金屬加工拉伸和沖裁的介紹

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1、 拉伸、沖裁 小組成員 方俊杰：021000811 李 翔：021000822 殷思晟：021000852 張河?。?21000856 張森源：021000857 拉深模的種類(lèi)p將坯料或板料施加一定壓力使其產(chǎn)生塑性變形,壓制成各種形狀的空心零件的模具稱(chēng)為拉深模具。拉深模具一般由凸模、凹模、壓邊圈（有時(shí)不用）組成.p拉深模具按制品的形狀特點(diǎn),變形位置和性質(zhì)不同而采用不同的結(jié)構(gòu),p 其主要類(lèi)型有:p圓筒形直臂旋轉(zhuǎn)體拉深模,p曲面旋轉(zhuǎn)體拉深模,p直臂非旋轉(zhuǎn)體盒形件拉深模,p非旋轉(zhuǎn)體復(fù)雜曲面拉深模。 簡(jiǎn)介圖 拉深模的工作條件p 拉深模具主要用于金屬板料的拉深成形，拉 深過(guò)程 中模具的受力狀態(tài)如圖 所示

2、。 拉深時(shí) 凸 模下壓板料毛坯，拉深力通過(guò)凸 模底部和 凸模 圓角部位傳導(dǎo)給毛坯，板料毛坯的外緣部分通過(guò)凹模端面與壓邊 圈之間被拉入凸模與凹模之間的間隙。在 拉深力 P 動(dòng) 、壓邊力 P 壓以及毛坯與模具工作部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力的作用下，凸 模圓角半徑處受到壓力 P 1 和摩擦力 F 1 ；凹模圓角半徑處受到壓力 P 2 及摩擦力 F 2 ；凹模端面部位 半受到 了壓力 P 3 和摩擦力 F 3 ；壓邊圈與板料相接觸的部位受到了壓力 P 4 和摩擦力 F 4 的作用。 拉伸示意圖 p在拉深開(kāi)始階段，凸模圓角半徑處的板料被彎曲拉伸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦力 F 1 使 凸 模圓角半徑受到磨損。隨

3、著拉深的進(jìn)一步進(jìn)行，已變形板料緊貼凸模圓角半徑部位并開(kāi)始產(chǎn)生應(yīng)變硬化，相對(duì)運(yùn)動(dòng)大大減弱，摩擦力變小。但是在整個(gè)拉深過(guò)程中，凹模圓角半徑處、凹模端面以及壓邊圈相應(yīng)部位始終與板料作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生劇烈摩擦，壓應(yīng)力和摩擦力都很大，因此凹模與壓邊圈的磨損現(xiàn)象始終存在。 常見(jiàn)失效形式及影響因素p由于拉深模具的工作部件沒(méi)有刃口，受力面積大，工作時(shí)無(wú)嚴(yán)重的沖擊力，因此，拉深模不易 出現(xiàn)塑性變形和斷裂失效。但是工作時(shí)存在著很大的摩擦，拉深模具的主要失效形式為粘附磨損和磨粒磨損，并以粘附磨損為主，是拉 深過(guò)程 中常出現(xiàn)的問(wèn)題和模具失效的重要原因。粘附磨損的部位發(fā)生在 凸 模、凹模的圓角半徑處，以及凹模和壓邊圈的端

4、面，其中以凹模和壓邊圈的端面粘附磨損最嚴(yán)重。模具與工件表面產(chǎn)生粘附磨損后，脫落的材料碎屑會(huì)成為磨粒，從而伴生出磨粒磨損。磨粒磨損將使模具表面更為粗糙，進(jìn)而又加重粘附磨損。 p從顯微觀 察看，模具和坯料的表面都是凹凸不平的，由于模具表面的硬度高于坯料，相互擠壓摩擦?xí)r會(huì)將坯料表面刮下的碎粒壓入模具表面的凹坑。在拉 深過(guò)程 中，坯料的塑性變形以及坯料和模具工作部件表面的摩擦，會(huì)產(chǎn)生出熱能。特別是在某些塑性變形嚴(yán)重和摩擦劇烈的局部區(qū)域，所產(chǎn)生的熱能造成了高溫，破壞了模具和坯料表面的氧化膜和潤(rùn)滑膜，使金屬表面裸露，促使材料分子之間相互吸引，并使模具表面凹坑里的坯料碎屑熔化，和模具表面焊合，形成堅(jiān)硬的小瘤

