1、铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究广西大学 硕士学位论文 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 姓名：唐志强 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：庞祖高 20100601 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 摘要 铝型材挤压模具在高温、高压、高摩擦的环境中服役，承受着冷热疲 劳和附加应力的作用，分流桥、工作带等工作部位易发生开裂等形式的早 期失效，挤压模具寿命受到严重的挑战。 本文选择 H13 钢挤压模具开裂失效严重的分流桥等工作部位进行研究，在采用金相组织观察、扫描电镜分析等物化实验的基础上，利用 DEFORM 3D 软件对铝型材挤压模具的工作过程进行了仿真模拟，结合挤压工
2、艺进行 正交实验设计，探讨了模具材料组织、模具结构和挤压温度、挤压速度、 摩擦因子及模具预热温度对模具开裂失效的影响规律。研究结果表明： 1挤压模具的开裂性质主要为脆性开裂失效，断口的形貌特征表现为 沿晶开裂和疲劳开裂的混合开裂。 2模具开裂与材料组织有关，模具内部存在碳化物偏析及Na、A1、Ca 氧化物杂质是产生模具开裂失效的原因之一。 3模具开裂与模具结构有关，上模的分流桥结构形状复杂，存在应力 集中隐患，该处最大应力值高达 1 成开裂失效。 4模具开裂与挤压工艺有关，当挤压温度 500，挤压速度10mms， 摩擦因子 O4，模具预热温度 470。C 时，最有利于避免模具发生开裂失效。 5
3、优化工艺后，分流桥处的最大主应力下降 4078，流速均方差SDV 值减小 9542，模具寿命及型材质量显著提高。 本文深入研究了铝型材挤压模具 H13 钢开裂失效的原因及影响因素， 并对挤压工艺进行了优化设计，为避免挤压模具发生开裂失效提供了理论 参考。 关键词： 挤压模具开裂失效 仿真模拟正交优化 ANDSTUDYONCRACKFAILUREOF ANALYSIS DIEOFALI 皿如【c、n】_MPROFILES ABSTRACT die Aluminumextrusionservicesunderthe conditionsof working high and is for and
4、friction，it temperature，highpressurehigh easyportholebridge etctocreatethecrackfailuredueto fromtheinfluence workingpath suffering ofthecoldthermal andadditionalstressTheextrusiondielifereduces fatigue evidently Inthis crackfailureinextrusiondieH13steel paper,portholebridge，where often beenselectedt
5、o onthe andchemical Occurs，has studyBased paysical likemicrostructureobservationand electron experiments scanning microscopy of extrusiondieissimulated aluminum analysis，theworkingprocess profiles by the softwareandtheextrusion is DEFORM-3D processingorthogonal lawsofdiematerial experimentaldesigned
6、，theinfluencing structureandextrusion frictionfactoretcon temperature，extrusionvelocity，the die resultsshowthat： crackfailurehavebeendiscussedThe 1Thecracknatureoftheextrusiondieis brittlecrack mainly failure，the fracture featurehasbeenshowedmixedcrackfailure morphology combining crackand crack inte
7、rgranularfatigue 2Diecrackfailureisrelatedtothematerial ofthereasons organization，One III failureisthattherearecarbide and oxide crack Na，A1，Ca creating segregation indieinller inclusion isrelatedtothe 3Diecrackfailure die structureand of structure，the shape is thestressis at concentrated portholebr
8、idgecomplex，and portholebridge，the imumstressvalueis11 H13materialallowablelimit 40MPa，exceeding to lcadscrackfailure value，which 4Diecrackfailureisrelatedtothe extrusion extrusion processing，when is factor 500“C，extrusionlOmms，friction temperature speed 04，preheating ofdie ismostconducivetoavoidthe
