梁的生產(chǎn)和對大梁彎曲模具工作部分的觀察和研究，我們認(rèn)為采用Traktrix曲線技術(shù)和TD覆層處理后的大梁模具從根本上解決了大梁模具劃傷失效問題，大幅度提高了大梁模具的使用壽命，取得了優(yōu)異的使用效果。

4.結(jié)束語

模具的失效，是模具表面拉傷和粘著磨損的結(jié)果，解決模具表面拉傷和粘著磨損問題的方法較多，應(yīng)根據(jù)情況具體予以選擇。采用合理的模具材料、結(jié)構(gòu)及TD覆層處理是目前解決模具失效問題最有效、最經(jīng)濟的方法。

作者簡介：

徐鵬飛，性別：男，出生年月日：1984年7 月 8 日，職稱：工程師，現(xiàn)就職于北奔重型汽車集團有限公司技術(shù)中心底盤所，從事商用車懸架系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)工作。