模具是金屬或非金屬成型的工具，一方面模具受到金屬或非金屬的摩擦作用，另一方面被擠壓的材料反給模具比較大的壓應(yīng)力。因此模具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)又應(yīng)具有一定的韌性。在模具制造中每個(gè)零件都具有復(fù)雜性與特殊性，相互之間具有整體配合性，這給模具設(shè)計(jì)加工工藝帶來了不同的要求。



1、模具硬度：軟模、硬模



1）軟模：模具鋼材已預(yù)硬，無需淬火處理，但硬度較低，HB在400以下，生產(chǎn)壽命在50萬次以內(nèi)，應(yīng)用廣泛。



2）硬模：模具鋼材經(jīng)退火處理，加工分兩次粗加工與精加工，粗加工后再進(jìn)行淬火處理，硬度在HRC48°以上，粗加工后要保留0.2左右的加工余量，因淬火處理后，工件會(huì)變形，以防精加工達(dá)不到工件要求。生產(chǎn)壽命在50～100萬次以上，小型模具應(yīng)用最多。

一級(jí)模具質(zhì)量



1、模具：必須能有一百萬或以上的開模次數(shù)。



此乃一級(jí)模具，客戶要求必須用最好的物料及配件配合做成



最好的模具 。



2、一級(jí)模具的要求如下：



（1）詳細(xì)的模具設(shè)計(jì)(連電腦圖和物料);



（2）模胚硬度最少要有HB280;



（3）模仁必需最少見硬HRC50,所有行位及配件等亦必要淬硬;



（4）要中托邊司管頂針;



（5）行位必定要有耐磨片;



（6）溫度控制監(jiān)察器須按可行性，而裝在模、哥或行位;



（7）建議將全部冷卻水道做鍍鎳（ELECTROLESS NICKEL PLATING）用意在防止生銹及容易清理；



（8）分模線必要加定位鎖。

二級(jí)模具質(zhì)量



1、模具：必須能有五十萬或以上的開模次數(shù)。



此乃二級(jí)和高級(jí)質(zhì)量的模具，必須用好的物料及配件，并于模具的公差亦有一定的標(biāo)準(zhǔn)（尺寸精度）。此模亦要求有頂好的質(zhì)量。



2、二級(jí)模具的要求如下：



（1）建議做詳細(xì)的模具設(shè)計(jì)



（2）模胚硬度最少要有HB280



（3）模仁必需最少見硬HRC48,所有行位及配件等亦必要求熱處理



（4）溫度控制監(jiān)察器須按可行性，而裝在模、哥或行位



（5）分模線必要加定位鎖



（6）以下之要求會(huì)于個(gè)別要求及在報(bào)價(jià)時(shí)而定立

三級(jí)質(zhì)量模具



1、模具：必須能有二十五萬或以上的開模次數(shù)。此乃一般的模具要求，生產(chǎn)亦為中生產(chǎn)模具。



2、三級(jí)模具的要求如下：



（1）建議做模具設(shè)計(jì)



（2）模胚硬度最少要有HB165



（3）模仁必需最少為HB280



（4）除以上3點(diǎn)基本要求外，其它均視作選擇性的額外要求



四級(jí)質(zhì)量模具



1、模具：要求大約1萬啤次。此乃低生產(chǎn)模具，一般而言沒有什么特別要求，但模具質(zhì)量仍需好及客戶接受。



2、四級(jí)模具的要求如下：模具人雜志微信專注、專業(yè)@@



（1）建議做模具設(shè)計(jì)



（2）模胚可能是一般的銅材或鋁



（3）模肉可用鋁或用客戶同意下的鋼材



（4）除以上3點(diǎn)基本要求外，其它均視作選擇性的額外要求



四、模具難度：A級(jí) B級(jí) C級(jí) D級(jí)



A級(jí)：有多個(gè)行位以及斜頂多次分型、抽芯及旋轉(zhuǎn)抽芯等結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的模具。



B級(jí)：有多個(gè)（二～四個(gè)）行位斜頂二到三次分型及有抽core等模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。



C級(jí)：簡單的細(xì)水口進(jìn)膠模具，有一、二個(gè)行位、斜頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)一般的模具。



D級(jí)：大水口模具，二板模具，無行位、無斜頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)簡單的模具。



