浅谈模具材料的合理选择

罗小梅,陈江进 (荆州职业技术学院机电学院,湖北荆州434020)

在汽车、电子、家电等产品中60%～80%零部件的生产都依靠模具成型,而模具质量的好坏在很大程度上决定着产品质量的好坏和经济效益的高低。近年来,由于各种新材料的层出不穷、模具的工作条件日益苛刻,模具的精度要求也越来越高,使用寿命要求越来越长。

模具材料种类繁多,在设计模具时如果选材不当,可能会造成模具在使用过程中早期失效,从而降低模具寿命、增加模具的制造成本。据调查,在所有的模具失效因素中,模具材料及热处理约占70%以上,而因为选材和用材不当致使模具过早失效约占失效模具的45%以上。因此,在模具设计时合理地选择模具材料是获得合理的模具寿命和效益的一个重要措施。下面,笔者就如何合理选择模具材料进行了研究。

1 模具材料选择的基本原则

模具的选材应根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要,结合模具材料的基本性能和相关因素,来选择适合模具需要、经济上合理、技术上先进的模具材料。选材的基本原则如下:

1.1 满足模具的使用性能要求

模具在工作过程中可能会承受压应力、拉应力、弯曲应力、热应力、冲击载荷的作用,还可能会受到强烈的摩擦。因此要保证模具能正常工作,所选择的模具材料必须具有足够的性能来满足其使用要求。不同种类的模具在工作时所承受的主要载荷不同,需要满足的使用性能不同。

1.2 满足工艺性能要求

材料的工艺性能主要包括锻造性能、切削加工性能、热处理性能等。在模具的生产中,机械加工、热处理、装配等费用占总成本的80%以上。如果所选材料能满足模具的使用性能要求,但其工艺性差,则模具生产的总成本会大幅增加。因此,在选择模具材料时还要满足工艺性能要求。

1.3 满足经济性要求

为降低模成本,不仅要考虑模具材料容易加工、热处理,同时还应选用价格低、来源丰富的材料。

2 模具选材的具体考虑因素

2.1 模具的工作条件

1)模具的承载能力及受到的冲击状况 模具在工作过程中所需承载的能力越强,则模具材料对强度的要求越高;而在工作过程中所受的冲击越大,则材料的韧性要求越好。

2)模具的工作温度 冷态 (室温)下工作的模具,在工作过程中主要承受强烈的冲击和摩擦的作用,应具有良好的耐磨性、强度、硬度、韧性及可加工性,通常选用冷作模具钢;高温下工作的模具,在工作过程中主要受到高温及交变热应力的作用,应具有良好的耐热疲劳性、高的热稳定性、高的回火稳定性及良好的工艺性能,通常选择合适的热作模具钢。

3)腐蚀状况 模具处于腐蚀状况下,模具表面容易受到腐蚀,而为了提高其表面光洁度,就要对其进行研磨抛光处理,这样就会使得模具尺寸出现超差,模具失效。因此为了提高模具寿命,应选择耐蚀钢生产模具。

2.2 模具的结构因素

1)模具尺寸大小 模具在进行热处理加工过程中,截面尺寸越大,其受热和冷却速度越不均匀,模具越难淬透,整个截面上的组织和性能越不均匀。为了保证截面性能的均匀性,选择模具材料时应该选择导热性、淬透性好的钢材。

2)模具的形状 模具形状越简单,加工成型越容易实现、热处理时材料越容易淬透。在选择模具材料时采用成本较低的碳素工具钢即可满足性能要求。而形状复杂的模具在加工时尖角、凹槽等部位容易产生应力集中,所以在选择模具材料时应选择淬透性好、容易切削加工、寿命长的高合金钢采用缓冷淬火介质。

3)模具的精度 模具的精度要求不同,选择的模具材料也不同。精度要求高的模具,要求加工过程中变形小,所以往往应该选择加工过程中变形小的微变形模具钢。

4)模具的不同组件及不同部位 一般来说,模具材料的性能应大大高于模具工作对象的材料性能,但不是所有的模具零件都必须选用机械性能高的材料,在具体选择时应充分考虑零件在工作中的作用,在保证使用性能的前提下尽可能节约贵重金属。

模具的组件可分为工作零件和辅助零件,其中工作零件与被加工对象直接接触,是模具的主要部分,在工作中直接受到热或力的作用,其所用的材料材质直接关系到模具的质量、寿命,决定着所成型制品的外观及内在质量;而辅助部分用来支承、连接、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样好。例如,模具的上下模座是支撑零件,它只要求有必要的强度,选择铸钢即可满足其使用要求;如选择高性能的材料,则会大大提高生产成本。

此外,即使是同一个工件上不同的部位其性能要求也可能不同。例如镶拼式模具型腔,其型面部分或某些经受强烈磨损、冲击或高温的部分应选用高性能的材料,其它模体部分,性能要求不高,可以采用比较低级的材料。

2.3 加工产品的批量大小

一般情况下,当模具加工产品的批量很大时,模具材料在模具制造费用中所占的比例很小,模具寿命要求长,这时模具应该选择高质量、性能好的材料制造;而生产批量小时,可以采用性能一般、加工方便、价格低的材料。

