[工学]模具寿命与失效.ppt

模具寿命与失效,授课人:曾珊琪,材料成型及控制工程专业,陕西科技大学教学课件,2019/4/17,2,第一章 绪 论,模具工业生产发展的总趋势 1.发展精密、高效、长寿命模具； 2.发展高效、精密、数控自动化加工设 备； 3.发展各种简易模具技术； 4.完善改进现有模具钢性能，开发新型模具钢种； 5.发展专业化生产。,模具寿命与失效,2019/4/17,3,发展精密、高效、长寿命模具,精密或超精密制件不同时期的概念： 20世纪60年代，尺寸公差为0.010.02的制件为精密件 20世纪7080年代精密件的精度为0.0010.0001 当代有些领域制件的精度已达0.2m，粗糙度达0.010.02m，这就要求模具有比产品更高的精度和更小的粗糙度。,模具工业的发展趋势,模具工业的发展状况,2019/4/17,4,大量发展多工位模具和多型腔模具 目的：提高成型机床一次行程生产的数量； 满足市场竞争，产品不断更新换代的需要。 高精密、高效率生产需要长寿命模具,高效模具发展的趋势表现为：,模具工业的发展趋势,模具工业的发展状况,2019/4/17,5,发展高效、精密、数控自动化加工设备,目的：提高模具制造水平。 满足精密、高效、长寿命模具发展的需要。 模具制造水平发展现状： 模具精度的保证从主要依靠钳工技巧，发展到更多依靠精密加工机床、各种数控机床和加工中心及各种特种加工技术的应用。,模具工业的发展趋势,模具工业的发展状况,2019/4/17,6,模具制造实行标准化、专业化、商品化。 模具成为一种高技术密集型产品。,模具制造采用高效、精密、数控自动化加工设备的条件：,模具工业的发展趋势,模具工业的发展状况,2019/4/17,7,发展各种简易模具技术,目的：可降低成本，缩短制造周期，实现快速更换。适应于新产品试制和多品种小批量生产。 完善改进现有模具钢性能，开发新型模具钢种 目的：提高模具寿命 发展专业化生产 可提高高效、精密、数控自动化加工设备的利用率,模具工业的发展趋势,模具工业的发展状况,2019/4/17,8,模具寿命的高低是衡量模具质量的重要指标之一。 模具寿命的高低不仅影响产品质量，还影响生产率和成本。,绪 论,研究模具寿命与失效的意义,2019/4/17,9,一、模具发展对模具寿命的影响,过去受模具制造水平和社会需求的限制，模具成型主要用来生产零件毛坯或精度不高、结构形状简单的轻工产品及生活日常用品。 传统的模具材料和热处理工艺的配合基本能满足模具的性能要求。 模具出现磨损、变形、甚至微细裂纹，不影响产品的精度要求。,研究模具寿命与失效的意义,2019/4/17,10,传统的观念认为模具本身就是成本昂贵的工具，生产制件的数量多，模具的成本平均在每一个制件上也只有几分钱。模具成本高已被接受，模具报废之后只需重做一套即可。 因此缺乏从模具寿命的角度进行经济效益分析的意识。,研究模具寿命与失效的意义,模具发展对模具寿命的影响,2019/4/17,11,从模具发展趋势中的高精度要求来看： 例如：通过现代的加工技术可以获得模具型腔或型孔的高精度，但由于模具表面的磨损，很小的磨损量都可能超过制件的使用精度，使模具的寿命终结。,研究模具寿命与失效的意义,模具发展对模具寿命的影响,2019/4/17,12,从模具发展趋势中大型化、复杂化要求来看 大型、高效模具，受力大易使模架、模板、复杂型腔及顶出杆等结构产生过量的变形，造成模具无法正常工作而报废，因此需要提高这些模具零件的受力性能。 这些事实说明提高模具寿命的研究对模具工业发展意义重大。,研究模具寿命与失效的意义,模具发展对模具寿命的影响,2019/4/17,13,二、失效分析的意义,提高模具的寿命其实就是延缓模具的失效。 失效分析也称为失效学。,研究模具寿命与失效的意义,2019/4/17,14,失效学是研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的一门新兴的学科。 借助工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器测试技术的进步，实现对大量工程失效现象的行为规律与机理的研究。,失效分析的意义,研究模具寿命与失效的意义,2019/4/17,15,失效学的理论基础： 近代材料科学与工程、工程力学和疲劳学科等对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，积累了相当丰富的具有创新意义的观点、见解和物理模型； 失效学的技术基础： 现代检测仪器、仪表科学的迅猛发展，检测技术的不断提高，特别是断口、裂纹和痕迹分析等技术体系的建立、发展和完善；,研究模具寿命与失效的意义,失效分析的意义,2019/4/17,16,失效学的方法基础： 数理统计学科的完善，模糊数学的突起，可靠性工程的发展与应用，以及电子计算机的广泛普及。 