* 几何形状 凸端型 b）尖端型 c）平端型 导向装置 模具采用导向装置能保证模具零件在工作中的相对位置精度，增加模具抗弯曲、抗偏载的能力，避免模具不均匀地磨损。可靠的导向结构，对于避免凸模与凹模间互相啃伤极为有效，对于小间隙或无间隙的大中型型腔模、冲裁模、精冲模更为重要。因此，模具的导向也是影响模具寿命的重要因素，在其它条件相同的情况下，模具的导向精度越高，则模具的寿命就越长。 2）模具材料的影响 模具材料必须满足模具对塑性变形抗力、断裂抗力、疲劳抗力、硬度、耐磨性、冷热疲劳抗力等性能的要求，如不能满足模具则会发生早期失效。 3）模具加工制造的影响 模具加工制造工艺过程，特别是锻造工艺过程对模具的失效影响极大。 模具的切削加工必须严格符合设计要求，应保证尺寸过渡处的圆角半径，圆弧与直线相接处应光滑。 模具热处理的目的是获得所需要的内部组织和性能。 4）模具工作条件的影响 模具使用寿命与模具的工作条件也密切相关。 首先与成形材料及其温度有关。 其次，模具寿命与成形设备有关。 再次，模具工作时的冷却和润滑对其寿命也有影响。 7.4 模具的制造 7.4.1模具的制造过程 模具制造是指在一定的制造装配和制造工艺过程条件下，直接对模具材料进行加工，以改变其形状、尺寸、相对位置和性质，使之成为符合要求的零件，再将这些零件相互配合、定位与安装、连接与固定成为模具的过程。 7.4.1.1 模具制造的基本要求 1）制造精度高 2）使用寿命长 在大批量生产的情况下，模具的寿命是先决条件 3）制造周期短 模具制造周期的长短主要取决于制造工艺过程和生产管理水平的高低 4）模具成本低 模具成本与模具结构的复杂程度、模具材料、制造精度要求及加工方法等有关，必须根据制品要求合理设计模具和制定其加工工艺过程。 片面追求模具精度和使用寿命必然会导致制造成本增加。当然，只顾降低成本和缩短制造周期而忽视模具精度和使用寿命的做法也不可取。在保证制品品质的前提下，选择与制件生产量相适应的模具结构和制造方法，使模具成本降低到最低限度。 7.4.1.2 模具制造的特点 1）形状复杂 2）制造品质要求高 3）材料硬度高 4）单件生产 5）模具生产周期短。 6）模具生产的成套性 7）试模与修模 8）模具加工向机械化、精密化和自动化发展 产品零件对模具精度的要求越来越高，高精度、高寿命、高效率的模具也越来越多。目前，精密成型磨床、CNC高精度平面磨床、精密数控电火花线切割机床、高精度连续轨迹坐标磨床以及三坐标测量仪的使用越来越普遍，使模具加工向高技术密集型发展。 7.4.1.3 模具制造的生产过程 1）模具方案确定 2）模具设计 3）生产准备 4）模具成形零件加工 5）装配与调试 6）试模与验收 7.4.2 模具零件的加工 7.4.2.1. 模具零件的常规机械加工 机械加工是模具加工的基本手段，主要包括车、铣、磨、刨、插等，其中车、铣、磨是模具零件机械加工中最常用的方法。 图6 复杂几何型线 模具刃口形状 成形砂轮磨削法 夹具磨削法 1-砂轮 2-工件 3-夹具回转中心 图9 各种圆弧砂轮形状 7.4.2.2 模具零件的电火花加工 电火花加工是指在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电时的电腐蚀作用而去除材料的一种工艺方法。可以加工各种高熔点、高硬度、高强度、高纯度、高韧性的材料。 图10电火花成形加工原理图 1-脉冲电源 2-电极 3-工件 4-工作液 2）实现电火花加工的基本条件 （1）脉冲电源：必须具有波形为单向的脉冲电源，脉冲宽度小于10-3s，放电时产生的热量来不及传散到材料内部，保证良好的加工精度和表面品质。同时，先后两次放电之间，必须要有足够的停歇时间使极间介电液充分消电离，恢复其介电性能，保证每次脉冲放电不在同一点重复进行，避免发生局部烧伤现象。 （2）足够的放电能量：保证在脉冲放电点有足够的放电强度使局部金属熔化和气化。 （3）放电间隙：电极与工件之间必须始终维持一定的间隙。间隙与工作介质、加工电压有关，一般为0.01～0.1mm。 （4）绝缘介质：为了使脉冲放电能重复进行，极间必须充有绝缘介质，同时，绝缘介质还有排出放电间隙中的电蚀物和冷却电极的作用，常用的绝缘介质有煤油、皂化液、水基液等。 3）电火花成形加工的特点 （1）由于脉冲放电的能量密度很高，可加工用切削方法难以加工或无法加工的高熔点、高硬度、高强度、高韧性、脆性大的材料以及形状复杂的零件，从而扩大了模具材料的选用范围。 （2）加工时，工件与电极不接触，二者之间不存在明显的作用力，不受刚度和强度影响，电极材料也不需要比工件材料硬度高。这不仅有助于电极的制造，而且也有利于加工包括小孔、窄槽在内的各种型孔、立体曲面及复杂形状，能一次加工完成；尺寸小至几微米，大至几米。 3）电火花成形加工的特点 （3）电火花加工时，脉冲放电时间短，热量传散 范围小，工件上的热影响区也小。 （4）脉冲参数可调，在同一台机床上可连续进行粗、中、精及精微加工，精加工时精度可达小于±0.01mm、表面粗糙度Ra0.63～1.25μm，精微加工时精度可达0.002～0.004mm、表面粗糙度Ra0.04～0.16μm。 （5）直接利用电能加工，便于实现自动化。 （6）加工速度慢、效率低，需要制作电极，加工准备时间长，并存在电极损耗 4）电火花成形加工的基本方法 （1）仿形法 即按照工件形状、尺寸及精度要求，设计、制造凸凹形状相反、尺寸与精度相同、留有后续加工余量，用来进行成形加工的方法，如图10。该方法的加工方式由单电极、多电极、单电极平动和分解电极等4种常用方式。 （2）创成法 又称展成法、轨迹法。即按工件加工面形状要求，编制出轨迹的二维数字控制程序，控制形状简单的半岛彩票圆柱体电极（一般为铜电极）一方面作自转，同时沿数控轨迹（使电极外圆沿工作型面）运动，作电火花加工的方法。 5）电火花线切割加工 电火花线切割加工原理与电火花成形加工原理相同，都是基于电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理。所不同的是电火花线切割加工不需要制作复杂的成形电极，而是用不断移动的电极丝作为工具，工件则按预定的轨迹进行运动而切割出所需的复杂零件形状。 电火花线）不需要制造专用的电极，可降低模具成本，缩短生产周期 （2）能用很细的丝电极加工出复杂形状的工件、细小通孔、窄缝和外表面等。 （3）加工过程中，电极损耗小（可忽略不计），可获得较高的加工精度。 （4）由于丝电极直径很小，蚀除金属量少，对贵重金属的加工更具意义。 （5）自动化程度高，操作简便。 （6）脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄，属中、精加工范畴。电火花线切割加工基本是一次加工成型，一般不要中途转换规准。 （7）只能加工以直线为母线的曲面而不能加工空间曲面。 7.5 其它模具技术 7.5.1模具的超声波加工 利用工具端面作超声频振动，并通过悬浮液中的磨料加工工件的方法叫超声波加工。 （1）适于加工各种硬质材料，特别是一些不导电的非金属材料，扩大了模具材料的选材范围。 （2）工具可用较软的材料做成较复杂的形状来加工型面和型腔，不需要工具相对于工件作复杂的运动，机床结构简单，操作方便， （3）由于去除加工材料是靠细微磨粒的瞬时撞击作用，故工件表面的宏观作用力很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度也较好（Ra为1～0.1μm），加工精度达0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚性工件。 7.5.2 模具的激光加工 （1）不需要加工工具，不存在工具损耗问题，很适于自动化连续加工。 （2）激光的功率密度很高，几乎能加工所有的材料半岛彩票。 （3）加工速度快，效率高，热影响区小。 （4）适于加工深而小的微孔、窄缝，尺寸可小到微米级。 （5）可以透过光学透明材料对工件进行加工，特别适合有特殊要求环境下的加工。 7.5.3 模具的电解加工 （1）电解加工与被加工材料的硬度、强度、韧性等无关，可加工任何金属材料。