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形式很相似，但是其形成機理卻相差甚遠，不同的形成機理對應著不同的改善方案。所以精準的認識和判斷模具失效形式的類型，可以快速地找到缺陷對應的解決方案，本文將通過基于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，金屬液充型過程中內澆口速度相對過高，且長時間對模具進行沖擊，造成模具表面出現凹凸不平的坑洼狀，映射到產品對應位置呈現出聚集顆粒狀不平表面。

圖2 沖蝕結果與成型速度結果

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

圖3 粒子充型結果，流態充型矢量結果與模具溫度結果

從動態成型方面，結合粒子充型結果（圖3a）與流態充型矢量結果（圖3b），我們可以看到以粒子狀顯示的金屬液的充型前進矢量持續對缺陷位置進行沖擊。同時結合模具溫度結果（圖3c），也發現模具缺陷位置呈現局部低溫狀態。

缺陷判斷結果小結：沖蝕結果，成型速度結果，粒子充型結果，流態充型矢量結果，模具溫度結果等。

對策：對于模具局部出現沖蝕且設計上無法避免的現象，需要提高相應位置模具材料的高溫強度和耐磨性。在可做局部鑲件的條件下，Bohler W360IB突出的耐磨性和高溫強度可以顯著提高抗沖蝕性。

對于無法做成鑲塊的情況，模具鋼材選擇需要考慮高溫強度，例如Bohler W403VMR，W403VMR采用真空電弧重熔，保證高合金當量材料的韌性，緩解沖蝕問題同時規避次生風險的發生。

輔助氮化或者涂層，可以進一步改善沖蝕現象。

二、龜裂：由熱交變應力，拉應力，塑性應變綜合作用引起的失效形式。如圖4所示，產品表面呈現缺料，裂紋缺陷。

圖4 缺陷圖片

通過觀察模具溫度模擬結果（圖5a）缺陷位置對應的模具呈現表面溫度高，背溫低的狀態，出現了巨大溫度差。

圖5 模具溫度結果與溫度曲線結果

同時，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生成，兩條綠色曲線為無缺陷模具表面取點生成，圖片顯示了5個生產循環。通過觀察曲線的變化規律可以發現，在每個生產循環中，缺陷模具表面的溫度曲線變化劇烈。

缺陷判斷結果小結：模具溫度結果，溫度曲線結果等。

對策：提高模具材料的硬度，強度，韌性，延展性，導熱性均可改善龜裂現象。

在模具溫度場無法達到較理想狀態的生產條件下，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的能力。

NADCA 207-2016

在模具溫度場可以實現較理想狀態的生產條件下，Bohler W403VMR 高強度模具鋼可以有效改善龜裂現象。

三、裂紋（開裂）：模具短時間內熱應力或機械應力過載引起失效。

圖7 最大主應力結果與應力曲線結果

如圖7a右圖所示，在模具表面取A,B兩點。其中A點為缺陷位置，B點為無缺陷位置，結果顯示A點的最大主應力大于B點。結合應力曲線結果可以觀察到，A點的溫度高于B點，A點的最大最小主應力差值大于B點，最大最小主應變和米塞斯應力曲線結果也呈現相同情況。

缺陷判斷結果小結：應力結果，應力曲線結果等。

對策：熱應力和機械應力共同作用導致裂紋出現，根據裂紋形成形態和應力分析確定模具材料。

對于緩慢形成的淺層裂紋，材料選材宜提升強度：
Bohler W360IB小型產品
Bohler W403VMR 小型產品，中型產品
Bohler W350IB 大型產品
對于短時間形成的裂紋，材料選材宜提升韌性，延展性：
Bohler W350IB 大型產品
Bohler W400VMR 小型產品，中型產品

結論：

不同的缺陷對應著不同的改善方法，有些缺陷雖然表面看起來非常相似，但其改善策略卻是相去甚遠，甚至背道而馳。只有快速地確定缺陷類型，才能在最短的時間內找出相對應的改善方法，并定制化匹配適合壓鑄生產條件和模具失效類型的模具鋼，提高生產質量與生產效率。