淺談模具材料的合理選擇

羅小梅,陳江進(jìn) (荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)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(jì)效益的高低。近年來(lái),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(lái)越高,使用壽命要求越來(lái)越長(zhǎng)。

模具材料種類繁多,在設(shè)計(jì)模具時(shí)如果選材不當(dāng),可能會(huì)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?yàn)檫x材和用材不當(dāng)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(jì)時(shí)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(gè)重要措施。下面,筆者就如何合理選擇模具材料進(jìn)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(lái)選擇適合模具需要、經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上先進(jìn)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(huì)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(huì)受到強(qiáng)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(lái)滿足其使用要求。不同種類的模具在工作時(shí)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(jī)械加工、熱處理、裝配等費(fèi)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(huì)大幅增加。因此,在選擇模具材料時(shí)還要滿足工藝性能要求。

1.3 滿足經(jīng)濟(jì)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(shí)還應(yīng)選用價(jià)格低、來(lái)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(qiáng),則模具材料對(duì)強(qiáng)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(qiáng)烈的沖擊和摩擦的作用,應(yīng)具有良好的耐磨性、強(qiáng)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(duì)其進(jìn)行研磨拋光處理,這樣就會(huì)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(jìn)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(gè)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(shí)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(jiǎn)單,加工成型越容易實(shí)現(xiàn)、熱處理時(shí)材料越容易淬透。在選擇模具材料時(shí)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(shí)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(shí)應(yīng)選擇淬透性好、容易切削加工、壽命長(zhǎng)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(lái)說,模具材料的性能應(yīng)大大高于模具工作對(duì)象的材料性能,但不是所有的模具零件都必須選用機(jī)械性能高的材料,在具體選擇時(shí)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(duì)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(lái)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(qiáng)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(huì)大大提高生產(chǎn)成本。

此外,即使是同一個(gè)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(qiáng)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(jí)的材料。

2.3 加工產(chǎn)品的批量大小

一般情況下,當(dāng)模具加工產(chǎn)品的批量很大時(shí),模具材料在模具制造費(fèi)用中所占的比例很小,模具壽命要求長(zhǎng),這時(shí)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(shí),可以采用性能一般、加工方便、價(jià)格低的材料。

2.4 被加工對(duì)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(duì)象的模具,材料選擇也不同。例如鍛造鋁制品時(shí)模具所受到的變形抗力比鍛造鋼制品時(shí)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(jì)因素

對(duì)于形狀比較簡(jiǎn)單、尺寸比較小的模具往往設(shè)計(jì)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(duì)于大型復(fù)雜模具,由于模具材料的費(fèi)用在模具的總成本中占較大份額,所以往往將模具設(shè)計(jì)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(jià)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(dāng)?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(shí)可選用高碳工具鋼;尺寸較大時(shí)可選用高碳低合金工具鋼;尺寸大時(shí)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(jiǎn)單、不易變形、截面尺寸不大、載荷較小時(shí),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(shí),常選用成本較低的碳素工具鋼或高碳低合金鋼制造;當(dāng)生產(chǎn)批量大,要求模具使用壽命長(zhǎng)時(shí),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(qiáng)韌性低合金冷作模上鋼制造;當(dāng)生產(chǎn)批量件特別大,要求使用壽命特別長(zhǎng)時(shí),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(duì)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(jìn)口鋼材,如718(P20+Ni類)、NAK80(P21類)、S136(420類)、H13類鋼等。②對(duì)于制品外觀質(zhì)量要求高,長(zhǎng)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(jìn)口鋼材,如718(P20+Ni類)、NAK80(P21類)等,均為預(yù)硬狀態(tài),不需再進(jìn)行熱處理;型芯可選用中低檔進(jìn)口P20或P20+Ni類鋼材,如618、738、2738、638、318等,均為預(yù)硬狀態(tài);對(duì)生產(chǎn)批量不大的模具,也可選用國(guó)產(chǎn)塑料模具鋼或S50C、S55C等進(jìn)口優(yōu)質(zhì)碳素鋼。③對(duì)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(jìn)口P20或P20+Ni類鋼材;大中型模具所成型塑料對(duì)鋼材無(wú)特殊要求,型腔可選用中低檔進(jìn)口P20或P20+Ni類鋼材,型芯可選用低檔進(jìn)口P20類鋼材或進(jìn)口優(yōu)質(zhì)碳素鋼S50C、S55C等,也可選用國(guó)產(chǎn)塑料模具鋼。④對(duì)于無(wú)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(jìn)口P20或P20+Ni類鋼材,也可選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)碳素鋼S55C、S50C或國(guó)產(chǎn)P20或P20+Ni類塑料模具鋼,型芯可選用進(jìn)口或國(guó)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(jìn)口P20或P20+Ni類鋼材,也可選用國(guó)產(chǎn)P20或P20+Ni類塑料模具鋼,型芯可選用國(guó)產(chǎn)塑料模具鋼;結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、產(chǎn)量不高的小型模具,型腔型芯均可選用國(guó)產(chǎn)塑料模具鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼。⑤對(duì)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(jìn)口的耐蝕鋼,要求一般的可選用國(guó)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(jìn)口S50C或國(guó)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(duì)硬度和耐磨性無(wú)特別要求,可選用國(guó)產(chǎn)SM45鋼,不需再進(jìn)行熱處理。③模具中的澆口套、楔緊塊、耐磨塊、滑塊壓板等對(duì)硬度、強(qiáng)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(shí)均需進(jìn)行淬火處理,以提高其硬度和耐磨性。