常用于加工高温合金、钛合金、硬质合金等难切削加工的材料。 （2）能以简单的直线进给运动，一次加工出复杂的型腔、型孔等。 （3）生产效率高，约为电火花加工的5～10倍，生产效率不受加工精度和表面粗糙度的影响。 （4）表面品质好，无毛刺和变质层。表面粗糙度可达Ra1.25～0.2μm；加工精度约为0.1mm。 （5）加工过程中阴极电极在理论上不会损耗，可长期使用。 （6）加工精度和加工稳定性偏低，加工不出棱角。设备投资大，占地大，设备锈蚀严重，需要进行污染处理。 7.5.4 模具的电铸成形 电铸成形是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成形加工的，也就是在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品 （1）复制精度高。 （2）重复精度高。 （3）原模的材料不一定是金属。 （4）电铸模具有一定的抗拉强度和硬度，因此铸成之后不需要热处理。 （5）不需要特殊设备，操作简单。 （6）电铸速度慢，生产周期长，尖角和凹槽部分铸层不均匀，逐层具有一定的内应力，不能承受冲击载荷。所以，电铸成形难于在大、中型模具制造中推广应用。 7.5.5 模具型腔的压力加工 模具型腔的压力加工方法有冷挤压法、热反印法及超塑性挤压等 模具型腔的开式挤压 7.5. 6 模具CAD/CAE/CAM技术 模具CAD技术就是利用计算机软件把模具设计人员的创造思维、综合判断能力与计算机强大的记忆、数字计算、信息检索等能力有机结合，完成模具的设计计算、模具的几何建模、工程分析、动态模拟和自动绘图等工作。 模具CAE技术主要针对不同的模具类型，以相应的基础理论，通过数字模拟方法模拟材料的成形过程，达到预测产品成形结果、减少试模次数、改进模具结构设计，控制产品成形品质，缩短产品开发周期，降低产品成本。 模具CAM技术就是利用计算机辅助完成模具的制造。 模具CAD/CAM技术主要用于模具建模（造型）和为数控加工提供NC程序。 模具CAD/CAE/CAM技术就是CAD/CAE/CAM技术在模具设计、分析计算、制造等全过程中的具体应用， 7.5. 6 模具CAD/CAE/CAM技术 效果和作用 1）缩短模具生产周期 2）提高模具设计水平 3）提高模具制造的质量 4）提高模具技术的标准化程度 5）提高模具设计人员的创造性 7.5.7 模具的数控加工技术 数控加工（Numerical Control, NC）就是用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的加工方法。 模具数控加工的原理是，首先根据被加工模具零件的形状、尺寸、工艺方案、工序顺序等信息，用规定的代码和格式编写出相应程序，并输入数控装置，数控装置对输入的各种信息进行译码、计算，根据计算结果向机床的各伺服系统的各个坐标分配进给脉冲，并发出动作信号，伺服系统将这些脉冲和动作信号进行转换与放大，驱动数控机床的工作台或刀架按照规定轨迹移动，并控制其它必要的辅助操作，机床安照预先要求的形状和尺寸对模具成形表面进行加工。 模具数控加工的特点有：加工精度和加工品质高、生产效率高、自动化程度高和生产周期短。 7.5.8 模具的快速原型制造 快速原型制造技术（Rapid Prototyping/Parts Manufacturing, RPM）基本原理及过程是，首先建立一个三维CAD模型，并对模型数据进行处理，沿某一方向进行平面分层离化，然后采用专用的CAM系统（成形机）将成形材料一层层加工，并逐层堆积出原型。快速原型制造技术的基本方法有物体分层制造法（Laminated Object Manufacturing,LOM法）、选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering,SLS法）、熔化堆积造型法（Fused Deposition Modling,FDM法）、立体平板印刷法（Stereo Lithography Apparatus,SLA法）、三维印刷系统法（Three Dimensional Printing,TDP法）和喷墨印刷法（Ink Jet Printing,IJP法）。 