5、，即粘結(jié)瘤。這些堅(jiān)硬的小瘤，會(huì)使 拉深件表面粗糙度 變差，嚴(yán)重時(shí)將在產(chǎn)品的表面 刻劃 出刻痕，擦傷工件，并且加速模具的不均勻磨損，這種失效形式又 稱(chēng)為粘模 。此時(shí)，需對(duì)模具進(jìn)行修磨，除去粘附的金屬。 拉深模的 重要問(wèn)題，就在于如何防止粘附的金屬小瘤。 p在拉深工作中，出現(xiàn)拉深粘模的問(wèn)題，與被拉深坯料的化學(xué)成分、所使用的潤(rùn)滑劑及模具工作部件的表面狀況等因素有關(guān)。鎳基合金、奧氏體不銹鋼、 坡莫合金 、精密合金等材料拉深時(shí)極易 發(fā)生粘模 。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，拉深模的工作部件表面不允許出現(xiàn)磨損痕跡，必須具有較低數(shù)值的表面粗糙度和較高的耐磨性。 影響拉深模壽命的主要因素p工件材料與模具材料的親和力 親和

6、力大的材料容易粘接在一起。如果粘結(jié)強(qiáng)度高，則粘著磨損和粘結(jié)瘤會(huì)產(chǎn)生距離模具表面較深的地方。比如鐵、鉻、鎳與鐵的互溶性大，因而，純鐵、鉻、鎳不銹鋼等板材用鋼模拉深時(shí)易粘模，而鋁、銅、鎂、鋅與鐵的互溶性小，其相應(yīng)的板材在用鋼模拉深時(shí)，粘著磨損的傾向小。 p壓邊力 拉深模中采用壓邊圈的目的是為了防止工件起皺。由圖5-7知，壓邊力過(guò)大，壓邊圈會(huì)將工件壓得越緊，則凹模、壓邊圈與板料之間的摩擦力就大，粘著磨損的傾向就大。如果壓邊力太小的話(huà)，防皺的效果肯定就不好，板料容易起皺，如果強(qiáng)行將材料拉入凹模中，不僅在工件上會(huì)留下褶皺，而且會(huì)皺起的部分會(huì)造成板料與凹模、板料與壓邊圈的不均勻接觸，容易在凹模、壓邊圈上出

7、現(xiàn)磨損溝痕，加速模具的不均勻磨損。 p 表面強(qiáng)化處理對(duì)沖模壽命的影響 零件表面強(qiáng)化處理的目的是時(shí)材料表面具有很高的硬度而材料內(nèi)部的韌性又很好的效果,從而得到硬度、耐磨性、韌度、耐疲勞強(qiáng)度的良好配合。由拉深模的受力分析可知：拉深模具主要的失效形式是發(fā)生磨損，因此在使用性能的要求上需要模具具有很高的耐磨性和很高的硬度以及好的抗咬合性。 p 模具表面粗糙度 根據(jù)磨損的機(jī)理，一般情況下，模具表面粗糙度值越低，耐磨性越好。但是太光滑的表面，不利于在凹坑和凸峰之間儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，會(huì)造成模具與材料的直接接觸，使模具的磨損更嚴(yán)重。 提高拉深模壽命的措施p 合理選擇模具材料 根據(jù)坯料材質(zhì)的不同，選用與其親和力小的模

