羅小梅,陳江進 (荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院,湖北荊州434020)

在汽車、電子、家電等產(chǎn)品中60%～80%零部件的生產(chǎn)都依靠模具成型,而模具質(zhì)量的好壞在很大程度上決定著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和經(jīng)濟效益的高低。近年來,由于各種新材料的層出不窮、模具的工作條件日益苛刻,模具的精度要求也越來越高,使用壽命要求越來越長。

模具材料種類繁多,在設(shè)計模具時如果選材不當,可能會造成模具在使用過程中早期失效,從而降低模具壽命、增加模具的制造成本。據(jù)調(diào)查,在所有的模具失效因素中,模具材料及熱處理約占70%以上,而因為選材和用材不當致使模具過早失效約占失效模具的45%以上。因此,在模具設(shè)計時合理地選擇模具材料是獲得合理的模具壽命和效益的一個重要措施。下面,筆者就如何合理選擇模具材料進行了研究。

1 模具材料選擇的基本原則

模具的選材應(yīng)根據(jù)模具的生產(chǎn)條件和模具的工作條件的需要,結(jié)合模具材料的基本性能和相關(guān)因素,來選擇適合模具需要、經(jīng)濟上合理、技術(shù)上先進的模具材料。選材的基本原則如下:

1.1 滿足模具的使用性能要求

模具在工作過程中可能會承受壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖擊載荷的作用,還可能會受到強烈的摩擦。因此要保證模具能正常工作,所選擇的模具材料必須具有足夠的性能來滿足其使用要求。不同種類的模具在工作時所承受的主要載荷不同,需要滿足的使用性能不同。

1.2 滿足工藝性能要求

材料的工藝性能主要包括鍛造性能、切削加工性能、熱處理性能等。在模具的生產(chǎn)中,機械加工、熱處理、裝配等費用占總成本的80%以上。如果所選材料能滿足模具的使用性能要求,但其工藝性差,則模具生產(chǎn)的總成本會大幅增加。因此,在選擇模具材料時還要滿足工藝性能要求。

1.3 滿足經(jīng)濟性要求

為降低模成本,不僅要考慮模具材料容易加工、熱處理,同時還應(yīng)選用價格低、來源豐富的材料。

2 模具選材的具體考慮因素

2.1 模具的工作條件

1)模具的承載能力及受到的沖擊狀況 模具在工作過程中所需承載的能力越強,則模具材料對強度的要求越高;而在工作過程中所受的沖擊越大,則材料的韌性要求越好。

2)模具的工作溫度 冷態(tài) (室溫)下工作的模具,在工作過程中主要承受強烈的沖擊和摩擦的作用,應(yīng)具有良好的耐磨性、強度、硬度、韌性及可加工性,通常選用冷作模具鋼;高溫下工作的模具,在工作過程中主要受到高溫及交變熱應(yīng)力的作用,應(yīng)具有良好的耐熱疲勞性、高的熱穩(wěn)定性、高的回火穩(wěn)定性及良好的工藝性能,通常選擇合適的熱作模具鋼。

3)腐蝕狀況 模具處于腐蝕狀況下,模具表面容易受到腐蝕,而為了提高其表面光潔度,就要對其進行研磨拋光處理,這樣就會使得模具尺寸出現(xiàn)超差,模具失效。因此為了提高模具壽命,應(yīng)選擇耐蝕鋼生產(chǎn)模具。

2.2 模具的結(jié)構(gòu)因素

1)模具尺寸大小 模具在進行熱處理加工過程中,截面尺寸越大,其受熱和冷卻速度越不均勻,模具越難淬透,整個截面上的組織和性能越不均勻。為了保證截面性能的均勻性,選擇模具材料時應(yīng)該選擇導(dǎo)熱性、淬透性好的鋼材。

2)模具的形狀 模具形狀越簡單,加工成型越容易實現(xiàn)、熱處理時材料越容易淬透。在選擇模具材料時采用成本較低的碳素工具鋼即可滿足性能要求。而形狀復(fù)雜的模具在加工時尖角、凹槽等部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,所以在選擇模具材料時應(yīng)選擇淬透性好、容易切削加工、壽命長的高合金鋼采用緩冷淬火介質(zhì)。