利用快速原型技术制造模具有直接法和间接法两种， 7.5.9 模具的逆向工程技术 逆向工程技术在模具中的应用主要体现在以下两个方面。第一，以样本模具为对象进行复制，即对原有模具如报废模具、二手模具等进行复制。 第二，以实物为对象设计制造模具并通过模具进行零件复制，即对用户提供的实物（可以是产品、模型或检具等）进行测绘，然后通过制造模具复制零件。 模具逆向工程的具体主要步骤 1．获取样本模具几何型面原始数据。 2．修正所获数据。 3．对所获数据进行必要的数字拟合，为造型提供依据。 4．运用CAD技术进行还原，建立生成样本模半岛彩票具的原始模型。 5．对生成的样本模具进行必要的修正或再设计半岛彩票，生成一个新的模具几何模型。 6．对复制的模具进行工艺过程设计，编制程序，进行模具加工。 7．对复制的模具进行试模，对其生产出的零件进行几何形状与应用功能检验。 7.6 模具的标准化 模具标准化的内容主要包括：研究、设计模具标准件；组织、指导模具标准件的生产与市场营运，使非标件与标准件之比为最小；宣传标准，使企业能以标准为依据，对模具设计、制造精度与品质量进行控制；提高模具标准化程度和水平。显然，模具标准化工作极具有创新、创造性的研究和设计工作。 1）模具国家标准GB 2）模具专业标准ZB 3）模具的企业标准 人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。 材料科学与工程学院 College of Materials Science & Engineering Page * 材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering Page * 材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering Page * 第七章 模 具 材料成型工艺学 第1节 概述 第2节 模具的基本结构与组成 第3节 模具材料与模具寿命 第4节 模具的制造 第5节 其它模具制造技术 第6节 模具的标准化 主要内容 7.1 概述 所谓模具就是“型”和“模”，古时也称作“范”，它是材料成形加工的工具。随着产品工业化生产的发展而形成了“模具”的概念。通过一定的方式使材料在模具内成形以制造所需制件。 模具是工业产品生产的重要工艺装备 采用模具成形零件的技术代替传统的切削加工技术，可以提高生产效率、保证零件品质、节约材料、降低生产成本，取得很高的经济效益。 模具工业是国民经济的基础工业 利用模具生产零件的方法已成为工业上进行成批或大批生产的主要技术手段，它对于保证制品品质，缩短试制周期，进而争先占领市场，以及产品更新换代和新产品开发都具有决定性意义。 模具技术是体现一个国家制造技术水平的重要标志 利用模具成形和生产零件的方法是一种少切削、无切削、多工序组合的生产方法。模具生产出的制件具有精度高、形状复杂、尺寸一致性好、材料利用率高、生产效率高、能耗低等优点。是其它加工制造方法不能比拟的。 7.2 模具的基本结构与组成 7.2.1材料成形模具的分类 1、冲压模 包括冲裁模、单工序模、复合模、级进模、汽车覆盖件冲模、硬质合金冲模等。 2、塑料成型模具 包括注射模、压缩模、挤塑模、吹塑模、发泡模等。 3、橡胶制品成型模 4、玻璃制品成型模 5、陶瓷模具 包括压缩模、注射模等。 6、锻造成形模具 7、压铸模 可按压室温度分为冷压室压铸机用压铸模、热压室压铸机用压铸模。 8、铸造金属型模具 9、粉末冶金成型模 10、通用模具和经济模具 7.2.2 材料成形模具的基本结构组成 7.2.2.1．模具的基本结构 从结构上看主要由动模（上模）和定模（下模）两大主要部分组成。从各个部件的功能上可分如下几类零部件组成： 1）成形工作零件：直接加工或形成制件形状和表面的零部件。 