采用锌基合金制造模具

采用锌基合金制造模具工作零件的模具称为锌合金模具。

锌合金具有较高的强度和硬度，并有良好的铸造性能和加工性能。

锌基合金冲模是利用锌基合金作为模具材料，运用铸造、挤切等方法制造的简易模具。

它的制造工艺简单、制模周期短、成本低，能在较短时间内制出样品，因此适合于新产品的试制和中、小批量的生产，是一种快捷、经济的冷冲压模具。

锌基合金模具制造方法简单，生产周期短，主要采用铸造方法来制造模具的工作部分，如凸凹模的型腔和刃口，冲模的固定板及底座等，锌基合金冲裁模，可冲裁1～3mm厚的钢板、锡磷青铜等材料的中、小型工件，并可制造弯曲模、拉深模等。

锌基合金模具是快速制造模具的方法之一，它的推广应用对新产品试制以及小批量多品种生产提供了切实可行的条件。

由于锌基合金材料的硬度低于被冲压材料，而且在冲压过程中具有自润性，因而不易拉伤工件。

对于锌基合金冲裁模，因其具有自动调整和补偿凸、凹模合理间隙的功能，所以在正常使用期间毛刺不会超过允许值。

锌基合金可以用于制作各类工序的冷冲压模具，如冲裁模、弯曲模、拉深模、成形模等的主要工作零件，以及卸料板、压边圈和上、下模板、导向板等模具结构件。

其中，锌基合金较多用于制造冲裁模，冲裁薄料最小厚度为0.06～0.1mm，实验冲裁钢板最大厚度达8mm，通常建议冲裁厚度小于3～4mm，推荐冲裁厚度为2.5mm以下的低碳钢板以及相当于这种性能的材料。

与钢制冲模相比，锌基合金冲模虽然具有一些优点，但也有某些不足之处。

如：锌基合金冲模的耐磨性比钢制冲模差，模具寿命相对较短。

锌基合金材料有1%~2%的冷凝收缩率，不适合于制作精度要求高的弯曲、成形模具。

锌基合金的硬度较低，用于弯曲、拉深、成形时，不能承受过大的变形力或变形时因坯料起皱增厚而产生的挤压变形力。

由于材料强度的限制，锌基合金复合冲裁模的搭边值应大于钢制冲模，材料利用率相对较低。

因此在具体应用中，应注意扬长避短，充分利用锌基合金冲模的优点，以解决生产中遇到的实际问题。

锌基合金的成分与性能
纯锌的强度较差，模具用锌基合金是以锌为基体添加铝、铜和微量的镁等元素熔炼而成的合金材料。

其中，添加铝可以细化晶粒，增加合金的强度和流动。

但是当合金中含铝量超过4.5%后，力学性能不再显著提高。

增添铜可以提高合金的强度和硬度，但含铜量过高会因自然时效产生的变形影响合金铸件的尺寸，所以含铜量一般为2.85%~3.35。

微量的镁可以细化晶粒，增加合金的硬度和抗拉强度、抑制有害元素的影响，过多的镁则会引起热脆性、导致合金的液态流动性降低，因此合金中镁的含量控制在0.03%~0.06%。

模具用锌基合金国外采用质量分数为99.995%的高纯度锌和纯度为99.7%的铝、以及纯度为99.96的电解铜、99.95%的镁按比例配制而成。

使用这样高纯度的材料，对提高锌合金的力学性能起到了良好的作用。

但是根据我国的具体情况，考虑到制造成本，并经过实践证明，采用Zn-2(99.95%)；Cu-3(99.7%)；L2铝(99.6%)和99.85%的工业纯镁，按一定比例配制，熔炼前剔除杂物和油污并预热烘干，基本可以满足使用的要求。

