图4-7 模具结构示意图
Fig.4-7 the schematic diagram of die structure
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5 凸、凹模失效形式及分析
5.1 凸模失效形式及分析
5.1.1 凸模失效原因
冷挤压模具工作条件极其恶劣：冷挤压时被挤材料的变形抗力最高可达2000MPa以上；而且冷挤压凸模受到拉、压和弯曲应力的综合作用，其受力状态十分复杂；同时冷挤压模具工作时温度升高，不工作时温度下降，模具承受着冷热交变应力的作用。在这样艰难的工作条件下，使冷挤压模具的使用寿命比其它模具短得多，特别是冷挤压凸模。因此，为了延长模具的使用寿命，提高经济效益，分析冷挤压凸模的破坏形式，并采取有效的措施加以预防，对于冷挤压模具显得特别重要。
结构和工艺因素对凸模破坏的特征和机理的影响有[9]：
1）应力集中显著影响到凸模的寿命。工作部分和配合部分之间较大的台阶或较小锥度的锥形过渡，沉割或较小的圆角半径r凸，均可导致凸模在几百次或几十次循环后破坏。
2）在用于挤压钢件的许多凸模上，在第一次加载循环后己形成裂纹，且可目视发现。不少带裂纹的凸模可继续工作至完全磨损，但往往裂纹发展得很快，从而导致凸模的折断。
5.1.2 凸模失效形式
冷挤压凸模的损坏形式主要有断裂、变形、压碎和磨损等[10]。
凸模的断裂是最常见的一种损坏形式，可分为折断、拉断、纵向裂纹、网状裂纹和掉块等。断裂的原因很多，有制造工艺和模具设计方面的，也有操作方面的，还有些断裂是由事故造成的。凸模断裂的断口几乎都是脆性断口，大多是由于转折处的应力集中和局部过载所引起的裂纹造成的。
折断是凸模断裂中的一种常见形式，断口大多数集中在台阶过渡处，断口是倾斜的，在断口上呈现出断裂时的撕裂条纹，并且能看出裂纹产生的区域及其断裂的方向。折断主要是由偏心负荷造成的弯曲应力引起的，折断的主要原因有以下几个方面：
1）毛坯端面不平（见图5-1）。凸模向下运动时，将产生1个侧向力p1使凸模因弯曲而折断，因此对压床下料的毛坯必须进行校形，以消除坯料端面的不平度，这对避免凸模折断是非常必要的。
2）毛坯与凹模的间隙过大（见图5-2）。如果毛坯的直径过小，在凹模中可能出现间隙一侧大一侧小的现象，甚至只贴在模壁一侧，即毛坯不居中，这样将产生不均匀的金属
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流动，使凸模因受到不均衡偏心载荷而折断，因此应将毛坯与凹模间的间隙值控制在0.1 mm以内。
3）凸模与凹模同轴度差，这会使挤压零件的壁厚不均匀，也会使凸模因承受偏心载荷而折断。为了使凸模与凹模保持同轴，最好应采用模口导向，或采用导柱、导套导向。本设计中选择了导柱、导套导向的方式。
4）凸模过渡处圆角半径过小或相接不圆滑，有明显的硬棱、切痕，这也会因应力集中而使凸模折断。因此，切削加工时，过渡处的粗糙度应在Ra=1.6μm以下，不允许有尖锐的切刀深痕和清角，磨削加工时应抛光到Ra=0.2μm以下[11]。
5）凸模过长。因此应尽量缩短凸模的长度，特别是工作部分的有效长度，以提高稳定性。
6）凸模材料选用不当，热处理硬度过高。因此应采用强韧性较好的材料，并进行多次充分回火，以消除脆性。
7）设备导向精度低或负荷不足。为解决这一问题，应调整压力机滑块的导向精度， 采用负荷能力较大的设备，避免凸模在下死点发生迟滞现象。
图5-1 毛坯端面不平行 图5-2 间隙不均匀
Fig.5-1 the unparallel blank Fig.5-2 the uneven gap
凸模拉断多半是在润滑条件变坏的情况下发生的，每卸件一次，凸模上都会产生一次附加拉应力的作用。拉断部位均在截面变化的过渡处，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。