8、具材料。一般來(lái)講，坯料為鋼板，模具材料應(yīng)選用有色金屬，繁殖，坯料為有色金屬，模具材料則選用鋼和鐵。 此外，對(duì)于不同的產(chǎn)品批量，不同的工件形狀、大小，應(yīng)選用不同的材料，從而降低產(chǎn)品成本。 p（一） 輕載拉深（拉深薄鋼板和 銅、 鋁合金）時(shí)的模具材料 i生產(chǎn)批量較小時(shí)，對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的筒形 淺拉深件 ，可選用 T8 、 T10 鋼； 對(duì)于形狀復(fù)雜的中小型件，選用 CrWMn 、 9Mn2V 。 ii中批量生產(chǎn)或生產(chǎn)批量較大時(shí)，選用 Cr12MoV 。 iii生產(chǎn)批量很大時(shí)，選用硬質(zhì)合金 或鋼結(jié)硬質(zhì)合金 。 p（二）重載拉深（拉深厚鋼板、反拉深、變薄拉深）時(shí)的模具材料 i生產(chǎn)批量較小時(shí)，可選用 T10

9、 、 CrWMn 。 ii生產(chǎn)批量較大時(shí)，選用 Cr12MoV 以及 GM 鋼。 GM 鋼的強(qiáng)度和韌性高于高速鋼、 Cr12MoV ；抗粘附磨損和磨粒磨損能力明顯優(yōu)于基體鋼和 Cr12MoV ，在拉 深模方面 已得到較好應(yīng)用。 iii生產(chǎn)批量很大時(shí)，考慮選用硬質(zhì)合金 或鋼結(jié)硬質(zhì)合金 p（三）拉深不銹鋼、 高鎳合金鋼 、耐熱鋼板的模具材料 i拉深這類(lèi)材料時(shí)，容易發(fā)生粘附和拉毛，首選模具材料為鋁青銅。 ii生產(chǎn)批量較小時(shí)，可選用鋁青銅、 T10A （鍍硬鉻，注意采用鍍硬鉻工藝時(shí)鍍層不能太厚，以防拉深時(shí)剝落）。 iii生產(chǎn)批量較大時(shí)，選用鋁青銅、 Cr12MoV 、 Cr12Mo1V1 （表面滲氮）

10、。 iiii生產(chǎn)批量很大時(shí)，選用硬質(zhì)合金。 p（四）大型 拉深件 、汽車(chē)覆蓋件的拉深模具材料 可以選用合金鑄鐵或高強(qiáng)度球墨鑄鐵。球墨鑄鐵能夠浸入潤(rùn)滑油，組織中的石墨具有自潤(rùn)滑作用，能有效地減輕拉深中的摩擦，而且成本較低、容易加工。 p 合理潤(rùn)滑 在前述分析可知，在拉深中，毛坯和模具接觸，在接觸表面之間存在摩擦力，如圖5-8 其中如果F2、F3、F4增大則拉深力就要增大，工件容易斷裂或者嚴(yán)重變薄，模具和工件表面都會(huì)劃傷，因此它們是是有害摩擦。而F1的存在時(shí)凸模傳遞拉深力的必備條件，所以它是有益摩擦。那么我們就必須選用潤(rùn)滑劑而且潤(rùn)滑劑的位置就在F2、F3、F4表面。拉深件應(yīng)該必須進(jìn)行正確的潤(rùn)滑。所

11、謂正確的潤(rùn)滑是指：在凹模圓角、平面、壓邊圈表面及相應(yīng)的毛坯表面應(yīng)該每隔一定周期涂抹一層潤(rùn)滑油，一定不能再凸模表面與工件之間涂抹。 p 表面處理 模具常用的表面處理方法有：滲硼、滲鉻和電火花強(qiáng)化,以及CVD、PVD和在鹽浴中TD 等。此外，采用高頻淬火、滾壓、噴丸等表面強(qiáng)化處理,使模具工作零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高其耐疲勞強(qiáng)度,有利于模具壽命的壽命。例如Cr12 鋼拉深模，氣象沉積TiC 后，使用壽命可以提高830 倍。 沖裁p沖裁是從板料上分離出所需形狀和尺寸的零件或毛坯的沖壓方法。沖裁是利用沖模的刃口使板料沿一定的輪廓線(xiàn)產(chǎn)生剪切變形并分離。 p沖裁模是沖壓生產(chǎn)中不可缺少的工藝裝備，良好的模具結(jié)