2）导向、定位零件：保证模具的运动方向和模具定位，确保成形零件的相对关系合理(或间隙均匀)，能准确对合，保证坯料有一个正确的加工位置。 3）支承零件：固定、连接和支承模具成形零件、功能零件的零部件，使模具各部分能组装一起形成一副完整的模具，方便安装和调试；也是与设备连接的接口部分。 4）送料、顶料机构、检测及安全机构：保证模具连续可靠工作，方便制件的取出，可靠的进行手工或自动送、进料等。 5）其它零件：各类标准件，如螺钉、销、键、弹簧等。 7.2.2.2．模具的驱动以及模具与设备的连接 (1)模具的驱动 模具的运动形式取决于制件的材料和成形工艺过程，其运动和动力是由成形设备的动力和传动机构驱动和提供的。作为模具的运动形式也与成形工艺过程有关，模具运动部分的运动形式在各类模具中有以下几种： 单向平移运动：如板材成形、挤压成形、塑料压制和注射成型、金属压铸成形、陶瓷、橡胶与玻璃制品的模压成型等。 单向、多向直线运动：无冲击的，如抽芯、送料与推料等。有冲击的，如冲孔、落料、弯曲、锻造等。 旋转运动：如旋压成形、辊锻成形、塑件旋转卸件等。 机—电驱动：由电动机提供动力和旋转运动，以驱动传动机构，并通过滑块等和模具运动部分相连，驱动模具定向运动，并传递动力给模具作用于材料进行成形加工。如各类曲柄压力机、摩擦压力机、辊锻机等。 电—液驱动：通过电动机驱动液压泵或水泵产生液体压力，驱动与模具运动部分相连的液压缸或活塞，使模具动模部分相对于定模作定向平移运动，从而实现对材料施加压力进行成形加工。如各类液压机、水压机等。 气压成形：主要用于吸塑、吹塑成形加工，也常用于玻璃材料成型，即模具处于固定状态，经气泵产生负压将塑料吸附于模具型面形成制件，或产生一定气压，吹入热熔塑件或热熔状态的玻璃制件毛坯内，使其扩展、变形，并贴附于模具型腔表面，形成制件。 (2) 模具与成形设备的连接 在确定了成形工艺和成形设备类型后，模具设计时，需要对所选设备进行公称压力、工作速度、工作行程、连接部位接口的几何尺寸等参数进行校核计算。模具与设备通过模架（或模板）与设备相连，首先需要确定模具与设备的连接形式和接口尺寸，模具的连接形式根据成形工艺过程和成形设备的不同可采用螺钉、压板、或是模柄等连接形式。接口尺寸是指模具外形结构形状及尺寸与设备滑块和工作台面尺寸、设备工作行程、滑块最大移动距离（设备开口高度或宽度）、送料所需空间和取件所需空间等相应尺寸的匹配和适应性。模具结构尺寸中，与设备相连的主要尺寸是模具闭合高度或模具厚度，在设计时还要考虑它们与设备滑块工作行程之间的关系。 7.2.2.3 模具的通用技术要求 模具必须满足以下要求：保证制件结构要素的精度与品质；保证制件的互换性；保证生产规模，即保证模具的使用性能和寿命。因此，设计制造模具时应满足下列技术要求。 1）组成模具的各零件的材料、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和热处理等均应符合成形过程的技术要求。 2）模座（模板）安装平面的平行度、导柱轴心线和导套轴心线对各自模座（模板）安装平面的垂直度应达到规定的精度等级要求。 3）所有导向机构应运动平稳、无阻滞现象。 4）所有模具工作零件的凸模和凹模(动模和定模)应保持精确的相对位置(间隙均匀)。 5）模具的分型面应合理设置，能确保零件顺利成形、取件和送。 6）装配好的模具闭合高度或厚度应与相应的成形设备相适应。 7）模具应在生产条件下进行试验，确保批量生产出符合品质要求的制件 7.3 模具材料与模具寿命 7.3.1模具材料 1模具材料的分类 目前，可用于制作模具的材料种类繁多。若按模具类别可分为：冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、其它模具材料。按材料的类别可分为：钢铁材料、非铁金属材料和非金属材料。 2模具材料的一般性能要求 作为材料成形加工的工具，模具的服役条件恶劣，精度要求高，并且要求具有一定的使用寿命。 1）模具材料的使用性能要求 （1）硬度和耐磨性 这是最基本的性能要求。