2.4 被加工对象的材质

不同的材料,成形过程中产生的变形抗力、工作温度都有很大的不同。因此,不同材质加工对象的模具,材料选择也不同。例如锻造铝制品时模具所受到的变形抗力比锻造钢制品时小得多。又如生产聚氯乙烯的塑料模具,在工作过程中,聚氯乙烯受热分解具有腐蚀性的HCl气体,模具容易受到腐蚀,寿命降低。为了避免产生腐蚀,模具材料就应该选择耐蚀模具钢。

2.5 模具的设计因素

对于形状比较简单、尺寸比较小的模具往往设计成整体结构,为了满足模具型腔工作所需要的性能,往往选择性能较好的材料。

对于大型复杂模具,由于模具材料的费用在模具的总成本中占较大份额,所以往往将模具设计成组合或镶拼结构。模具本体主要起支承作用,其性能要求较低,选择价格低的碳素钢即可满足要求;而在模具的关键工作部位如型腔或刃口处应选择高性能的模具材料。

2.6 模具的制造工艺因素

制造模具应根据所采用的热加工、冷加工方法和工艺的不同,选择适当的与其相适应的材料,满足工艺性能要求,另外还应兼顾到工厂现有的设备和技术水平。

3 模具材料的具体选择

3.1 冷作模具

1)成型零部件材料的选用 ①按模具的大小考虑。模具的尺寸不大时可选用高碳工具钢;尺寸较大时可选用高碳低合金工具钢;尺寸大时可选用高合金耐磨钢。②按模具形状和受力情况考虑。模具形状简单、不易变形、截面尺寸不大、载荷较小时,可选用高碳工具钢或高碳低合金钢;模具形状复杂、易变形、截面尺寸较大、载荷较大的可选用高耐磨模具钢,如Cr12、Cr12MoV、Cr6WV、Cr4W2MoV等钢。③按模具的使用性能考虑。模具压制产品的批量小或中等时,常选用成本较低的碳素工具钢或高碳低合金钢制造;当生产批量大,要求模具使用寿命长时,可选用高耐磨、高淬透性及变形小的高碳中铬钢、高碳高铬钢、高速钢、基体钢或高强韧性低合金冷作模上钢制造;当生产批量件特别大,要求使用寿命特别长时,可选用硬质合金或钢结硬质合金制造。

2)非成型零部件材料选用 ①上下模板一般选用HT200、ZG310-570、Q235;导柱、导套、斜楔、滑块一般选用T8A、T10A、Q235等。②顶杆、顶料杆、垫板、定位板、挡板、挡料销一般选用45。

3.2 塑料模具

1)成形零部件材料的选用 ①对于成型透明塑料制品的模具,其型腔和型芯均需选用高镜面抛光性能的高档进口钢材,如718(P20+Ni类)、NAK80(P21类)、S136(420类)、H13类钢等。②对于制品外观质量要求高,长寿命、大批量生产的模具,型腔需选用高镜面抛光性能的高档进口钢材,如718(P20+Ni类)、NAK80(P21类)等,均为预硬状态,不需再进行热处理;型芯可选用中低档进口P20或P20+Ni类钢材,如618、738、2738、638、318等,均为预硬状态;对生产批量不大的模具,也可选用国产塑料模具钢或S50C、S55C等进口优质碳素钢。③对于制品外观质量要求一般的模具,小型、精密模具型腔和型芯均选用中档进口P20或P20+Ni类钢材;大中型模具所成型塑料对钢材无特殊要求,型腔可选用中低档进口P20或P20+Ni类钢材,型芯可选用低档进口P20类钢材或进口优质碳素钢S50C、S55C等,也可选用国产塑料模具钢。④对于无外观质量要求的内部结构件,大中型模具型腔可选用低档的进口P20或P20+Ni类钢材,也可选用进口优质碳素钢S55C、S50C或国产P20或P20+Ni类塑料模具钢,型芯可选用进口或国产优质碳素钢;产量较高、结构较复杂的小型模具,型腔可选用低档的进口P20或P20+Ni类钢材,也可选用国产P20或P20+Ni类塑料模具钢,型芯可选用国产塑料模具钢;结构较简单、产量不高的小型模具,型腔型芯均可选用国产塑料模具钢或优质碳素钢。⑤对于成型含氟、氯等有腐蚀性的塑料和各类添加阻燃剂塑料的模具,若制品要求较高,可选用进口的耐蚀钢,要求一般的可选用国产的耐蚀钢。

2)非成型零部件材料选用 ①模板一般选用进口S50C或国产SM 45;导柱、导套、推板导柱、推板导套及复位杆材料可采用GCr15或SUJ2、T8A、T10A。②模具中的一般结构用件,如顶出定位圈、立柱、顶出限位块、限位拉杆、锁模块等,对硬度和耐磨性无特别要求,可选用国产SM45钢,不需再进行热处理。③模具中的浇口套、楔紧块、耐磨块、滑块压板等对硬度、强度、耐磨性要求较高的零件,应选用碳素工具钢或优质碳素工具钢,如T8A、T10A等。该类钢使用时均需进行淬火处理,以提高其硬度和耐磨性。