12、構(gòu)是實(shí)現(xiàn)工藝方案的可靠保證。沖壓零件的質(zhì)量好壞和精度高低，主要取決于沖裁模的質(zhì)量和精度。沖裁模結(jié)構(gòu)是否合理、先進(jìn)，有直接影響到生產(chǎn)效率及沖裁模本身的使用壽命和操作的安全、方便性等。 由于沖裁件形狀、尺寸、精度和生產(chǎn)批量及生產(chǎn)條件不同，沖裁模的結(jié)構(gòu)類(lèi)型也不同。 沖裁模的分類(lèi)p敞開(kāi)模：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小、重量輕、制造易、本錢(qián)低、但壽命低、精度差、適于精度要求不高，開(kāi)頭簡(jiǎn)單，小批量或試制的沖裁件。p導(dǎo)板式：精度比敞開(kāi)模高，適于開(kāi)頭簡(jiǎn)單，工件尺寸不大的沖裁件。要求壓力機(jī)行程不大于導(dǎo)板厚度。p導(dǎo)柱式：導(dǎo)柱導(dǎo)向保證沖裁間隙均勻，沖裁件的工件尺寸精度高，模具使用壽命長(zhǎng)，安裝方便，適于大批量生產(chǎn)。p連續(xù)模：條料

13、要求精定位，使內(nèi)孔與外形相互位置精度得到保證。生產(chǎn)率高，具有一定的沖裁精度，適于大批量生產(chǎn)。 p復(fù)合模：沖裁件的內(nèi)外形相互位置精度高，適于大批量生產(chǎn)。 敞開(kāi)模 導(dǎo)板式 導(dǎo)柱式 連續(xù)模 復(fù)合模 工作條件p沖裁模主要用于各種板材的落料與沖孔，模具的工作部位是凸、凹模的刃口，刃口工作時(shí)承受沖擊力、剪切力、彎曲力，以及剪切材料的強(qiáng)烈摩擦力，因而對(duì)沖裁模的性能要求主要是指對(duì)模具刃口的性能要求。p 從沖裁工藝分析中我們已經(jīng)得知，板料的沖裁過(guò)程可以分為三個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段和剪裂階段。在彈性變形階段，當(dāng)凸模對(duì)板料施加壓力時(shí)，由于凸模和凹模之間存在間隙，受力部位不在同一垂線(xiàn)上。板料會(huì)在彎矩M的作

14、用下產(chǎn)生翹曲，與凸模端面的中心部分脫離接觸，。這時(shí)板料只和模具的凸、凹模刃口部分相接觸，壓力集中于刃口附近。在沖裁過(guò)程中，由于板料的彎曲，模具的受力主要集中于刃口附近的狹小區(qū)域。凸、凹模刃口區(qū)域不僅位于最大端面壓應(yīng)力和最大側(cè)面壓應(yīng)力的交聚處，而且也處于最大端面摩擦力和 最大側(cè)面摩擦力的交匯處，工作時(shí)刃口承受著劇烈的壓應(yīng)力和摩擦力作用。 p 根據(jù)板料的厚度，冷沖裁模具可分為薄板沖裁模（板厚1.5mm）和厚板沖裁模（板厚1.5mm）兩種。對(duì)于薄板沖模，要求模具用鋼具有高的耐磨性；對(duì)于厚板沖裁模，除要求高的耐磨性、抗壓屈服點(diǎn)外，還應(yīng)具有高的強(qiáng)韌性，以防止模具崩刃斷裂。下表是對(duì)不同沖裁模具的硬度要求。

15、 沖裁模的主要失效形式p 模具刃口所受作用力的大小和板料的力學(xué)性能、厚度等因素有關(guān)。考慮到板料厚度對(duì)模具沖裁負(fù)荷的影響，通常可以將沖裁按板料的厚度分為薄板沖裁(t1.5mm)和厚板沖裁(t1.5mm)。p 對(duì)于薄板沖裁模，由于模具受到的沖擊載荷不大，在正常的使用過(guò)程中，模具因摩擦產(chǎn)生的刃口磨損是主要的失效形式。磨損過(guò)程可分為初期磨損，正常磨損和急劇磨損三個(gè)階段。對(duì)應(yīng)于三個(gè)階段，刃口的損傷過(guò)程如圖11-3所示。 p (1)初期磨損階段 模具刃口與板料相碰時(shí)接觸面積很小，刃口的單位壓力很大，造成了刃口端面的塑性變形，一般稱(chēng)為塌陷磨損。其磨損速度較快(見(jiàn)圖11.1.1a)。p (2)正常磨損階段 當(dāng)

