基于MAGMASOFT®模擬分析下的常見模具失效類型

1.劉琪明  2.高航  3.徐錦勝

1.邁格碼(蘇州)軟件科技有限公司；2.博樂(lè)特殊鋼（上海）有限公司；3. 深圳市品成金屬制品有限公司

模具的失效形式有很多，例如沖蝕，龜裂，裂紋（開裂）等。以上列舉的失效形式其表現(xiàn)形式很相似，但是其形成機(jī)理卻相差甚遠(yuǎn)，不同的形成機(jī)理對(duì)應(yīng)著不同的改善方案。所以精準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)和判斷模具失效形式的類型，可以快速地找到缺陷對(duì)應(yīng)的解決方案，本文將通過(guò)基于MAGMASOFT®模擬分析，快速判定缺陷類型，確定正確的解決方案。

一、沖蝕：高速高壓的金屬液激烈的摩擦和沖擊模具表面造成的磨損

圖1 缺陷圖片

如圖1所示，金屬液充型過(guò)程中內(nèi)澆口速度相對(duì)過(guò)高，且長(zhǎng)時(shí)間對(duì)模具進(jìn)行沖擊，造成模具表面出現(xiàn)凹凸不平的坑洼狀，映射到產(chǎn)品對(duì)應(yīng)位置呈現(xiàn)出聚集顆粒狀不平表面。

圖2 沖蝕結(jié)果與成型速度結(jié)果

針對(duì)于此種類型的失效形式，在MAGMASOFT®中首先可以通過(guò)沖蝕結(jié)果進(jìn)行快速甄別。如圖2a所示，圖片中高亮位置為軟件預(yù)判的缺陷位置，模擬結(jié)果與實(shí)際缺陷位置相對(duì)應(yīng)。然后通過(guò)成型速度結(jié)果進(jìn)行輔助驗(yàn)證，如圖2b所示，沖蝕位置速度結(jié)果呈高亮顯示，表示其充型速度相對(duì)較高。（針對(duì)于不同材料性能上的差異，可以在軟件中設(shè)定不同的臨界速度值）

圖3 粒子充型結(jié)果，流態(tài)充型矢量結(jié)果與模具溫度結(jié)果

從動(dòng)態(tài)成型方面，結(jié)合粒子充型結(jié)果（圖3a）與流態(tài)充型矢量結(jié)果（圖3b），我們可以看到以粒子狀顯示的金屬液的充型前進(jìn)矢量持續(xù)對(duì)缺陷位置進(jìn)行沖擊。同時(shí)結(jié)合模具溫度結(jié)果（圖3c），也發(fā)現(xiàn)模具缺陷位置呈現(xiàn)局部低溫狀態(tài)。

缺陷判斷結(jié)果小結(jié)：沖蝕結(jié)果，成型速度結(jié)果，粒子充型結(jié)果，流態(tài)充型矢量結(jié)果，模具溫度結(jié)果等。

對(duì)策：對(duì)于模具局部出現(xiàn)沖蝕且設(shè)計(jì)上無(wú)法避免的現(xiàn)象，需要提高相應(yīng)位置模具材料的高溫強(qiáng)度和耐磨性。在可做局部鑲件的條件下，Bohler W360IB突出的耐磨性和高溫強(qiáng)度可以顯著提高抗沖蝕性。

對(duì)于無(wú)法做成鑲塊的情況，模具鋼材選擇需要考慮高溫強(qiáng)度，例如Bohler W403VMR，W403VMR采用真空電弧重熔，保證高合金當(dāng)量材料的韌性，緩解沖蝕問(wèn)題同時(shí)規(guī)避次生風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

輔助氮化或者涂層，可以進(jìn)一步改善沖蝕現(xiàn)象。

二、龜裂：由熱交變應(yīng)力，拉應(yīng)力，塑性應(yīng)變綜合作用引起的失效形式。如圖4所示，產(chǎn)品表面呈現(xiàn)缺料，裂紋缺陷。

圖4 缺陷圖片

通過(guò)觀察模具溫度模擬結(jié)果（圖5a）缺陷位置對(duì)應(yīng)的模具呈現(xiàn)表面溫度高，背溫低的狀態(tài)，出現(xiàn)了巨大溫度差。

圖5 模具溫度結(jié)果與溫度曲線結(jié)果

同時(shí)，如圖5c所示，一共5條曲線，三條紫色曲線為缺陷模具表面取點(diǎn)生成，兩條綠色曲線為無(wú)缺陷模具表面取點(diǎn)生成，圖片顯示了5個(gè)生產(chǎn)循環(huán)。通過(guò)觀察曲線的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)生產(chǎn)循環(huán)中，缺陷模具表面的溫度曲線變化劇烈。

缺陷判斷結(jié)果小結(jié)：模具溫度結(jié)果，溫度曲線結(jié)果等。

對(duì)策：提高模具材料的硬度，強(qiáng)度，韌性，延展性，導(dǎo)熱性均可改善龜裂現(xiàn)象。

在模具溫度場(chǎng)無(wú)法達(dá)到較理想狀態(tài)的生產(chǎn)條件下，Bohler W400VMR +氮化/涂層，高韌性、高延展性材料輔以表面處理可以提高抵抗疲勞裂紋出現(xiàn)的能力。

NADCA 207-2016

在模具溫度場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)較理想狀態(tài)的生產(chǎn)條件下，Bohler W403VMR 高強(qiáng)度模具鋼可以有效改善龜裂現(xiàn)象。

三、裂紋（開裂）：模具短時(shí)間內(nèi)熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力過(guò)載引起失效。

圖7 最大主應(yīng)力結(jié)果與應(yīng)力曲線結(jié)果

如圖7a右圖所示，在模具表面取A,B兩點(diǎn)。其中A點(diǎn)為缺陷位置，B點(diǎn)為無(wú)缺陷位置，結(jié)果顯示A點(diǎn)的最大主應(yīng)力大于B點(diǎn)。結(jié)合應(yīng)力曲線結(jié)果可以觀察到，A點(diǎn)的溫度高于B點(diǎn)，A點(diǎn)的最大最小主應(yīng)力差值大于B點(diǎn)，最大最小主應(yīng)變和米塞斯應(yīng)力曲線結(jié)果也呈現(xiàn)相同情況。

缺陷判斷結(jié)果小結(jié)：應(yīng)力結(jié)果，應(yīng)力曲線結(jié)果等。

對(duì)策：熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)，根據(jù)裂紋形成形態(tài)和應(yīng)力分析確定模具材料。

對(duì)于緩慢形成的淺層裂紋，材料選材宜提升強(qiáng)度：
Bohler W360IB小型產(chǎn)品
Bohler W403VMR 小型產(chǎn)品，中型產(chǎn)品
Bohler W350IB 大型產(chǎn)品
對(duì)于短時(shí)間形成的裂紋，材料選材宜提升韌性，延展性：
Bohler W350IB 大型產(chǎn)品
Bohler W400VMR 小型產(chǎn)品，中型產(chǎn)品

結(jié)論：

不同的缺陷對(duì)應(yīng)著不同的改善方法，有些缺陷雖然表面看起來(lái)非常相似，但其改善策略卻是相去甚遠(yuǎn)，甚至背道而馳。只有快速地確定缺陷類型，才能在最短的時(shí)間內(nèi)找出相對(duì)應(yīng)的改善方法，并定制化匹配適合壓鑄生產(chǎn)條件和模具失效類型的模具鋼，提高生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率。