模具

材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage1模具材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage2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材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage37.1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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage47.2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材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage57.2.2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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage67.2.2.2．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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage7•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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage8(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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage97.2.2.3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材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage107.3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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage111）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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage122）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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage133．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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage144．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）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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage155．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。材料科学与工程学院SchoolofMaterialsScience&EngineeringPage162）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