有了一定的硬度和耐磨性，才能使模具在特定的工作条件下，保持形状和尺寸的稳定而不迅速发生变化。 （2）强度、塑性和韧性 要求模具材料具有良好的塑性，提高其抗脆断能力；要求具有高强度、高韧性和高的抗疲劳强度，满足模具在工作时能承受高压和冲击循环载荷。 （3）抗热性能 模具材料经常受到高温作用或直接在高温工作。冷作模具（冷挤压模）在强烈摩擦时，局部的温升可达400℃以上，热作模具的温升更高，锻模可达500～600℃，热挤压模具可达800～850℃，压铸模达300～1000℃。这就要求模具具备一定的抗热性能。模具材料的热性能包括热强性、热硬性、热稳定性、热疲劳抗力和抗粘着性等。 2）模具材料的加工性能要求 （1）热加工性能 包括铸造性能、锻造性能和焊接性能。 （2）冷加工性能 包括切削、抛光、研磨等性能。 （3）热处理性能 包括淬透性和淬硬性，要求热处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性低。 3．模具材料选用的一般原则 1）足够的强度、硬度、塑性、韧性等 根据模具工作条件，失效形式，寿命要求，可靠性等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等指标，提出时要考虑尺寸效应及主要关键的性能指标。 2）良好的加工性能 所选材料根据不同的制造工艺过程应具有良好的加工性能。 3）模具材料供应正常 应考虑市场资源和现实供应情况，尽量在国内解决，少进口，并且品种规格相对集中。 4）经济性合理 在满足性能和使用条件下尽量选用价格低的材料。 4．模具材料选用考虑的因素 1）模具的工作条件 包括承载大小和性质、工作温度、腐蚀情况等， 2）模具的失效形式 分析弄清模具失效属于塑性变形失效、磨损失效还是断裂失效等。 3）模具所加工产品的特征 分清产品材质、形状复杂程度、生产批量大小、品质高低等。 4）模具自身结构 模具的大小、形状、模具的不同组件和不同部位等。 5）半岛彩票模具的制造过程 热加工、冷加工、特种加工、热处理、表面处理等。 6）模具的设计因素 大型模具常采用组合或镶嵌结构，工作部位和支承部位材料可不相同，如大型汽车覆盖件冲压模具。也可采用低级材料进行强化处理。 5．常用的模具材料 1）冷作模具钢 这类模具性能上一般要求高的硬度和耐磨性、足够的强度和适当的韧性。因此，冷作模具钢通常以高碳为主，有时要增加韧性抗击冲击载荷。 碳素工具钢：含碳量0.7%～1.4%，主要有T7、T7A、T8、T8A、T10、T10A、T12、T12A等，一般适用于制造工作温度在250℃以下、尺寸较小、形状简单、负荷较小的冷作模具 低合金工具钢：这类钢含有一定的合金元素，合金元素总量在1%～3%。适用于各种冲剪工具、精压模、冷镦模、中小批量形状较为复杂的模具。常用的模具材料有9Cr2、9SiCr、65Mn、60Si2Mn、4CrW2Si、CrWMn、9Mn2V等。 高合金工具钢：这类钢由于合金元素的大量增加（总量在10%以上），广泛用于承载大、冲次多、工件形状复杂的模具，常用的材料有Cr12、Cr12MoV、Cr5Mo1V等。 高速钢：具有很高的淬透性(空冷即可淬硬)，很高的抗压强度、回火稳定性和耐磨性，即使在600℃高温下仍可保持高硬度、高韧性和耐磨性。适用于制造重载长寿命的冷挤压模、拉深模等。常用的高速钢有钨系高速钢W18Cr4V和钼系高速钢W6Mo5Cr4V2。 2）热作模具钢 热作模具钢的共同特点是：大多数为合金工具钢，少数为高温合金和硬质合金；钢的碳质量分数皆偏低，多为中碳成分，以满足高韧性、导热性的要求；为了提高淬透性、抗热性和耐磨性以及抗氧化性，材料中的合金元素主要为Cr、W、Mo、Ni、V、Mn、Si等。 低耐热高韧性钢：属于高韧性钢，具有较高的冲击韧性和高的疲劳强度，淬透性较高，有一定的回火稳定性和高温强度，具有良好的导热性和抗氧化性，能在500～600℃的条件下工作，加工性能好。但相对于其它热作模具钢，耐热性能低。典型材料有锤锻模用的5CrNiMo、5CrMnMo以及4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoV等。 