纵向裂纹常发生在工作带的圆周上，属疲劳性质的裂纹，是由周期性热冷交变应力作用引起的，与毛坯润滑不好，凸模表面硬度不够有关。所以如果发生金属质点粘模、在挤
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压零件内面有金属碎屑脱落时，要检查润滑处理是否存在问题。采用有效的润滑剂、增大工作带的圆角、对凸模进行表面处理、在使用一段时间后采取去应力退火等方法对防止这种损坏是有效的。由于工作端面开始沿纵向向上发展的裂纹和中心开裂多数是由于材料有缺陷引起的，如碳化物分布不均匀、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。生产中，一般将材料的碳化物偏析控制在3级以下，对于小直径的棒料，这基本是可以达到的，对于大直径棒料，则必须通过严格的锻造工艺，消除过大的碳化物偏析[12]。
凸模端面上的网状裂纹是由于挤压时的热效应而引起的，模具在加工过程中磨削量过大、进给太快时，由于表面过热而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低温氮碳共渗和镀铬等表面处理情况。实践证明，每成型2500次以后应进行低于回火温度的低温去应力退火，这对防止热疲劳裂纹是非常有利的[13]。
掉块是凸模成形端面的局部与本体分离的一种现象，这种现象也属热疲劳现象。主要是于材料的局部有缺陷，热处理后由于回火不充分产生的脆性、模具表面软化以及润滑性能变坏等原因引起的。防止掉块的有效措施是采用质地优、碳化物偏析小的材料，严格控制热处理工艺规范，多次回火处理及采用良好的润滑剂。 凸模变形的原因及解决办法有以下几点：
1）新制的凸模完全在弹性极限以下使用的情况，因此当其工作应力大于凸模材料的弹性极限时，最初几次或几十次挤压以后，会产生0.2%~0.5%的塑性变形，即镦粗（见图5-3）。镦粗的部位易在距工作端面约1/3~1/2凸模长度的地方，一旦发生这种情况，则需重磨凸模。实践证明，重磨后的凸模，其性能将会提高，对提高凸模的寿命非常有利。
2）如果挤压毛坯的硬度过高，凸模的强度和硬度偏低，单位挤压力超过凸模材料的屈服极限，挤压时凸模便有产生镦粗与弯曲的可能（见图5-3），因此应采用热硬性好、抗压强度较高的高速钢作模具材料，淬火硬度要保持在61HRC以上[2]。
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镦粗 镦粗与弯曲
图5-3 凸模变形
Fig.5-3 the deformation of male die
凸模压碎常发生在封闭挤压时，当凸模的硬度偏高、脆性较大，坯料体积过大的情况下，多余的金属无法容纳，变形抗力剧增，超过凸模材料的抗压强度，便发生凸模压碎的现象。为了防止凸模压碎，挤压材料的体积要均匀一致，严格控制毛坯尺寸。
凸模磨损而报废是一种正常的失效，但有时也可能发生早期磨损而失效。产生的原因一是反挤凸模工作带部分形状和尺寸不合格，可以通过合理选择反挤凸模工作带长度及过渡处的圆角半径予以解决；二是模具材料的耐磨性差，可以通过合理锻造及热处理或者凸模工作表面镀铬3~5μm来提高凸模的耐磨性予以解决；三是摩擦阻力过大，可采用良好的润滑剂如硬脂酸锌，用以减少凸模成形部分的磨损加以预防。
5.2 凹模失效形式及分析
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横向裂纹、纵向裂纹、疲劳裂纹、角裂纹和剥离等[14]。如图5-4所示。
1-横向裂纹；2-疲劳裂纹；3-剥离；4-角裂纹；5-压套纵向裂纹；6-局部裂纹。
7-镶块纵向裂纹 图5-4 凹模失效形式
Fig.5-4 the losing efficacy form of female die
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