五、模具大?。禾卮笮?大型 中型 小型



特大型：模具寬度在800mm以上模具。



大型：模具寬度在600~800mm（不含800）之間的模具。



中型：模具寬度在350～600（不含600）之間的模具。



小型：模具寬度在350以下的模具。



塑料模具鋼的選用



近年來，在引進(jìn)國外塑料模具鋼的同時(shí)，我國自行研制和開發(fā)了一系列新型塑料模具專用鋼，形成了我國特色的塑料模具鋼系列。



1、碳素塑料模具鋼的應(yīng)用



由于碳素塑料模具鋼具有加工性能好、價(jià)格便宜、原料來源方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于形狀簡單的小型模具或精度不高、使用壽命不需很長的模具。



YB/T074-1997中列出的有SM45、SM50和SM55等鋼號(hào)，這類鋼與優(yōu)質(zhì)碳素鋼相比，鋼中的S、P含量低，鋼材的純凈度好，且碳含量波動(dòng)范圍窄，力學(xué)性能更穩(wěn)定。



對(duì)于硬度要求較高，尺寸較小的熱固性塑料模具，一般采用wC=0.7﹪~1.3﹪的高碳碳素工具鋼制造，如T7、T8、T9、T10、T11、T12等鋼。該類鋼熱處理后可以得到高的硬度和高的耐磨性。



2、滲碳型塑料模具鋼的應(yīng)用



一些復(fù)雜的塑料模具型腔采用冷擠壓的方法，在淬硬的方法直接壓制出來，省去型腔的切削加工，這對(duì)于成批生產(chǎn)的模具是一種十分經(jīng)濟(jì)的加工方法。模具加工后經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后具有高硬度、高耐磨性的表面和韌度良好的心部組織，可以制作各種要求表面高耐磨性、心部韌性好的模具。這就需要選用滲碳型塑料模具鋼。



滲碳型塑料模具鋼碳含量很低，一般為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1﹪~0.2﹪，塑性變形抗力很小，軟化退火后硬度≤160HBW，復(fù)雜型腔≤130HBW，以便型腔的冷擠壓。過去我國一般采用低碳鋼和低碳合金鋼，如15、20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20Cr2Ni4和20CrMnTi等鋼。我國近年來研制的冷擠壓成形塑料模具專用鋼LJ（0Cr4NiMoV），該鋼經(jīng)冷擠壓成形后經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后，表面硬度達(dá)58~62HRC，心部硬度28HRC，模具耐磨性好，無塌陷及表面剝落現(xiàn)象，可用于制造形狀復(fù)雜和承受載荷較高的塑料成形模具。



3、預(yù)硬型塑料模具鋼的應(yīng)用



對(duì)于形狀復(fù)雜、精密的大中型塑料模具，為了避免其在淬火熱處理過程中產(chǎn)生變形，因此模具鋼以預(yù)化狀態(tài)供應(yīng)市場(chǎng)。



該類鋼一般為中碳低合金鋼，在鋼廠經(jīng)過鍛打后制成模塊，預(yù)先熱處理，使之達(dá)到模具使用時(shí)的硬度，從而可避免由于熱處理而引起的模具變形和裂紋問題，從而保證了模具的制造精度。



已納入國家標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)硬化型塑料模具鋼有：SM3Cr2Mo鋼、SM3Cr2MnNiMo鋼，供貨硬度一般為28~36HRC，適于制造大中型和精度高的塑料模具。



為了改善預(yù)硬化型塑料模具鋼的加工性能，往往在預(yù)硬鋼中加入易切削元素S、Ca、Pb、Sb等。我國先后研制了一些易切削預(yù)硬型塑料模具鋼，如5CrNiMnMoVSCa鋼、8Cr2MnWMoVS鋼、4CrMnVBSCa鋼、5CrNiMnMoVS鋼等，使鋼在較高硬度下的切 削加工性能顯著改善。預(yù)硬化易切削塑料模具鋼不僅可以用于制造大、中型精密注塑模具，而且也可以用于制造精密復(fù)雜的冷作模具。



塑料模具的失效形式及原因



塑性變形



其是指塑料模具在持續(xù)受熱、受壓的作用下，發(fā)生局部塑性變形而失效。其原因主要是：所采用模具的材料強(qiáng)度與韌性不足；模具超載使用；模具型腔表面的硬化層過薄，變形抗力不足；模具回火不足；因工作溫度高于回火溫度而使模具發(fā)生軟化，從而引起表面起皺、凹陷、麻點(diǎn)、棱角塌陷（堆塌）等。



斷裂



由于塑料模具形狀復(fù)雜，存在許多棱角、薄壁等部位，在模具工作時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)這些部位的應(yīng)力值超過模具材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂失效。另外，合金工具鋼制作的塑料模具回火不充分時(shí)，使用中也容易發(fā)生斷裂失效。