16、初期磨損達(dá)到一定程度后，刃口部位的單位壓力逐漸減輕，同時(shí)刃口表面因應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)變硬化，(見(jiàn)圖11.1.1b)。這時(shí)，刃口和被加工坯料之間的摩擦磨損成為主要磨損形式。磨損進(jìn)展較緩慢，進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定的正常磨損階段，該階段時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明其耐磨性能越好。p (3) 急劇磨損階段刃口經(jīng)長(zhǎng)期工作以后，經(jīng)受了頻繁沖壓會(huì)產(chǎn)生疲勞磨損，表面出現(xiàn)了損壞剝落(見(jiàn)圖11.1.1c)。此時(shí)進(jìn)入了急劇磨損階段，磨損加劇，刃口呈現(xiàn)疲勞破壞，模具已無(wú)法正常工作。模具使用時(shí)，必須控制在正常磨損階段以?xún)?nèi)，出現(xiàn)急劇磨損時(shí)，要立即刃磨修復(fù)。 隨著刃口的磨損，工件的毛刺高度會(huì)不斷 增加，因此實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過(guò)觀測(cè)毛刺高度的大小來(lái)推斷

17、模具刃口的磨損量，在沖裁件達(dá)到質(zhì)量允許的毛刺極限值時(shí)即進(jìn)行刃 磨。 p從磨損機(jī)理上分析，凸 、凹模的磨損主要是粘附磨損和磨粒磨損。 粘附磨損是在模具刃口在與板料的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于高壓產(chǎn)生了局部的相互粘著和咬合現(xiàn)象當(dāng)接觸面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，粘附部分便發(fā)生剪切引起磨損。 磨粒磨損是指模具工作時(shí)表面剝落的碎屑嵌入工作部件表面，成為磨料，使其逐漸磨損的過(guò)程。沖裁硬度較高的金屬材料（如高碳鋼、硅鋼）時(shí)， 因材料 的硬?；蛱蓟飫冸x而產(chǎn)生磨粒磨損。當(dāng)沖壓高韌性材料（如奧氏體不銹鋼）時(shí)，易產(chǎn)生粘附磨損。 影響沖裁模失效的因素p工藝與模具設(shè)計(jì) (1)沖裁件的設(shè)計(jì) 模具設(shè)計(jì)的原則是保證足夠的強(qiáng)度、剛度、同心度

18、、對(duì)中性和合理的沖裁間隙,并減少應(yīng)力集中,以保證由模具生產(chǎn)出來(lái)的零件符合設(shè)計(jì)要求。因此對(duì)模具的主要工作零件(如沖模的凸、凹模,注塑模的動(dòng)、定模,模鍛模的上、下模等) 要求其導(dǎo)向精度高、同心度和對(duì)中性好以及沖裁的間隙合理。 沖裁件結(jié)構(gòu)的工藝性直接影響沖裁工藝和模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響模具的設(shè)計(jì)和制造成本。因此，沖裁件的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮沖裁工藝的約束，嚴(yán)格控制沖裁件外形和結(jié)構(gòu)尺寸的邊界極限，即孔徑、孔距、圓角和搭邊極限等。盡可能選擇強(qiáng)度低和厚度小的材料，這樣才能提高沖裁模的壽命。 p (2)沖裁工藝過(guò)程制訂 在制定沖裁工藝過(guò)程時(shí)，首先構(gòu)思若干可能的排樣方式，擇優(yōu)選取。排樣要考慮材利用率，但是必須滿(mǎn)足邊界極限