因此失效学的发展依赖于上述三者的融会贯通，得以逐步建立、发展和完善。,研究模具寿命与失效的意义,失效分析的意义,2019/4/17,17,将失效学的理论、技术和方法用于对模具失效的科学分析，可以达到防止类似失效在模具设计寿命范围内再发生的目的。,研究模具寿命与失效的意义,失效分析的意义,2019/4/17,18,任何模具的失效都是在材料的强度、韧性与应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的； 失效总是从模具对服役条件最不适应的环节开始； 失效模具的残骸上必然会保留失效过程的信息。 通过对模具失效残骸的研究，可查明失效的机理和过程，并对失效的原因做出判断 从而可有针对性地采取改进和预防措施，避免同类失效的再发生。,研究模具寿命与失效的意义,失效分析的意义,2019/4/17,19,研究模具寿命与失效的意义,失效分析的意义,失效分析与模具设计和制造之间的关系,2019/4/17,20,模具成型工艺及分类,模具的分类,2019/4/17,21,本课程的性质与任务,性质：材料成型及控制专业的专业课。 任务： 1）了解模具寿命与失效的关系及和工业生产的关系； 2）了解模具结构、模具工作条件、模具材料性能和模具制造等因素对模具寿命的影响；,绪 论,2019/4/17,22,3）掌握分析模具失效的方法，培养解决问题的能力，为合理的模具设计与模具加工奠定必备的基本理论知识，从而达到提高模具寿命的目的。,本课程的性质与任务,任务,2019/4/17,23,课程学习要求：,1）熟悉模具寿命与失效中名词术语的概念和定义。 2）了解模具失效的形式，掌握对不同模具失效形式分析与判断的方法和模具材料抗失效性能指标及应用。,本课程的性质与任务,2019/4/17,24,3）认识提高模具寿命的重要性，掌握有关因素对模具寿命的影响和影响模具失效的基本因素，并能正确应用这些规律指导模具的设计与制造。 4）具有正确选择模具材料和模具热处理工艺的能力和将所学知识用于模具设计、模具加工、模具使用和管理的能力。,本课程的性质与任务,学习要求,2019/4/17,25,本课程的知识基础: 工程材料与加工基础、工程力学、金属塑性成型原理、塑料加工设备和工艺、模具设计、模具制造工艺等课程。 学习中，需要运用学过的专业基础和专业课中的知识，结合模具结构和生产的特点，来掌握本课程的知识。 学完之后又为合理的模具设计和加工服务。,本课程的性质与任务,2019/4/17,26,学习方法： 为了更好的学习和掌握模具寿命与失效的学习内容，下面采用思维导图的学习方式介绍本课程的学习方法。 思维导图是一种帮助记忆的流程图。,本课程的性质与任务,2019/4/17,27,本课程的性质与任务,学习方法,模具寿命,模具寿命与工业生产的关系,模具寿命概况 与生产率的关系 与产品成本的关系,失效判断 失效分析 解决途径,失 效 的 种 类 模具的工作条件,表面损伤失效 过量变形失效 断 裂 失 效,断 口 分 析 技 术 材 料 性 能 指 标 材料力学性能测试方法,结构设计 材料选择 加 工,工业产品,获得优质模具,目 标,意 义,亡 羊 补 牢 之 路,防 患 于 未 然 之 路,影响因素,模 具 结 构 模具工作条件 模 具 材 料 模 具 制 造,模具 材料的 选择 热处理技术的应用,表面处理技术的应用,2019/4/17,28,本课程的性质与任务,学习方法,2019/4/17,29,学习中，通过思维导图可以了解到与模具寿命研究所关联的内容； 在实际中，知道采用哪些方法去解决哪些因素的问题； 解决问题需要掌握哪些理论和工艺知识； 要想真正掌握失效分析方法还应学习哪些方面的知识。 从中能够很容易的掌握学习的重点。,本课程的性质与任务,学习方法,2019/4/17,30,第二章 模具寿命与工业生产的关系,第一节 模具寿命的基本概况 一、模具寿命的基本概念 1.模具寿命的定义 模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的件数，称模具的使用寿命，简称模具寿命。,模具寿命与失效,2019/4/17,31,模具的使用寿命并不期望无限长，只需要比模具成型制品的生产要求长。 在考虑模具的最佳使用寿命时，应将目标放在使单件制品获得最低成本的基础上。 这样的模具使用寿命对工业生产才有真正的实际意义。,模具寿命的基本概念,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,32,2. 模具寿命对工业生产的影响,1）质量高、寿命长的模具，可以提高制品的生产率及质量，同时还影响到模具本身的制造成本和制品的成本以及工艺部门的工作量等。 2）模具寿命关系到少、无切削工艺的推广应用。 如冷轧齿轮，冷打花键、高速模锻、黑色金属压铸和冷挤压等往往由于模具寿命不高，使其应用受到一定的限制。