模具制造工艺

模具制造工艺
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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。
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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。
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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。
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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。
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材料成形模具的基本结构组成
• 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。
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模具的驱动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。
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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5C rNiMo、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φ 100mm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、4Cr5W 2SiV、4Cr5MoSiV1、4Cr4MoWSiV等。
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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
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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。
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模具材料选用考虑的因素
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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。
• （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。
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热作模具钢
• 高耐热性钢：具有较高的高温强度和高温硬度，可在60 0～700℃高温下工作。淬透性好，小于φ 150mm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、5 Cr4Mo2W2VSi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（4Cr5Mo2 MnVSi）、H13（4Cr5MoSiV1）、HM1（35Cr3Mo3W2V）、 HM3（25Cr3Mo3VNb）、RM2（5Cr4W5Mo2V）、GR（4Cr3M o3W4VTiNb）、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。
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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。
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模具的基本结构与组成
• 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
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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、T1 2、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、Cr 5Mo1V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。
• 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。
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模具材料与模具寿命
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。
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• 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。