19、限制的要求，即滿(mǎn)足料邊搭邊值A(chǔ)=1.2t(t為材料厚度)的極限值，改善模具的側(cè)向力，減少模具磨損。根據(jù)試驗(yàn)，如果搭邊小于正常值的50%,模具壽命將降低50%70%。特殊結(jié)構(gòu)的零件必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)算后才能確定是否適用沖裁加工，否則無(wú)法達(dá)到模具使用的經(jīng)濟(jì)性。 p(3)模具結(jié)構(gòu) 模具結(jié)構(gòu)包括模具幾何形狀、模具間隙、沖頭長(zhǎng)徑比、端而傾斜角、過(guò)渡圓角半徑、裝配結(jié)構(gòu)等等。 模具結(jié)構(gòu)方案和技術(shù)參數(shù)是否合理將對(duì)模具壽命起到?jīng)Q定性作用。模具的結(jié)構(gòu)方案取決于制品形狀、尺寸精度、批量等，井從模具的經(jīng)濟(jì)性要求出發(fā)擬定出相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)。 如是短期小批量生產(chǎn)，則宜采用簡(jiǎn)易模具結(jié)構(gòu)，如屬于長(zhǎng)期人批量生產(chǎn)則宜采用自動(dòng)化程度高的模具

20、結(jié)構(gòu)，如復(fù)合模、級(jí)進(jìn)模等。 p 4)模具的沖裁間隙 沖裁模凸模和凹模之間的間隙大小及其均勻性(包括設(shè)計(jì)間隙和動(dòng)態(tài)間隙)，不但對(duì)制件質(zhì)量有明顯影響，而且也是影響模具使用壽命的關(guān)鍵因素之一。間隙過(guò)大，材料會(huì)產(chǎn)生撕裂或在切斷而周邊出現(xiàn)人的壓塌角和毛刺，毛刺高度可達(dá)數(shù)毫米，因此，沖裁件難以達(dá)到尺寸精度和斷而質(zhì)m:要求; 間隙過(guò)小，凸、凹模刃口容易崩裂，產(chǎn)品斷而出現(xiàn)反向拉拔狀毛刺、二重光亮帶或全光亮帶，雖然沖件的尺寸精度和斷而質(zhì)量較好，但沖裁力明顯增大，磨損加大，會(huì)使模具壽命降低。如果間隙不勻，上述現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在模具的相應(yīng)部位，這顯然對(duì)沖件質(zhì)量和模具壽命均不利。故選擇合理的間隙，是獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和提高模具壽

21、命的基礎(chǔ)。 提高沖裁模壽命的措施p1、盡量采用大間隙 在滿(mǎn)足沖壓件質(zhì)量的前提下，盡量采用大間隙，從而降低沖裁力，避免啃模及不均勻磨損。p2、采用彈性卸料板 采用彈性卸料時(shí)，可提供一定的壓邊力，能減輕坯料滑動(dòng)以及翹曲，減小對(duì)刃口的磨損。p3、采用導(dǎo)向裝置 模具具有導(dǎo)向裝置，能保證工作狀態(tài)的均勻間隙，克服刃口的不均勻磨損。 p 4、增加凸凹模剛度 凸模工作時(shí)類(lèi)似于桿受軸向載荷，若凸模剛度不足，則抗偏載能力低，并易產(chǎn)生彎曲及造成折斷和不均勻磨損。因此，一般凸模柄部面積和頭部面積分別為工作端面面積的2倍和4倍。p 5、選取耐磨性好的模具材料 根據(jù)沖壓件的批量，應(yīng)選取能滿(mǎn)足耐磨要求的模具材料。同時(shí)，由于凸模工況比凹模惡劣，凸模材料的耐磨性應(yīng)選的比凹模材料的耐磨性高。p 6、采用表面強(qiáng)化技術(shù) 采用表面滲碳、滲硼等表面強(qiáng)化工藝能有效的提高模具表面的耐磨性。 p7、超前維修 沖裁模的受力只局限于刃口附近，在使用一段時(shí)間后，刃口處會(huì)不可避免的出現(xiàn)不均勻磨損和磨損溝痕，如果提前修模，可避免因凸、凹模間隙不均勻而產(chǎn)生的附加彎矩及防止磨損溝痕處產(chǎn)生裂紋，以提高模具壽命。