,模具寿命的基本概念,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,33,3）模具的寿命影响到一些先进的高效率、多工位加工设备的正常效能的发挥。 如多工位轴承环高速锻锤、多工位大型冷镦机、钢球滚球冷镦机等往往由于其模具寿命低而难以发挥效率。 4）模具寿命也影响到模具钢的消耗，特别是合金模具钢的消耗，寿命低易造成人力、物力大量浪费。,模具寿命的基本概念,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,34,二、模具寿命与失效的术语定义,1制件报废 模具生产出的制品出现形状、尺寸及表面质量不符合其技术要求的现象而不能使用时称为制件报废。 大多数模具的寿命是由制品可用性决定的。如果模具生产的制品报废，则该模具就没有价值了。,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,35,2模具服役 模具安装调试后，正常生产合格产品的过程叫模具服役。 模具的服役条件与安装模具的机床类型、吨位、精度、成形次数、生产效率、被加工件大小、尺寸、材质、变形抗力以及工件加热条件、制件成形温度、冷却润滑条件等因素都有关系。,模具寿命与失效的术语定义,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,36,3模具损伤 模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹、腐蚀等现象，但没有立即丧失服役能力的状态称为模具损伤。 4模具失效 模具受到损坏，不能通过修复而继续服役时称为模具失效。 广义上讲，模具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作零件不能再用。,模具寿命与失效的术语定义,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,37,不合理的生产计划也可能导致模具失效。例如：制品的产量超过了计划所预期的要求，需通过增加型腔数目或其他改善成型的方法，重新设计制造一个高效率的模具，则按生产计划制造的那一模具就失去了使用价值而报废。 技术水平的提高也将造成模具失效。 模具和成型技术的改善，影响模具的寿命。 生产率低的模具不再继续使用而被高生产率的模具替代。,模具寿命与失效的术语定义,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,38,模具的失效过程可分为早期失效、随机失效和耗损失效三个阶段，如图所示。,5早期失效 模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役时，称为模具的早期失效，也叫做非正常失效。,模具寿命与失效的术语定义,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,39,6随机失效（正常失效） 模具经大量的生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役时，称为模具的正常失,模具寿命与失效的术语定义,模具寿命与工业生产的关系,效。 模具发生正常失效时，已达到或超过模具预定的寿命。,2019/4/17,40,7模具正常寿命 模具正常失效前，生产出的合格产品的数目，称模具正常寿命，简称模具寿命（S）。 模具首次修复前生产出的合格产品的数目，称首次寿命（S1）。 模具一次修复后到下一次修复前所生产出的合格产品的数目，称修模寿命(S2)。 模具寿命S是首次寿命S1与各次修模寿命S2的总和。,模具寿命与失效的术语定义,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,41,第二节 国内模具寿命的现状和趋势,一、国内、外模具寿命现状和比较 我国模具基本分为10大类，其中，冲压模和塑料成型模两大类占主要部分。 按产值计算，目前我国冲压模占50左右，塑料成形模约占20， 世界发达工业国家和地区的塑料成形模比例一般占全部模具产值的40以上。,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,42,我国冲压模大多为简单模、单工序模和复合模等，而精冲模、精密多工位级进模数量不多。 模具的平均寿命不足100万次，模具最高寿命达到1亿次以上，精度达到35m，有50个以上的级进工位， 国际上最高模具寿命6亿次，平均模具寿命5000万次。,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,43,我国塑料成形模具单型腔，简单型腔的模具占主导地位达70以上，一模多腔精密复杂的塑料注射模，多色塑料注射模已经能初步设计和制造。 模具平均寿命约为80万次左右。 