9、occurrenceofcrack 470“C，it temperature failureofextrusiondie stressvalueat 5After extrusion imum optimizing processing，the decreases deviationofflow 4078，mean portholebridge square velocity SDV minishs9542Theresultsshowthattheservice1ireofdieandthe of havebeen quality significantlyimproved profiles
10、Inthis and factors thecrackfailureof causes paper，the influencingcreating aluminumextrusiondie13steelhavebeenstudiedandtheextrusion profiles H be astheoreticalreferencefor is resultsCanregarded processingoptimizedThe crackfailureofextrusiondie avoiding KEYWORDS：extrusion simulation die；crackfailure；
11、numerical orthogonaloptimization； IV 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 第一章绪论 11 铝型材挤压概述 铝型材因其重量轻、比强度高、耐腐蚀、外型美观、制造简单等特点，在汽车、机 械、航空航天、电力以及建筑装潢等国民经济的各个领域得到了广泛的应用【l】 。21 世纪 以来，我国铝业掀起了第三次发展高潮，铝加工产业获得了持续、高速的发展21。2005 年，铝加工型材产、销量达 1176 万吨，首次超过美国居世界首位，其中铝挤压型材达 到 660 万吨年，成为世界最大的铝挤压型材生产副 31。目前，铝型材及模具的形状已由 简单的结构向大型复杂的结构发展 14
12、 剖。 111 铝型材挤压特点【78】 1 挤压比大。如铝的挤压比达到 50 以上，与其他工艺相比，可大大减小成型工序， 生产效率高。 2 实现产品复杂化。铝型材挤压不仅可以生产断面简单的空心型材、棒材，还可 以生产电脑散热片、冰箱拉手、异型材等复杂的型材。图 11 所示为电脑CPU 散热器。 3 挤压加工灵活性大。在同一台挤压机上只要更换模具就可以生产出用户需要的 任何形状、尺寸的产品，更换模具操作简单易行，费时少，效率高。 4 金属力学性能高。铝型材挤压是在封闭模具中的三向压应力下进行的，材料得 到了充分的塑性变形，晶粒细小，无气孔等，因此力学性能高。 5 工艺流程简单、成本低、生产操作方
13、便。 图 1I 电脑散热器示意图 TheschematicofCPUradiator Fig11 diagram 广西大掌硕士掌位论文 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 112 铝型材挤压模具的工作条件 铝型材挤压是在高温、高压和强摩擦的封闭环境下进行，模具的工作条件十分恶劣， 归纳起来有以下几个方面【9】： 1 承受长时间的高温、高压作用。挤压前铸锭预热温度为 450500，加上挤压 过程中由于摩擦生热和变形热效应，温度升高降低了模具的强度，同时模具在待机及生 产状态下，极易因冷热疲劳而产生微裂纹和疲劳破坏。 2 承受偏心载荷和变载荷作用。由于铝型材结构复杂，形状非对称，厚薄不一致， 在
14、挤压过程中，偏心载荷在所难免，一旦存在偏载，分流桥等工作部位极易发生失稳、 局部变形甚至弯断。 3 承受高摩擦作用。合金流经模芯与工作带间的缝隙时，产生强摩擦作用而导致 工作带及模芯的磨损，工作带间隙变大，制品精度下降。 4 承受局部的应力集中的作用。产品的形状复杂多变，模具结构和形状也相应地 较为复杂，因而在高温高压下在缺口及截面突变处容易产生应力集中现象，从而引起局 部变形或局部压塌。 113 铝型材挤压模具的材料要求 鉴于模具恶劣的工作条件，为避免模具产生早期失效，铝型材挤压的模具材料必须 具有以下要求【10】： 1 高的强度值。模具在高温高压条件下工作，因此要求模具在挤压型材时，常温
15、下强度极限值应大于 1500MPa，同时在高温下也表现较好的力学性能。 2 高的红硬性。铝合金挤压属于热挤压，即在高温下要求模具有抵抗机械负荷的 能力而不会过早地产生退火和回火现象。生产经验表明，高温下工作模具材料屈服强度 值应不低于 1000MPa。 3 高的冲击韧性和开裂韧性值。在高温和高压下模具具有强度和韧性的良好结合， 防止在较低应力或冲击载荷条件下模具产生脆断。 4 高的耐磨性。即在长时间的摩擦条件下，模具表面具有抵抗磨料磨损的能力， 能抵抗因金属的粘结作用而磨损模具表面的能力。 5 良好的淬透性。以保证模具的整个断面有较高的力学性能。 6 具有抗热疲劳性能。能抵抗高热应力和防止模具
16、在连续、反复、长时间的使用 2 广西大学硕士学位论文 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 过程中产生热疲劳裂纹。 7 高的导热性。能及时将来自坯料的热量及挤压热效应产生的热量散失，防止模 具出现热稳定性下降的现象。 8 抗反复循环应力性强。即要求模具有高的持久强度，以防止过早疲劳破坏等。 12 铝型材挤压模具的开裂失效形式 模具出现大裂纹或分离为两部分或数部分，丧失服役能力，称为断裂失效【111。模具 的断裂失效是最严重的失效形式，一旦发生开裂即宣告模具报废。常见的断裂失效形式 有：模芯横断、纵裂、分流桥的弯断等。断裂失效的分类及其特征见表11 所示。 表 l-I 断裂失效的分类及其特征 T