表10.1.1为国内外生产的几种锌基合金的配方；表10.1.2列出了部分锌基合金的物理力学性能，模具用锌基合金的力学性能近似于低碳钢或铸铁。

锌基合金的铸造性能类似于青铜，溶点低（只有380℃），可以使用简单的设备进行溶化和配制，采用砂型、金属型铸造。

溶化温度应控制在450~500℃，不能过高，否则将导致合金力学性能显著下降。

浇铸温度必须控制在420~450℃之间，温度过低，易出现铸造圆角过大、叠层、浇不足等缺陷。

由于锌基合金具有冷凝收缩的性质，因此在铸造时，可以将镶嵌的零件直接铸入合金。

锌基合金材料具有良好的重熔性和重铸性，重熔或重铸的合金性能相同，因而合金材料可以反复重熔再用，极大地降低了模具的成本。

合金制模时的复制效果良好，可以对复杂形状的零件进行复制。

锌基合金的易切削性能相当于铝合金，容易进行机械加工和修饰加工。

锌基合金铸件的气孔、针孔少，可以用气焊进行修补，修补部位的组织与基体基本相同。

锌基合金冲裁模的冲裁机理
锌基合金冲裁模的结构型式与普通钢模基本相似，可以制作落料模、冲孔模、切边模，也可以制成复合冲裁模。

但它的主要工作部件凸模或凹模中，一个为锌基合金材料（在生产中主要用于凹模），另一个为钢质材料。

因此，锌基合金冲裁模的冲裁机理与普通钢模并不相同。

如果凸模为淬火工具钢，其硬度在58~62HRC之间，锌基合金的凹模硬度则只有120~130HB，两者之间存在着很大的硬度差。

在冲裁过程中，质软的锌基合金刃口不可能保持锋利，出现塌角，形成钝的小圆角刃口。

冲裁开始阶段，钝的合金刃口与另一个锋利的模具钢刃口作用于板料，仅在锋利的钢刃口处，板料因应力集中先产生裂纹。

而板料下表面凹模处的材料，由于处于三向压应力状态，裂纹出现很迟。

随着凸模进一步下压，裂纹扩展到材料内部直至合金凹模附近，与刚从凹模刃口竖壁处产生的裂纹相迎合，完成了板料的分离。

这种过程称之为“单向裂纹扩展机理”。

所以，它可以在采用“一软一硬”的锌基合金冲裁模实现板料的分，冲裁比锌基合金硬度高的材料。

在此过程中，控制裂纹的形成先后和裂纹的走向，是确保工件质量和模具寿命的关键。

冲裁时凸模与凹模的端面和侧面都要承受板料的反作用力，以及由反作用力引起的材料与工作零件之间的摩擦力。

由于凸模和板料的硬度高于锌基合金凹模，凸模以及落料件进入凹模时，必然使凹模产生磨损。

从实验和实际使用中可以发现，在落料件的剪切断面上沾附着一层银白色的锌合金粉末颗粒，特别在试冲时十分明显。

在冲裁过程中，冲裁力在锌基合金凹模端面产生的作用力，迫使端面合金产生塑性变形，向刃口竖壁侧面移动，不断补偿刃口竖
壁与板料相对运动所造成的磨损和间隙，达到磨损和补偿的相对平衡。