中耐热性钢：具有中等耐热性，工作温度为600～650℃，最高可达660℃。钢的淬透性好，小于φ100mm内的工件能空冷淬透，热处理变形小。与5CrNiMo相比韧性大致相等而硬度、热硬性和耐磨性高。这类材料综合性能好，在最佳热处理状态下可做到高强度、高硬度、高韧性和高塑性的匹配。此类模具材料有：4Cr5MoSiV、4Cr5W2SiV、4Cr5MoSiV1、4Cr4MoWSiV等。 高耐热性钢：具有较高的高温强度和高温硬度，可在600～700℃高温下工作。淬透性好，小于φ150mm内的工件空冷可淬透，并具有二次硬化，回火抗力高，高耐磨、高抗疲劳。此类模具材料有3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V、5Cr4Mo2W2VSi和5Cr4W5Mo2V等。 特殊用途热作模具钢：主要包括超高强度钢、高速工具钢、马氏体时效钢、耐热不锈钢、耐热合金等，用它们制造模具可满足热加工新工艺对材料性能的要求，并可大大提高模具寿命。 此外，国内外用作热作模具钢的材料还有H10（4Cr5Mo2MnVSi）、H13（4Cr5MoSiV1）、HM1（35Cr3Mo3W2V）、HM3（25Cr3Mo3VNb）、RM2（5Cr4W5Mo2V）、GR（4Cr3Mo3W4VTiNb）、TM（4Cr2Mo2VMnW）、HD（4Cr3Mo2NiVNb）等钢以及H10改进型钢ER8和用于高速锤锻模的无铬镍模具钢4SiMnW3MoVN。 2）热作模具钢 3）塑料模具钢 一般要求具有一定的力学强度、一定的抗热性、较高的耐蚀性、较高的硬度，良好的机械加工性能和热加工性能。 渗碳钢：碳的质量分数为0.1%～0.2%，硬度低、加工性能良好，可采用冷压成形方法制造模具。通过表面渗碳处理淬火可获得表层高硬度、高耐磨及抛光性能好、表层强度高而内层韧性好的性能。常用碳素钢10、20号钢和20Cr、12CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4等合金渗碳钢制造表面要求高硬度、耐磨性好的塑料模具及配件。 调质钢：调质后一般不再进行其他热处理，如硬度不够，可再进行进一步表面强化，如渗氮、碳氮共渗等。碳素钢45、50、55钢价廉、加工性能好、淬透性差。合金调质钢40Cr、4Cr3MoSiV、4Cr5MnSiV、4Cr5MoSiV1等淬透性好，热处理方便，强韧性好、耐磨，加工性能好。多用于软质塑料成型模，如注射、挤压等塑料模。 冷作模具钢：包括碳素工具钢、高碳第合金钢、高耐磨钢等，由于热处理后可获得高硬度和高耐磨性，常用来制造热固性塑料模具或要求耐磨性较高的热塑性塑料模具。 耐蚀钢：具有一定的硬度、强度和耐磨性，同时具有良好的抗蚀性能，用于具有腐蚀介质析出的塑料加工模具。如4Cr13、9Cr8、Cr18MoV等材料可用于制造生产聚氯乙烯或聚苯乙烯塑料件的模具。 马氏体钢：具有很高的强度，良好的韧性；热胀系数小，抗疲劳性能高，切削加工性能好，可进行时效处理提高硬度，热处理变形小，表面还可渗氮处理等，常用于要求高精度精密加工、耐磨、型腔复杂的塑料模具材料。 4）铸铁 铸铁作为制造模具的主要材料之一，常常制作各类冲压模、塑料模结构中的模板、模座、模柄、底板定位板、支架等模具辅助零件，并且铸铁也是玻璃成型模具的主要材料。通常采用的铸铁牌号为HT200和HT250，其它还有球墨铸铁、耐热铸铁、低合金铸铁等。 5）硬质合金和钢结硬质合金 硬质合金是以难熔金属碳化物（WC、TiC）作硬质相，以铁族金属（Co和Ni）作粘结相，用粉末冶金方法生产的一种多相组合材料，常用的有钨钴（YG）、钨钴钛（YT）和万能硬质合金（YW）三类。其硬度远高于各种模具钢，有很高的耐磨性，耐高温，热稳定性强；强度高，刚性大，热胀率小、导热率低；耐蚀耐氧化；不需要进行热处理等。常用于制造高速冲模、多工位级进模、冷挤压模、热挤压模、冷镦模等。但其缺点是韧性差，加工困难，模具成本高。 