3)模具的精度 模具的精度要求不同,選擇的模具材料也不同。精度要求高的模具,要求加工過程中變形小,所以往往應(yīng)該選擇加工過程中變形小的微變形模具鋼。

4)模具的不同組件及不同部位 一般來說,模具材料的性能應(yīng)大大高于模具工作對象的材料性能,但不是所有的模具零件都必須選用機械性能高的材料,在具體選擇時應(yīng)充分考慮零件在工作中的作用,在保證使用性能的前提下盡可能節(jié)約貴重金屬。

模具的組件可分為工作零件和輔助零件,其中工作零件與被加工對象直接接觸,是模具的主要部分,在工作中直接受到熱或力的作用,其所用的材料材質(zhì)直接關(guān)系到模具的質(zhì)量、壽命,決定著所成型制品的外觀及內(nèi)在質(zhì)量;而輔助部分用來支承、連接、固定工作零件,其性能要求比工作零件低,其所用的材料也不必像工作零件那樣好。例如,模具的上下模座是支撐零件,它只要求有必要的強度,選擇鑄鋼即可滿足其使用要求;如選擇高性能的材料,則會大大提高生產(chǎn)成本。

此外,即使是同一個工件上不同的部位其性能要求也可能不同。例如鑲拼式模具型腔,其型面部分或某些經(jīng)受強烈磨損、沖擊或高溫的部分應(yīng)選用高性能的材料,其它模體部分,性能要求不高,可以采用比較低級的材料。

2.3 加工產(chǎn)品的批量大小

一般情況下,當模具加工產(chǎn)品的批量很大時,模具材料在模具制造費用中所占的比例很小,模具壽命要求長,這時模具應(yīng)該選擇高質(zhì)量、性能好的材料制造;而生產(chǎn)批量小時,可以采用性能一般、加工方便、價格低的材料。

2.4 被加工對象的材質(zhì)

不同的材料,成形過程中產(chǎn)生的變形抗力、工作溫度都有很大的不同。因此,不同材質(zhì)加工對象的模具,材料選擇也不同。例如鍛造鋁制品時模具所受到的變形抗力比鍛造鋼制品時小得多。又如生產(chǎn)聚氯乙烯的塑料模具,在工作過程中,聚氯乙烯受熱分解具有腐蝕性的HCl氣體,模具容易受到腐蝕,壽命降低。為了避免產(chǎn)生腐蝕,模具材料就應(yīng)該選擇耐蝕模具鋼。

2.5 模具的設(shè)計因素

對于形狀比較簡單、尺寸比較小的模具往往設(shè)計成整體結(jié)構(gòu),為了滿足模具型腔工作所需要的性能,往往選擇性能較好的材料。

對于大型復(fù)雜模具,由于模具材料的費用在模具的總成本中占較大份額,所以往往將模具設(shè)計成組合或鑲拼結(jié)構(gòu)。模具本體主要起支承作用,其性能要求較低,選擇價格低的碳素鋼即可滿足要求;而在模具的關(guān)鍵工作部位如型腔或刃口處應(yīng)選擇高性能的模具材料。

2.6 模具的制造工藝因素

制造模具應(yīng)根據(jù)所采用的熱加工、冷加工方法和工藝的不同,選擇適當?shù)呐c其相適應(yīng)的材料,滿足工藝性能要求,另外還應(yīng)兼顧到工廠現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)水平。

