应力集中对结构影响的知识点

模具的截面尺寸变化处，最容易因应力集中而开裂导致早期破坏。因为模具钢在大多数情况下，需要在高强度状态承受载荷，必然对应力集中十分敏感，所以合理安排工模具截面尺寸，对模具的寿命影响颇大。例如，模腔圆角曲率半径的大小导致裂纹的形成，裂纹在反复应力作用下迅速扩展，导致模具开裂，降低模具使用寿命。

模腔大多含有过渡圆角，合理的过渡圆角R对模具寿命影响很大。图1-6所示为冷挤凹模的金属入口处的形状和内径圆角R对模具寿命的影响。由图可见增大圆角半径R，可提高模具寿命。热锻模的圆角半径同样对模具寿命影响很大，如模腔外圆角半径R由1mm增大到5mm时，最大比较应力可减少近40%，显著地提高模具寿命。热锻模的内圆角半径也要合理选择，过小易使模锻工作条件恶化，锻模易于磨损。根据经验，内圆角半径值可按r=（2～3.5）R选取（R为外圆角半径）较为合适。

图1-6 冷挤凹模的金属入口处的形状和内径圆角对寿命的影响

在使用中易于断裂而又无法消除应力集中因素的模具，可预先分割，采用组合或镶块结构。这是克服成型凹模早期断裂失效的一项重要措施。图1-7所示的冷挤压顶杆，用Cr12MoV钢制作，原寿命仅为1千～2千次，改为组合结构后，消除了应力集中因素，平均寿命提高到15700次，最高达到28300次。

受力大冲击力高的模具，如冷挤、冷镦、热锻等模具，采用整体式结构时，由于模具表面拉应力的存在，易引起模具局部或整体的开裂现象。如塔形锻造凹模，采用组合式模腔，有效降低了模具表面的拉应力，就可避免开裂现象。图1-8a所示为高速工具钢制的M12螺栓整体式的冷墩凹模，整体式易出现早期胀裂现象，其寿命约1万件。改为图1-8b所示的预应力组合式的，由于有效降低了模具受力时的应力梯度，避免了尖角处的应力集中，其寿命达到6万件。

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图1-7 冷挤压顶杆结构改进示意图

图1-8 冷镦凹模结构改进示意图

整体式高速锤凸模截面尺寸变化甚大，工作寿命极短。后改为组合结构，大大减弱了应力集中，寿命大幅度提高。整体结构条件的中厚板弯曲凹模，其V形槽底部经常由于应力集中而胀裂。后改为对开组合结构，配以通用模架，即可正常服役而不发生早期胀裂失效。

预应力结构可提高冷挤、冷镦凹模的承载能力，充分发挥高耐磨材料的潜力。特别是使用硬质合金制作的模具，如不采用预应力结构，容易发生早期胀裂失效。预应力镶套径向强化可克服径向胀裂，小锥度轴向加压强化既可增强径向断裂抗力又可克服脱底开裂。如用W6Mo5Cr4V2钢制作的整体式凹模，寿命仅为1000～1500件，当采用镶套式结构后，寿命大幅度提高到50000～70000件。