表面腐蝕



其是由于熱固性塑料中的固體填料及一些熱塑性塑料中存在氯、氟等元素，受熱分解析出HCl、HF等強(qiáng)腐蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加劇其磨損失效。表面腐蝕會(huì)造成模具型腔表面質(zhì)量下降及尺寸超差，降低模具壽命。



表面磨損



熱固性塑料對(duì)模具表面的嚴(yán)重摩擦，使模具表面產(chǎn)生劃傷（拉毛），影響壓制件的外觀質(zhì)量，經(jīng)多次拋光修復(fù)后，因型腔尺寸超差而失效；熱固性塑料中含有的固體添加劑也會(huì)加劇對(duì)模具型腔的磨損，不僅使型腔表面粗糙度值迅速升高，而且還會(huì)使模具型腔尺寸超差；當(dāng)模具選用的材料與熱處理不合理，塑料模具的型腔表面硬度較低，也會(huì)使模具耐磨性變差。



疲勞和熱疲勞



塑料模具在工作過程中因承受循環(huán)的機(jī)械載荷作用，使模具的型腔表面承受脈動(dòng)拉應(yīng)力作用，從而引起模具的破壞稱為疲勞失效；塑料模具在服役過程中還承受循環(huán)的熱載荷作用，型腔表面在反復(fù)的受熱和冷卻條件下，可導(dǎo)致模具型腔應(yīng)力集中處萌生熱疲勞裂紋，另外加上模具型腔表面上的脈動(dòng)拉應(yīng)力，使熱疲勞裂紋向縱深擴(kuò)展，最終造成模具斷裂。



失效原因：



該模具壽命在2000件以下，其主要的失效形式為型腔表面拉毛（劃傷）和棱邊塌陷等。對(duì)失效模具進(jìn)行硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，型腔表面與棱邊處的硬度為56~58HRC，表明模具在使用過程中有一定的硬度降低，其金相組織為回火馬氏體 +粒狀滲碳體 +少量殘留奧氏體。



通過對(duì)模具的硬度降低分析來看，模具的服役溫度高于回火溫度（200℃），同時(shí)也與模具的回火不足有關(guān)，其使模具在服役過程中受熱后繼續(xù)回火，導(dǎo)致馬氏體的分解與殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變，在壓力作用下產(chǎn)生“相變超塑性”流動(dòng)，引起模具型腔表面拉毛與棱邊的塌陷。



冷作模具的失效形式及原因



磨損



冷作模具工作部分與被加工材料之間的摩擦而引起的物質(zhì)損耗，能使工作部位（刃口、沖頭）形狀和尺寸發(fā)生變化而引起失效，如沖裁模的刃口變鈍，冷鐓模的工作表面出現(xiàn)溝槽等。



磨損失效包括正常磨損失效與非正常磨損失效。對(duì)于沖模、冷擠壓模，在保證不斷裂的條件下，工作部分磨損到無法修復(fù)的程度屬于正常磨損；非正常磨損則是在局部高壓力作用下，模具工作表面與被加工材料間發(fā)生咬合，引起坯料表面形狀與尺寸發(fā)生突變，或產(chǎn)品表面出現(xiàn)嚴(yán)重劃痕等導(dǎo)致失效，如冷拉深模、彎曲模及冷擠壓模中容易出現(xiàn)此類缺陷。



斷裂



冷作模具在使用過程中突然出現(xiàn)裂紋或發(fā)生破損而失效，按其損壞情況可分為局部破損（如剝落、崩刃、掉牙等）和整體性破損（如碎裂、斷裂、脹裂、劈裂等）。其共同的特點(diǎn)是破損大多數(shù)產(chǎn)生在受力最大的工作部位，或是在斷面變化的應(yīng)力集中處。



按其斷裂過程的特征，可分為脆性斷裂和疲勞斷裂兩種形式。脆性斷裂主要是由于模具存在冶金缺陷、工藝缺陷，或因操作不當(dāng)發(fā)生超載造成的；疲勞斷裂主要是由于循環(huán)應(yīng)力所致，其常見于各種重載模具，如冷鐓模、冷擠壓模。



塑性變形



冷作模具在使用過程中發(fā)生塑性變形，失去原有的幾何形狀，通常發(fā)生在硬度偏低或淬硬層太薄的模具，具體表現(xiàn)為凸模鐓粗、彎曲，凹模型腔下沉塌陷、棱角塌陷、?？酌洿蟮取?/span>