这种补偿形式称为“自动补偿磨损机理”。

而在冲裁过程中逐渐自动形成的合理间隙称为“动态平衡间隙”。

自动获得动态平衡间隙的必要条件是锌基合金冲裁模的实际起始间隙必须小于动态平衡间隙。

这种间隙值因被冲材料的性质、厚度不同而异。

例如用锌基合金冲裁模冲薄料时获得了最佳间隙值，然后再用同一副模具冲裁厚料又可以达到新的最佳合理间隙值。

但是如果先冲了厚料形成间隙之后，再冲比它薄的材料就不能达到最佳的合理间隙，这是因为没有具备“起始间隙必须小于动态平衡间隙”的原则。

从这个机理出发，制造锌基合金冲裁模时不需要用人工方法去配制冲裁间隙。

锌基合金冲裁模的制模工艺
锌基合金冲裁模的制作方法有浇注法、挤切法、镶拼法以及加镶钢皮或钢板刃口的制作方法等。

（一）浇注法
这种制模方法直接以制成的工具钢凸模为模芯，按凹模外轮廓尺寸制作凹模框，将熔化的锌基合金注入内有模芯的凹模框内，冷凝后取出凸模，制成凹模。

浇注法可以分为两种：直接在模架内浇注凹模称为模内浇注法；在模架外的平台上浇注凹模称为模外浇注法。

1．模内浇注法该方法主要用于形状轮廓简单、中小尺寸的各种料厚冲裁件，一般合金用量少于20公斤，浇注时温度对模架的变形影响不大。

制模工艺过程参见图10.1.2。

先将已制成的钢凸模2通过凸模固定板安装到上模座1上并找平，然后在下模座上安放凹模框3，并在模框外侧周边填上湿砂5压实，以防熔化合金外泄。

在凹模框中放上漏料孔模芯4，注意对准经过预热的凸模（150~200℃），并调整好凸模的高度。

将已熔化的锌基合金（420~450℃）浇入模框，直至所需的高度，待合金冷凝至大约200℃时拔出凸模（完全冷却后凸模很难拔出），随即急冷凹模以提高机械性能。

然后取出漏料孔模芯，铣削合金凹模上表面，加工螺钉孔、销孔，再将凹模安装到下模座6上。

最后用钢凸模刃口挤切因冷凝而缩小的合金凹模孔刃口，形成无间隙状态的冲裁模具。

试冲时应先从薄料逐步加厚，以自动形成合理间隙。

图10.1.2模上浇注
1－上模座；2－凸模；3－凹模框；4－漏料孔模芯；
5－细砂；6－下模座；7－浇注锌基合金凹模
2．模外浇注法
模外浇注法是在模架外浇注凹模成形，经加工修整后再安装到模架上使用的方法。

用于中型零件，合金用量一般在20~30公斤以上，采用这种方法可以避免浇注时温度对模架的影响。

模外浇注又可分为正向浇注和反向浇注，浇注过程如图10.1.3和图10.1.4所示，图10.1.3
为正向浇注法10.1.4为反向浇注法。

模外正向浇注的方法和模内浇注的制模工艺基本相同。

图10.1.3模下正向浇注
1－凸模2－模框3－漏料孔模芯4－细砂5－平板
图10.1.4模下反向浇注
1－铝皮2－凸模3－模框4－细砂5－平板6－预热器
模外反向浇注的浇注工艺过程为：先将制成的钢凸模2的根部用1mm厚的铝板包裹，放到事先找平的平台5上，然后围以周边填满细砂的凹模框3。

接通预热器6，使平台、凸模和模框一起预热（预热温度为150~200℃），一旦浇注即将电源断开。

再将熔化的锌基合金（420~450℃）浇入模框，冷凝至200~250℃时用油压机或人工从凹模中取出凸模。

成形的锌基合金凹模在200℃以下浸入质量分数为5%的食盐水中淬硬，经快速冷却后凹模的工作表面硬度可以达到120~130HB。

模具的加工修整、装配试模过程与模上浇注锌基合金凹模的制模方法相同。

模外正向浇注和反向浇注的差别在于采用正向浇注法得到的凹模工作表面在顶部，由于铸造过程中产生的浮渣、气孔会集中到凹模刃口附近，需要切除较多的合金才能获得满意的刃口质量，这种方法适用于形状复杂的大尺寸模具制造。