17、ab11Classificationsandcharacteristicsoffracture 对于铝型材挤压模具而言，在使用过程中，一般不会发生完全的断裂失效而大多表 现为开裂失效，开裂失效的形式主要有塑性开裂、脆性开裂及疲劳开裂。 13 国内外挤压模具开裂失效研究 近几年，国内外铝型材挤压模具开裂失效分析及相关的热处理工艺、模具结构优化 等防治措施的研究得到了较快发展，从传统的物理实验分析方法到先进的数值分析方 法，促使了生产技术的前进，加速了铝工业的发展。 清华大学林庆谊四等运用光学显微镜、洛氏硬度计、扫描电镜等实验条件对模具开 裂失效件进行分析，得出工件失效的主要原因是在热处理回火不及
18、时，造成应力的分布 广西大掌硕士学位论文 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 不均，需严格控制热处理工艺，以避免工件过早失效。卢国辉【13】等人针对铝型材挤压模 具的早期失效形式，得出模具发生开裂失效的原因是模具材料的冶金质量低劣，在模具 表面存在大量的气孔和夹杂物。西南交通大学郑朝霞【14】分析发现 H13钢热挤压模具开 裂的原因是材料组织中存在严重的成分偏析及硫化物杂质，同时电火花加工面上的微裂 纹促进了模具的开裂。王彦可【15】等针对轴承保持架温挤压凹模开裂失效，利用 匀且应力集中是凹模开裂的问题，提出增加凸台壁厚和改变凹模结构来降低应力集中。 于沪平【161 等利用体积成形软件 DE
19、FORM，对平面分流组合模的挤压变形过程进行了模 拟，综合分析了应力、应变及速度场的变化规律与模具失效的关系。刘琼【17】分析了挤压 温度、挤压速度、模具预热温度等工艺对温挤压模具早期失效的影响。 Mullis18】从分子动力学方面对脆性开裂扩展的过程进行了模拟，表明在高温下，晶 是准解理开裂的小平面。BmeOi 限元软件分析了在挤压过程中的应力、应变、温度、流动速度等的分布规律和变化情况， 为挤压成形提供了理论参考。许多学者251 研究发现，金属材料开裂的微观机理与开 裂应力、温度、应变率等有关，并具体分析了产生开裂的原因及机理。 14 课题研究的意义 模具在服役过程中，工作条件恶劣，承受高
20、温、高压、摩擦等作用而发生开裂等早 期失效，不能正常服役，浪费了大量的人力、物力和制造成本，并且影响了生产进度和 经济效益，大大制约了我国铝合金挤压工业的发展。 据统计资料261，在模具的失效形式中，开裂失效占 20左右，是最严重的失效形式 之一。模具的开裂失效一般没有明显征兆，危害性极大，一旦萌生裂纹发生开裂，模具 即完全丧失服役功能。据有关资料介绍，在铝型材挤压生产中，模具成本占总成本的 20 30。所以，研究铝型材挤压模具开裂失效的性质、原因，找到提高模具使用寿命和型 材质量的措施和方法，具有重要的研究意义。 4 广西大学硕士掌位论文 铝型材挤压模具的开裂失效分析及其研究 15 课题来源
21、及研究内容 151 课题来源 本课题来源于广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室开放基金项 目 合同编号：GXKFJ13 。 152 研究内容 本文研究的主要内容有： 1 探讨模具开裂失效的产生机理及影响因素。 2 针对方管型材挤压模具的开裂失效，利用物化实验手段进行宏观断口分析、硬度性 能测试、金相显微分析、扫描电镜分析等研究模具开裂失效的机理和原因。 应力场、温度场及载荷的变化规律对模具开裂失效的影响。 4 研究挤压工艺，如挤压温度、挤压速度、摩擦系数、模具预热温度对模具开裂失效 的影响规律。 5 以模具最大应力值、最大载荷值和型材挤出速度 SDV 值为目标参考变量，对铝型材 挤
22、压工艺进行正交试验设计，寻求最优挤压工艺参数。 5 铝型材挤压模 41的开裂失效分析及其研究 第二章模具断裂失效的机理及影响因素 模具的断裂失效按断裂性质可分为韧性断裂、脆性断裂及疲劳断裂。本章分别对这 三类断裂失效的机理进行阐述，并简要分析了影响模具断裂失效的影响因素，为进行模 具开裂失效分析提供理论依据。 21 模具断裂失效的机理 211 韧性断裂 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂，即零件在断裂之前，断裂部位出现明显的塑性 变形。韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。 1滑移分离 在韧性断裂中，最为显著的特征是在断口产生明显的塑性变形，塑性变形的机理 是滑移，滑移指晶体的一部分相对于另一部
23、分沿着一定的晶面和晶向产生相对滑动的过 程。滑移是在切应力作用下发生的，当切应力在滑移面上的分量达到一定的临界值后， 滑移才会开始，该最小切应力称为临界分切应力 f， 。 材料的滑移按照一定的规则进行： 滑移的方向总是原子的最密排方向。 滑移发生在原子的最密排晶面上。 滑移首先沿着具有最大剪切应力的滑移系发生。 滑移分离的主要宏观形貌是断口附近有明显的塑性变形；断面呈 450角倾斜；滑移 在平面应力状态下产生。其微观形貌是有一定特征的滑移线、涟波花样及延展区【271。图 21 所示为滑移分离中的滑移线形貌。 6 兰兰翌竺墨堡墨竺至竺查苎竺堡垒苎苎!旦 !查兰里主兰竺兰奎 ：， 。-_ ；。一 7i 一。a，2， ，j 一。 、 。 。 ，? 7- 。，_ 。夕：。 4。 ，。j， ， 。7， ， ， ：，?+y、 。夕 i ， 、 j一 0， 、 。i1I， 。 ， +。 。 h、 ， 。 ，j?+、 ， 一 r 。 、 ， 、t、 ， 。 一 、 、， ，0| ，o：。0，：一一， ”+： 一 7 ， 、 一 1 J。 ，r!氕：、 ，： 、|， 。， 7 ：、 ， ，7， 、+，一， 、 ，?