咬合



當(dāng)被加工材料與模具工作部位接觸時(shí)，在高壓力摩擦下，潤滑油膜破裂，發(fā)生咬合。此時(shí)，被加工件金屬“冷焊”到模具型腔表面，導(dǎo)致被加工產(chǎn)品表面出現(xiàn)劃傷。咬合失效常見于彎曲、拉深、冷鐓、冷擠壓等工序。



原因分析



沖模用于加工一汽“大眾”A4與“捷達(dá)”5V踏板機(jī)構(gòu)總成等產(chǎn)品。沖模在線切割加工時(shí)，經(jīng)常發(fā)生模具開裂（見圖2）問題。經(jīng)過分析，模具線切割開裂原因主要是：內(nèi)部存在淬火殘余內(nèi)應(yīng)力、材料韌性低。當(dāng)模具體積較大時(shí)，模具經(jīng)熱處理后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（表面為拉應(yīng)力，內(nèi)部為壓應(yīng)力），當(dāng)兩種內(nèi)應(yīng)力相互抵消而保持內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)時(shí)，不易使模具開裂；而模具在線切割加工時(shí)，拉應(yīng)力增大，將破壞其內(nèi)應(yīng)力平衡，加上高碳鋼模具材料韌性低，則易使模具開裂。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，此種情況多發(fā)生在模具厚度超過50mm時(shí)。



附影響模具失效的因素



1.模具結(jié)構(gòu)的影響



模具結(jié)構(gòu)包括模具幾何形狀如圓角半徑、幾何角度（凸模的端面形狀、凹模錐度與截面的變化），結(jié)構(gòu)形式（整體式結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鑲套結(jié)構(gòu)），模具間隙，結(jié)構(gòu)剛度等。



模具結(jié)構(gòu)的合理性，對(duì)模具的承載能力有很大的影響。合理的模具結(jié)構(gòu)能使模具工作時(shí)受力均勻，不易偏載，應(yīng)力集中小，不易產(chǎn)生早期失效；而不合理的模具結(jié)構(gòu)可能引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中或高的工作溫度，從而惡化模具的工作條件，導(dǎo)致模具早期失效。



2.模具材料的影響



1）模具材料的力學(xué)性能指標(biāo)。模具材料通常應(yīng)滿足模具對(duì)塑性變形抗力、斷裂抗力、疲勞抗力、硬度、耐磨性、冷熱疲勞抗力等性能的要求。如果不能滿足要求，則會(huì)發(fā)生模具早期失效。例如在循環(huán)載荷下，如果模具材料疲勞抗力低，經(jīng)一定應(yīng)力循環(huán)后，可能萌生疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展直至模具斷裂失效。



2）模具鋼的冶金質(zhì)量。模具鋼的冶金質(zhì)量對(duì)模具的失效形式有很大的影響。鋼中的非金屬夾雜物、偏析、中心疏松、白點(diǎn)等缺陷，均能降低鋼的強(qiáng)韌性、疲勞及冷熱疲勞抗力，引起模具早期失效，如崩裂、劈裂、折斷，以及工作面的凹陷等。



3.模具制造工藝的影響



模具制造工藝過程包括鍛造、機(jī)械加工、熱處理等。有些模具加工需經(jīng)過上述所有工藝處理。每一種工藝的加工質(zhì)量，均將不同程度地影響模具的損傷過程、失效形式。



若鍛造工藝不合理，則達(dá)不到打碎晶粒，改善方向性，提高鋼的致密度等目的，甚至引發(fā)鍛造裂紋等缺陷；機(jī)械加工如出現(xiàn)尖角或表面粗糙度值高，留有加工刀痕，將容易在這些部位萌發(fā)疲勞裂紋。磨削不當(dāng)，容易燒傷模具表面或產(chǎn)生磨削裂紋；若熱處理不當(dāng)，則可能引發(fā)熱處理缺陷，如淬火溫度過高，則會(huì)引起鋼的過熱，甚至過燒，模具易發(fā)生崩刃或早期斷裂，而淬火溫度過低，則難以保證有足夠的合金元素固溶于基體之中，模具易產(chǎn)生早期變形、塌陷或熱疲勞裂紋。淬火冷卻速度過快，則易出現(xiàn)淬火裂紋，在模具使用中易產(chǎn)生早期斷裂。



4.模具的工作條件的影響



模具的工作條件與下列因素有關(guān)：設(shè)備的特性，被加工坯料的材質(zhì)、形狀、精度和溫度，模具的冷卻及潤滑條件，模具的預(yù)熱與工作應(yīng)力消除等。這些因素均對(duì)模具的失效形式產(chǎn)生影響。

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