最高寿命已突破2000万次，型腔数量已超过100腔，达到了80年代中期至90年代初期的国际先进水平。,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,44,注塑模型腔制造精度可达0.020.05mm,表面粗糙度Ra0.2m,模具质量和寿命明显提高, 非淬火钢模寿命可达1030万次, 淬火钢模达501000万次, 交货期较以前缩短， 但和国外相比仍有较大差距，具体数据见表2-1。,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,45,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,46,全国由于模具寿命低而造成的浪费,估计每年不下数亿元人民币。 目前我国每年消耗模具钢610万吨左右，进口模块一万多吨。 如把由于模具寿命低，对产品的质量和产量所带来的损失也考虑在内，则浪费更为严重。 我国模具钢的消耗量与日本大致相当，但日本的产品却高出我国几十倍，我们的模具寿命只相当于工业先进国家的1513,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,47,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,表中所示是国内外几种主要模具寿命的比较。,2019/4/17,48,提高模具寿命近期的目标,对精密、复杂、大型、长寿命模具进行失效分析； 研究综合性能优良的模具钢，形成系列，淘汰老钢种； 研制高耐磨冷作模具钢，硬化精密热作模具钢，复合系易切削镜面塑料模具钢，新型硬质合金，钢结硬质合金模具材料；,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,49,研究真空热处理及表面热处理新技术； 研制新型模具润滑剂和涂料、粘结剂； 研制新型喷镀、刷镀等新强化堆焊技术，提高模具维修技术，提供综合性措施，大幅度提高模具使用寿命。,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,50,到2020年的目标,研制高性能优质模具钢； 开发新型超硬合金、金属陶瓷、合成纤维等新型模具材料； 研究应用激光等新型热处理强化技术。,国内、外模具寿命现状和比较,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,51,第三节 模具寿命与工业生产的关系,从图2-1中看：模具寿命越长生产率越高，但生产率又与设备的工作节奏有关。,一、 模具寿命与生产率的关系,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,52,一种产品模具的生产都要经历从设计、制造、安装调试、维护，直至失效报废等不同阶段。每一阶段都会影响到模具的寿命和生产率也包括成本。 从下列公式中可以看出他们之间的关系。,模具寿命与生产率的关系,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,53,产品批量小于模具寿命时，生产率与 产品数量的关系公式为：,Q 生产率(件h)； n 产品批量(件)； N 设备的工作节奏(次min);,（3-1）,模具寿命与生产率的关系,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,54,T1模具的设计时间 从模具设计到模具所有工艺文件、图样完成所用的时间，称模具设计时间。 T2模具的制造时间 模具从制造开始到初次使用时所用的时间，称为模具的制造时间。,模具寿命与生产率的关系,模具寿命与工业生产的关系,（3-1）,2019/4/17,55,T3模具的安装、调试时间 模具制造出来后，装在相应生产设备上，调试生产第一件合格产品所用的时间，称为模具的安装、调试时间。 T4模具的修复及维护时间 模具服役一段时间后，暂时性地失去功能或为了维护所用的时间，称为模具的修复及维护时间（包含拆卸、重新装在设备上所用的时间）。 T的单位为h,模具寿命与生产率的关系,模具寿命与工业生产的关系,2019/4/17,56,若不计设计、制造时间，生产率公式为：,当产品批量大于模具寿命时的生产率,S模具寿命 这种情况下只有当T2T3+T4+S60N时，才能使生产连续进行。,（3-2）,模具寿命与生产率的关系,模具寿命与工业生产的关系,（3-3）,2019/4/17,57,二、模具寿命与产品成本的关系,采用模具生产的产品的成本费分为： 1）与模具寿命无关的项目 包括生产产品用原材料费、工资、设备折旧费及管理费等； 2）与模具寿命有关的项目 如模具费、模具工费等。 模具工费包括生产模具用水电燃气动力费、人员工资、车间经费、企业管理费、试制性不可预见费等。,模具寿命与工业生产的关