基于MAGMASOFT®模拟分析下的常见模具失效类型

1.刘琪明  2.高航  3.徐锦胜

1.迈格码(苏州)软件科技有限公司；2.博乐特殊钢（上海）有限公司；3. 深圳市品成金属制品有限公司

模具的失效形式有很多，例如冲蚀，龟裂，裂纹（开裂）等。以上列举的失效形式其表现形式很相似，但是其形成机理却相差甚远，不同的形成机理对应着不同的改善方案。所以精准的认识和判断模具失效形式的类型，可以快速地找到缺陷对应的解决方案，本文将通过基于MAGMASOFT®模拟分析，快速判定缺陷类型，确定正确的解决方案。

一、冲蚀：高速高压的金属液激烈的摩擦和冲击模具表面造成的磨损

图1 缺陷图片

如图1所示，金属液充型过程中内浇口速度相对过高，且长时间对模具进行冲击，造成模具表面出现凹凸不平的坑洼状，映射到产品对应位置呈现出聚集颗粒状不平表面。



图2 冲蚀结果与成型速度结果

针对于此种类型的失效形式，在MAGMASOFT®中首先可以通过冲蚀结果进行快速甄别。如图2a所示，图片中高亮位置为软件预判的缺陷位置，模拟结果与实际缺陷位置相对应。然后通过成型速度结果进行辅助验证，如图2b所示，冲蚀位置速度结果呈高亮显示，表示其充型速度相对较高。（针对于不同材料性能上的差异，可以在软件中设定不同的临界速度值）

图3 粒子充型结果，流态充型矢量结果与模具温度结果

从动态成型方面，结合粒子充型结果（图3a）与流态充型矢量结果（图3b），我们可以看到以粒子状显示的金属液的充型前进矢量持续对缺陷位置进行冲击。同时结合模具温度结果（图3c），也发现模具缺陷位置呈现局部低温状态。

缺陷判断结果小结：冲蚀结果，成型速度结果，粒子充型结果，流态充型矢量结果，模具温度结果等。

对策：对于模具局部出现冲蚀且设计上无法避免的现象，需要提高相应位置模具材料的高温强度和耐磨性。在可做局部镶件的条件下，Bohler W360IB突出的耐磨性和高温强度可以显著提高抗冲蚀性。



对于无法做成镶块的情况，模具钢材选择需要考虑高温强度，例如Bohler W403VMR，W403VMR采用真空电弧重熔，保证高合金当量材料的韧性，缓解冲蚀问题同时规避次生风险的发生。



辅助氮化或者涂层，可以进一步改善冲蚀现象。

二、龟裂：由热交变应力，拉应力，塑性应变综合作用引起的失效形式。如图4所示，产品表面呈现缺料，裂纹缺陷。



图4 缺陷图片

通过观察模具温度模拟结果（图5a）缺陷位置对应的模具呈现表面温度高，背温低的状态，出现了巨大温度差。



图5 模具温度结果与温度曲线结果

同时，如图5c所示，一共5条曲线，三条紫色曲线为缺陷模具表面取点生成，两条绿色曲线为无缺陷模具表面取点生成，图片显示了5个生产循环。通过观察曲线的变化规律可以发现，在每个生产循环中，缺陷模具表面的温度曲线变化剧烈。

缺陷判断结果小结：模具温度结果，温度曲线结果等。

对策：提高模具材料的硬度，强度，韧性，延展性，导热性均可改善龟裂现象。



在模具温度场无法达到较理想状态的生产条件下，Bohler W400VMR +氮化/涂层，高韧性、高延展性材料辅以表面处理可以提高抵抗疲劳裂纹出现的能力。



NADCA 207-2016

在模具温度场可以实现较理想状态的生产条件下，Bohler W403VMR 高强度模具钢可以有效改善龟裂现象。



三、裂纹（开裂）：模具短时间内热应力或机械应力过载引起失效。





图7 最大主应力结果与应力曲线结果

如图7a右图所示，在模具表面取A,B两点。其中A点为缺陷位置，B点为无缺陷位置，结果显示A点的最大主应力大于B点。结合应力曲线结果可以观察到，A点的温度高于B点，A点的最大最小主应力差值大于B点，最大最小主应变和米塞斯应力曲线结果也呈现相同情况。

缺陷判断结果小结：应力结果，应力曲线结果等。

对策：热应力和机械应力共同作用导致裂纹出现，根据裂纹形成形态和应力分析确定模具材料。

对于缓慢形成的浅层裂纹，材料选材宜提升强度：

Bohler W360IB小型产品

Bohler W403VMR 小型产品，中型产品

Bohler W350IB 大型产品

对于短时间形成的裂纹，材料选材宜提升韧性，延展性：

Bohler W350IB 大型产品

Bohler W400VMR 小型产品，中型产品

结论：

不同的缺陷对应着不同的改善方法，有些缺陷虽然表面看起来非常相似，但其改善策略却是相去甚远，甚至背道而驰。只有快速地确定缺陷类型，才能在最短的时间内找出相对应的改善方法，并定制化匹配适合压铸生产条件和模具失效类型的模具钢，提高生产质量与生产效率。