第一章绪论
1-1机械失效分析工程及其发展
1-1-1机械失效分析工程概述
自1962年英国建立了世界第一个蒸汽锅炉监察处进行锅炉失效分析以来,机械失效分析就被作为法律仲裁技术而受到重视。随着工业的发展,各国的经济法律日趋完备,机械失效分析作为经济法的技术仲裁手段被广泛应用,因此更加受到各国政府、学者和企业家的重视。目前机械失效分析己经逐步发展形成了自成体系的机械失效分析工程学科,其主要研究内容是:机械失效分析工程理论机械失效分析技术效微区成分分析技术;(7)机械失效表面完整性分析技术;(8)机械失效医学诊断分析技术;(9)机械失效宏观统计分析技术;(l0)机械失效计算机辅助分析技术;的机械失效模糊评估分析技术。机械失效模糊评估分析技术就是对机械失效事故全面测试分析之前,依据机械失效分析工作者的知识和经验,凭自己的直觉判断大致地、模模糊糊地提出机械失效原因,确定详细分析程序与方法;或全面测试分析之后,大致地提出机械失效原因,确定机械失效分析报告结论与措施的分析技术。
估量与猜侧是机械失效模糊评估技术的核心。从统计观点来看,有时我们无法确定单个元素的状态,但是可以确定多个元素群体活动的状态,确定事故出现概率。在机械失效分析中常常难以根据不完整的知识背景,不充分的测试分析数据,提出符合逻辑的主要失效原因加以充分证明,但可以确定多个因素对机械失效的影响,这就需要大概的估量和猜侧。为了模仿人脑对机械失效的分析判断过程,还可以引入模糊集合或模糊数学的方法。目前,机械失效模糊评估分析技术发展比较迅速。
1-2冷作模具失效分析的意义
1-2-1模具失效分析概述
模具是机械工业生产中实现高效、少切削成形的重要工具。据国际生产协会统计,在2000年世界各国零件生产中75%的粗加工量和50%的精加工量是由模具来完成的。美国和日本等发达国家把模具工业称之为“工业发展的基础”、“促进繁荣的动力”。但是随着工业技术的发展,模具的工作条件日益苛刻,模具的使用寿命严重影响着工业生产的发展,因而提高模具的使用寿命受到了广泛的重视和研究。模具在正常工作中,加工出废品工件以前所生产的工件数量被称为模具的使用寿命。影响模具使用寿命的因素很多,包括模具设计、加工制造、材料选择、热处理工艺、使用和维护等,对任何一个环节安排不当,都有可能造成模具失效,严重影响模具的使用寿命。同时模具涉及到产品零件的制造,形状各异,结构复杂,在服役过程中各个部位承受的作用力不同,可能同时出现多种形式的损伤,这些损伤又相互促进,加速模具的损伤,当其中一种发展到足以妨碍模具正常工作或出现废品,丧失模具服役能力时,就造成模具失效现象。对失效模具的宏观特征、材质、工艺、理化性能、结构特征、受力状况及环境条件等进行分析研究,判断其失效性质与原因,提出预防与纠正措施的技术活动与管理活动称为模具失效分析。模具失效形式可分非正常失效(早期失效)和正常失效。模具未达到一定的工业技术水平下公认的寿命时就不能服役时,称为模具的早期失效。早期失效的形式有塑性变形、断裂、局部严重磨损。模具经过大量的生产使用,因缓慢塑性变形或均匀的磨或疲劳断裂而不能继续服役时,称为模具的正常失效。提高模具使用寿命的研究,实质上意味着和模具失效作斗争的过程。只有分析和研究了模具使用中失效的原因,才能够采用相应的有效措施来提高模具的使用寿命,以利取得良好的经济效益。
1-3冷作模具的失效特征及其材料选择
1-3-1冷作模具的失效特征