采用反向浇注法则凹模工作表面在底部，由于铸模时处于底部的锌基合金凹模表面与铁平板相接触，冷凝较快，能够获得较细的晶粒组织、较平整光滑的表面和较高的硬度。

但采用这种方法对已淬火的凸模刃口表面的硬度有轻微的影响，一般会降低硬度2~3HRC，这种方法适用于形状复杂的中小尺寸模具制造。

(二)挤切法
所谓挤切法，就是利用钢质凸模硬度比锌基合金材料高的特点，用淬火的钢凸模对锌基合金凹模坯料进行挤切切削以获得凹模刃口的制模方法。

挤切法制得的凸、凹模初始间隙为零，而且分布均匀一致，为冲裁时获得动态平衡间隙创造了必要的条件。

这种制模方法简单、质量好，主要用于形状复杂的型孔加工或多孔加工，但挤切法的加工量比浇注法大。

(三)镶拼法
就是将模具工作零件分块制造拼接安装的方法。

主要用于大型冲压模具，汽车覆盖件的落料、修边模具等。

对于大型冲压件，采用镶拼结构有利于消除合金浇注时的收缩变形。

模具拼块的划分原则与钢模相同。

镶拼结构还可以用于多工位级进模，如图10-9所示，模具中的锌合金冲孔凹模、落料凹模为镶拼结构。

10.1.4锌基合金成形模的设计制造
锌基合金可以制作弯曲模、拉深模以及其它各种成形模具。

由于锌基合金具有良好的机械性能以及耐磨损和自润滑性能，使用该类模具冲压成形不会产生划伤，有利于金属坯料在成形过程中的流动，能够获得比钢模大的成品率，适合于新产品试制及中小批量生产。

锌基合金成形模通常运用铸造的方式，先制作模型或样件然后浇注成形。

一、模型和样件的设计制作
（一）模型的设计制作
采用模型铸造的方式浇注锌基合金模具，模型的制作材料有木材、石膏、型砂、粘土、金属、塑料等，不同的模型制作方法和模型材料，产生的模具制造工艺方法亦不相同。

拉深模模型的设计一般先设计凸模，凹模模型以凸模模型为基准，加上拉深件材料的厚度翻制而成。

成形模凸模常采用钢模，也可用木模造砂型浇铸成凸模或凹模，再用此凸模或凹模较为模型浇制相应的凹模或凸模。

模型设计按工件的尺寸，并考虑锌基合金的冷凝放收缩量，最后通过加工达到设计尺寸。

二、锌基合金弯曲模和拉深模的典型结构
图10.1.5所示为锌基合金弯曲模的结构；弯曲凸模3和弯曲凹模6都是用锌基合金浇注制成的。

该模具采用了整体式结构，并用洋件法制模；使用了缓冲器顶杆7卸料。

由于是校正弯曲，所以凹模端面采用了钢质镶块2。

1-模柄；2-螺钉；3-锌基合金凸模；4-定位板；5-垫块；6-锌基合金凹模；7-顶杆
图10.1.5锌基合金弯曲模
图10.1.6是锌基合金拉深模示例，为里程表外壳拉深模。

拉深件材料为08钢板，料厚为1mm。

凹模1采用锌基合金，由于锌基合金凹模材质较软，为了避免在拉深过程中限位销3将凹模端面顶出凹坑，引起工件拉深深度的变化，所以凹模端面采用了钢质镶块2。

1－锌基合金凹模；2－镶块；3－限位销
图10.1.6锌基合金拉深模
三、锌基合金成形模的制模工艺
简单形状的弯曲件如V形、U形件，其模具制作可以直接利用模框浇注成模块，通过机械加工制成凸、凹模，然后装配成模具。

形状复杂的锌基合金弯曲模、拉深模及其它成形模的制模方法有石膏型制模、砂型制模、样件制模、液态金属挤压制模等等。

（一）石膏型制模工艺（10.1.7）
1.先根据计算确定的尺寸制作木质的凸模模型，然后浇注石膏制得锌基合金凸模的石膏凹型（图10.1.7a）。

2.石膏凹型干燥后涂上分模剂，再重浇一次，获得石膏凸型（图10.1.7b）。

3.将熔化的锌基合金浇入烘干的石膏凹型内，得到锌基合金凸模（图10.1.7c）。

4.凹模模型以石膏凸型为基准，加上与零件材料厚度相等的补偿层，制得石膏型芯模型，烘干后浇注获得锌基合金凹模（图10.1.7d）。

图10.1.7石膏型制模工艺示意图
（二）砂型制模工艺
锌基合金模具的砂型制模工艺，与有色金属铸造工艺基本相同。

制模工艺过程见图10.1.8。

图10.1.8砂型制模工艺过程示意图
1.先根据工件图纸计算制作木质的凸模模型。

2.在木模上敷贴一层相当于工件厚度的铅皮、蜡板或粘土类材料，翻制一个石膏凹模过渡型，凝固后烘干。

3.将木模放入砂箱，填入型砂并造型，熔化合金然后浇注锌基合金凸模。

4.用石膏过渡模型制作凹模砂型，浇注锌基合金凹模。

5.修整成型的锌基合金凸模和凹模。