3 模具材料的具體選擇

3.1 冷作模具

1)成型零部件材料的選用 ①按模具的大小考慮。模具的尺寸不大時可選用高碳工具鋼;尺寸較大時可選用高碳低合金工具鋼;尺寸大時可選用高合金耐磨鋼。②按模具形狀和受力情況考慮。模具形狀簡單、不易變形、截面尺寸不大、載荷較小時,可選用高碳工具鋼或高碳低合金鋼;模具形狀復(fù)雜、易變形、截面尺寸較大、載荷較大的可選用高耐磨模具鋼,如Cr12、Cr12MoV、Cr6WV、Cr4W2MoV等鋼。③按模具的使用性能考慮。模具壓制產(chǎn)品的批量小或中等時,常選用成本較低的碳素工具鋼或高碳低合金鋼制造;當生產(chǎn)批量大,要求模具使用壽命長時,可選用高耐磨、高淬透性及變形小的高碳中鉻鋼、高碳高鉻鋼、高速鋼、基體鋼或高強韌性低合金冷作模上鋼制造;當生產(chǎn)批量件特別大,要求使用壽命特別長時,可選用硬質(zhì)合金或鋼結(jié)硬質(zhì)合金制造。

2)非成型零部件材料選用 ①上下模板一般選用HT200、ZG310-570、Q235;導(dǎo)柱、導(dǎo)套、斜楔、滑塊一般選用T8A、T10A、Q235等。②頂桿、頂料桿、墊板、定位板、擋板、擋料銷一般選用45。

3.2 塑料模具

1)成形零部件材料的選用 ①對于成型透明塑料制品的模具,其型腔和型芯均需選用高鏡面拋光性能的高檔進口鋼材,如718(P20+Ni類)、NAK80(P21類)、S136(420類)、H13類鋼等。②對于制品外觀質(zhì)量要求高,長壽命、大批量生產(chǎn)的模具,型腔需選用高鏡面拋光性能的高檔進口鋼材,如718(P20+Ni類)、NAK80(P21類)等,均為預(yù)硬狀態(tài),不需再進行熱處理;型芯可選用中低檔進口P20或P20+Ni類鋼材,如618、738、2738、638、318等,均為預(yù)硬狀態(tài);對生產(chǎn)批量不大的模具,也可選用國產(chǎn)塑料模具鋼或S50C、S55C等進口優(yōu)質(zhì)碳素鋼。③對于制品外觀質(zhì)量要求一般的模具,小型、精密模具型腔和型芯均選用中檔進口P20或P20+Ni類鋼材;大中型模具所成型塑料對鋼材無特殊要求,型腔可選用中低檔進口P20或P20+Ni類鋼材,型芯可選用低檔進口P20類鋼材或進口優(yōu)質(zhì)碳素鋼S50C、S55C等,也可選用國產(chǎn)塑料模具鋼。④對于無外觀質(zhì)量要求的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件,大中型模具型腔可選用低檔的進口P20或P20+Ni類鋼材,也可選用進口優(yōu)質(zhì)碳素鋼S55C、S50C或國產(chǎn)P20或P20+Ni類塑料模具鋼,型芯可選用進口或國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素鋼;產(chǎn)量較高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的小型模具,型腔可選用低檔的進口P20或P20+Ni類鋼材,也可選用國產(chǎn)P20或P20+Ni類塑料模具鋼,型芯可選用國產(chǎn)塑料模具鋼;結(jié)構(gòu)較簡單、產(chǎn)量不高的小型模具,型腔型芯均可選用國產(chǎn)塑料模具鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼。⑤對于成型含氟、氯等有腐蝕性的塑料和各類添加阻燃劑塑料的模具,若制品要求較高,可選用進口的耐蝕鋼,要求一般的可選用國產(chǎn)的耐蝕鋼。

2)非成型零部件材料選用 ①模板一般選用進口S50C或國產(chǎn)SM 45;導(dǎo)柱、導(dǎo)套、推板導(dǎo)柱、推板導(dǎo)套及復(fù)位桿材料可采用GCr15或SUJ2、T8A、T10A。②模具中的一般結(jié)構(gòu)用件,如頂出定位圈、立柱、頂出限位塊、限位拉桿、鎖模塊等,對硬度和耐磨性無特別要求,可選用國產(chǎn)SM45鋼,不需再進行熱處理。③模具中的澆口套、楔緊塊、耐磨塊、滑塊壓板等對硬度、強度、耐磨性要求較高的零件,應(yīng)選用碳素工具鋼或優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼,如T8A、T10A等。該類鋼使用時均需進行淬火處理,以提高其硬度和耐磨性。