摩擦面上不平处互相咬合,并不断产生微观塑性变形,在晶界和滑移面交汇处引起应力集中,产生高度局部化的累积损伤,导致亚表面摩擦裂纹的萌生,且不断扩展和合并,最后与基体分离成磨屑,从而使磨损量随着冲压次数的增加而增多。模具的磨损主要是咬合磨损,也可能因刃口上存在表面剥落的碎屑而产生磨料磨损。此外,还有因为摩擦发热而产生的热磨损。摩擦磨损可以使得刃口钝化、棱角变圆,甚至引起粘膜现象。尤其严重的是当冷冲裁模具随着冲裁次数的增加,被加工材料会熔敷在刃口上,使刃口局部形成疙瘩;或者因刃口出现微小纹,最后出现破损(崩刃)现象,使得模具与工件之间形成异常磨损。冷作模具磨损有均匀磨损、局部磨损和局部剥落等形式。非均匀的局部磨损耐磨性是由于外来粒子、碳化物剥离及磨损中形成的硬质点引起的磨粒磨损,此种磨损常使模具表面形成严重的沟槽。局部剥落掉块是在磨损过程中,在剪应力作用下引起的局部疲劳磨损而萌生微裂纹并最终扩展至脱落所致。模具的耐磨性随着模具硬度的提高而增加,但在硬度相同的情况下,韧性愈好耐磨性愈高。因此,冷作模具硬度愈高,冲击韧性会下降,会促使磨损裂纹的形成和扩展,从而加速磨损的进程。要提高冷作模具的耐磨性,就必须注意硬度与韧性的良好配合。
1-3小3塑性变形失效特征
在冷徽、冷挤和冷冲过程中,冲头由于材料的抗压或抗弯强度不足而出现冲头徽粗、下陷及弯曲变形而造成模具失效。这是由于模具的工作载荷大、模具硬度偏低有关。当淬火温度低、碳化物在基体中溶量不足、钢材淬透性差。淬火后硬度就会偏低,不仅模具的耐磨性差,而抗
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第二章钢丝绳套冷压模具及其主要失效形式
2-1钢丝绳套压套机及其冷压模具
从上述工厂提供的实际冷压模具加工设计图可以看出,钢丝绳套冷压模具属于组合模具结构,模座的内径设计尺寸为必120护03mm,冷压凹模外径尺寸为必120踩02,mm。凹模与模座之间原设计结构属于间隙配合结构,其最大间隙值为Xma、=55娜,最小间隙值近似为Xml。=O。在冷压加工最大直径为48罗25的钢丝绳套时,钢丝绳套压套机的最大工作压力为300吨。冷压凹模在生产中承受着低周循环交变载荷的作用。凹模材料采用低合金模具钢CrWMn,模座材料采用20CrMnTI。凹模制造工艺流程如下:(l)先进行锻造(热锻),始锻温度为1100一1140℃,锻造比为1:3,终锻温度为800一850℃,锻后空冷到650一700℃,再转入干砂,炉渣坑中缓冷。(2)热处理工艺如图2.5所示。(3)在机加工过程中,上下凹模要求两件同时加工内孔和外圆,均在同一端打印模具号,锐边倒钝;下模座的内径和定位孔要求必须和上模座合起配作,修毛刺及锐边。
2-2冷压模具的主要失效形式
在2000年上半年中每隔两个月对中国巨力集团钢丝绳绳套压制生产现场进行调研,调研结果发现该公司钢丝绳套厂冷压模具的早期失效都是因为冷压组合模具的凹模早期失效产生纹或断裂而报废的。为此,本课题组每次随机抽取不同生产批次报废模具各30套,三次调研共抽取失效模具90套。经过对90套失效凹模失效形式统计和询问现场生产技术人员,我们发现有79套模具冷压成品数量在冷压2000一2500次凹模内壁表面产生多处微小裂纹,微小裂纹在出现以后继续冷压生产20到40件钢丝绳套后很快扩展成贯穿凹模内壁的大裂纹,造成凹模纵向劈裂,致使模具失效;其余模具凹模出现掉块或刃口出现崩刃现象,致使模具失效。由上述可见,钢丝绳套冷压模具主要的失效形式为凹模内壁首先出现的微小裂纹随后扩展速率快,在极短的时间内扩展成贯穿凹模内壁的大裂纹,造成凹模纵向劈裂,致使模具失效。失效凹宏观纵向裂纹如图2.8和图2.9所示:
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第三章钢丝绳套冷压模具失效凹模的检测与分析……16
3-1失效凹模断口分析…………16
3-2失效凹模材质的检测夸………………17
3-3凹模热处理工艺改进建议……………20
3-4失效凹模材料检测结果综合分析………23
第四章钢丝绳套冷压模具失效力学分析………24
4一1冷压模具简化力学模型的建立………24
第五章有限单元法及其分析软件NASTRAN………31
5-1有限单元法的基本概念……………32
5-3有限元分析软件NASTRAN…………35
第六章冷压模具失效结构有限元计算…………38
6-1冷压模具失效结构有限元计算方法概述…………38
6-2凹模失效结构有限元计算…………38
第七章冷压模具结构优化有限元计算…………53
7-l凹模结构优化有限元计算…………53
7-2整体模具结构优化有限元计算…………55
7-3本章小结…………61
第八章冷压模具优化效果检验………62
8-l冷压模具优化效果检验方案………62
第八章冷压模具优化效果检验
8-1冷压模具优化效果检验方案
本课题研究结果的验收是在中国巨力集团进行的,经中国巨力集团技术部认真审查了研究报告之后,按照本研究结果加工了8套优化后的冷压组合模具,另外又抽取了2套原设计制造冷压组合模具,采取本研究提出的热处理工艺对上述10套模具进行处理,然后,将上述10套模具分别在一组2台压套机上装机试验。(1)试验地点:中国巨力集团钢丝绳套生产分厂(2)试验设备:YS一300型钢丝绳压套机2台,最大工作载荷为300吨压力(3)试验日期:2002年9月2002年12月8l2装机试脸结果分析模具装机试验结果见表8.1,No.1~No.8为优化后的模具,在制造冷压钢丝绳套实际生产中,其凹模使用寿命均在5000~6000模次之间;采用原设计模具只改进热处理工艺的No.9和No.10模具凹模使用寿命分别为2568模次和2419模次。
结论
本论文针对中国巨力集团公司钢丝绳套冷压模具冷压凹模早期失效生产实际课题,利用扫描电镜对失效凹模断口的形貌及属性进行了认真的分析,同时系统地检测了失效凹模本体材料的化学成分、力学性能、金相组织;运用现代有限元理论和计算机虚拟仿真制造技术相结合对实际工况下的冷压模具进行模具结构失效有限元计算和优化仿真,确定了模具结构不合理是造成模具失效的主要原因,提出了模具最佳优化设计方案,经过实际工况下装机测试取得了良好效果。其主要结论如下:
1.冷压凹模的主要失效形式是首先在凹模内壁出现的微小裂纹随后快速扩展,在极短的时间内扩展成贯穿凹模内壁的大裂纹,造成凹模纵向劈裂,使模具失效。失效凹模的断口属于典型的疲劳断口,存在瞬时断裂区。凹模选材合理,其力学性能和金相组织基本符合生产标准,部分失效凹模材料中存在着一定的碳化物偏析,但不是凹模失效的主要原因。
2.部分失效凹模金相组织中存在碳化物带状偏析现象,认为冷压凹模原热处理工艺不够理想,建议采用790℃/680℃三次循环球化退火工艺代替现行的常规球化退火工艺,机加工后再过830℃油淬加220℃回火的热处理。
3.采用传统的力学计算方法对凹模结构失效分析,其计算结果只是一个模糊的概念,不能够准确地确定造成凹模失效的模具结构设计缺陷。采用现代有限元分析软件NASTRAN对冷模具进行虚拟仿真失效分析,可以清晰地看到原模具结构设计造成凹模内壁表面应力明显集中凹模内壁表面所受的最大应力值己经超过了crwMn钢的许用应力值,确定了造成模具早期失效的主要原因是原模具凹模与模座配合设计不当。
参考文献（略）