钢结硬质合金是以合金钢为基体，以难熔金属碳化物（WC、TiC）作硬质相，用粉末冶金工艺过程生产的一种新型工模具钢。该钢可进行锻造、机械加工、热处理等，热处理变形小，淬火后具有硬质合金的硬度及良好的耐磨性和刚性，在工业上越来越广泛应用。目前已成功用于制造冷镦模、冷挤压模、拉深模、拉丝模、热镦模、热及模、粉末冶金模和陶瓷模。 7.3.2 模具寿命 模具寿命是指模具在保证产品零件品质的前提下，所能加工的制件的总数量，它包括工作面的多次修磨和易损件更换后的寿命。即在不发生事故的情况下，模具的自然寿命。 模具寿命＝工作面的一次寿命×修磨次数×易损件的更换次数。 一般在模具设计阶段就应明确该模具所适用的生产批量、类型或者模具生产制件的总次数，即模具的设计寿命。 模具寿命与模具类型和结构有关，它是一定时期内对模具材料技术、模具设计与制造技术、模具热处理技术以及模具使用维护水平的综合反映。 7.3.2.1．模具的失效形式 所谓模具失效是指模具受到损坏，不能通过修复而继续服役。它与模具损伤是完全不同的概念，模具损伤是指模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹，但模具还未丧失服役能力。广义上讲，模具的失效是指一套模具完全不能再用，而在实际生产中主要指模具的工作零件不能修复再用。 模具类型不同、生产的产品不同，失效的形式也不同。如锻模会因锻件尺寸不符合要求或锻模破裂而失效，而塑料件表面要求很光的塑料模，会因模具表面粗糙度变大而失效。冷作模具容易产生脆断而不出现冷热疲劳失效，热作模具容易产生冷热疲劳、裂纹及变形，冷、热模具都可能因磨损而失效。 模具失效的类型可分为早期失效和正常实效。 模具的基本失效形式有磨损、断裂及开裂、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。 a）折断 b）劈裂 c）崩块 d）龟裂 e）热裂 f）镦粗变形 1）磨损失效 模具在工作过程中，与成形坯料接触，产生相对运动，造成磨损。当这种磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使之不能继续服役时，称为模具的磨损失效。磨损失效按磨损的机理又可分为以下几种。 （1）磨粒磨损 （2）粘着磨损 （3）疲劳磨损 （4）气蚀磨损和冲蚀磨损 （5）腐蚀磨损 2）断裂失效 模具出现大裂纹或分离为两部分或数个部分，丧失服役能力时，称为断裂失效。对模具来说断裂是最严重的失效形式，它是各种因素产生的裂纹扩展的归宿。若按断裂性质可分为塑性断裂、脆性断裂；若按断裂路径可分为穿晶断裂、沿晶断裂和混晶断裂；若按断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂。 脆性断裂是指断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形的断裂。 一次性断裂是指在承受很大变形力或冲击载荷的作用下，裂纹产生并迅速扩展造成的断裂，断口为结晶状。 疲劳半岛彩票断裂是指在较低的应力下，经多次使用，裂纹缓慢扩展后发生的断裂，断口为纤维状。 3）塑性变形失效 c）弯曲 a）塌陷 b）镦粗 模具在使用过程中，发生塑性变形，改变了零件的几何形状或尺寸，而不能修复再服役时称为塑性变形失效。 7.3.2.2 影响模具寿命的因素 1）模具结构的影响 a）整体式凹模 b）凹模早期断裂 c）组合式凹模 模具圆角 模具圆角半径 圆角半径对模具寿命的影响 材料科学与工程学院 College of Materials Science & Engineering Page * 材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering Page * 材料科学与工程学院 School of Materials Science & Engineering Page * *

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