隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，模具的應(yīng)用越來越廣泛。但目前在我國(guó)的許多企業(yè)中，模具的使用壽命還比較低，僅相當(dāng)于國(guó)外的1/3～1/5。模具壽命低、工作部分精度保持性差，不僅會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且會(huì)造成模具材料、加工工時(shí)等成本的巨大浪費(fèi)，大大增加產(chǎn)品的成本并降低生產(chǎn)效率，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。研究表明：模具的使用壽命與熱處理不當(dāng)、選材不合適、模具結(jié)構(gòu)不合理、機(jī)械加工工藝不合理、模具潤(rùn)滑不好、設(shè)備水平差等諸多因素有關(guān)。根據(jù)對(duì)大量失效模具的分析統(tǒng)計(jì)，在引起模具失效的各種因素中，熱處理不當(dāng)約占45%，選材不當(dāng)、模具結(jié)構(gòu)不合理約占25%，工藝問題約占10%；潤(rùn)滑問題、設(shè)備問題等因素約占20%。因此，在模具設(shè)計(jì)和制造過程中，選用恰當(dāng)?shù)牟牧希侠碓O(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，選擇合理的熱處理工藝，妥善安排模具各零件的加工工藝路線，改善模具的工作條件，都有利于提高模具的質(zhì)量和使用壽命。
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1.合理選用模具材料6 r6 K2 O0 X: @
4 \; B& ~& r6 q! V1 H& s# R, y1.1 模具材料的選用
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選用模具材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的生產(chǎn)批量、工藝方法和加工對(duì)象進(jìn)行選擇。在大批量生產(chǎn)中，應(yīng)選用長(zhǎng)壽命的模具材料，如硬質(zhì)合金，高強(qiáng)韌、高耐磨模具鋼（如YG15、YG20）；對(duì)小批量或新產(chǎn)品試制可采用鋅合金、鉍錫合金等模具材料；對(duì)于易變形、易斷裂失效的通用模具，需要選用高強(qiáng)度、高韌性的材料（如T10A）；熱鍛模則要選用具有良好的韌性、強(qiáng)度、耐磨性和抗冷熱疲勞性能的材料（如5CrMnMo）；壓鑄模要采用熱疲勞抗力高、高溫強(qiáng)度高的合金鋼（如3Cr2W8V）；塑料模具則應(yīng)選擇易切削、組織致密、拋光性能好的材料。此外，在設(shè)計(jì)凸模和凹模時(shí)，宜選用不同硬度或不同材料的模具相匹配，如：凸模用工具鋼（如T10A），凹模用高碳高鉻鋼（如Cr12、Cr12MoV），模具使用壽命可提高5～6倍。
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1.2 合理的模具結(jié)構(gòu)* h$ F; O5 g2 p7 ?& @; j( @: s; a
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模具設(shè)計(jì)的原則是保證足夠的強(qiáng)度、剛度、同心度、對(duì)中性和合理的沖裁間隙，并減少應(yīng)力集中，以保證由模具生產(chǎn)出來的零件符合設(shè)計(jì)要求。因此對(duì)模具的主要工作零件（如沖模的凸、凹模，注塑模的動(dòng)、定模，模鍛模的上、下模等）要求其導(dǎo)向精度高、同心度和對(duì)中性好以及沖裁的間隙合理。
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' _; G8 D7 n% H- _" J2 f在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮的是：
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①設(shè)計(jì)凸模時(shí)必須注意導(dǎo)向支撐和對(duì)中保護(hù)。特別是設(shè)計(jì)沖小孔凸模時(shí)采用自身導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可延長(zhǎng)模具壽命。
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②對(duì)夾角、窄槽等薄弱部位，為了減少應(yīng)力集中，要以圓弧過渡，圓弧半徑R可取3～5mm。5 Q1 W e0 e% x! a; Z
- l8 ~! [. ~+ S2 Z7 @; W9 p; V③對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的凹模采用鑲拼結(jié)構(gòu)，也可減少應(yīng)力集中。
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④合理增大間隙，改善凸模工作部分的受力狀態(tài)，使沖裁力、卸件力和推件力下降，凸、凹模刃口磨損減小。2 M5 B: y5 n/ e" b- u+ f
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2.模具的熱處理工藝' g& d3 X" n. B- X1 C
' ?: ?. d3 o4 G7 {$ [從模具失效分析得知，45%的模具失效是由于熱處理不當(dāng)造成的。眾所周知，磨損、粘結(jié)均發(fā)生在表面，疲勞、斷裂也往往從表面開始，因此對(duì)模具表面的加工質(zhì)量要求非常高。但實(shí)際上由于加工痕跡的存在，熱處理時(shí)表面氧化脫碳也在所難免。因而，模具的表面性能反而比基體差。采用熱處理新技術(shù)是提高模具性能的經(jīng)濟(jì)而有效的重要措施。模具熱處理工藝包括基體強(qiáng)韌化和表面強(qiáng)化處理�；w的強(qiáng)韌化在于提高基體的強(qiáng)度和韌性，減少斷裂和變形。表面強(qiáng)化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蝕性和潤(rùn)滑性能。
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) S9 [* T0 l3 H6 Y# l6 Q! ^2.1 模具的整體強(qiáng)韌化工藝5 A& x! M. X0 `8 G% C: w3 T T) ]
+ O8 n- \( |( m+ \3 X模具既要具有優(yōu)良的整體強(qiáng)韌化性能，又要具有優(yōu)異的型腔表面性能，這樣才能提高模具使用壽命，為了達(dá)到這個(gè)要求，出現(xiàn)了在對(duì)模具整體強(qiáng)韌化的基礎(chǔ)上再進(jìn)行表面強(qiáng)化的各種處理工藝：對(duì)普通冷作模具鋼，采用低溫淬火與低溫回火處理,可收到增強(qiáng)韌性、減少脆性與拆斷的良好效果；對(duì)熱作模具鋼，采用高溫淬火與高溫回火處理,可顯著提高熱作模具鋼的強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性。例如，對(duì)于3Cr2W8V材料制成的壓鑄模，采用400℃～500℃及800℃～850℃的兩次預(yù)先正火而后進(jìn)行高溫淬火、回火處理，可提高韌性40%，模具壽命可提高1倍。# H% W v) j3 \7 H/ t+ C: @
j( M0 u+ `+ c s$ [除此之外，還可采用形變熱處理。形變熱處理是把鋼的強(qiáng)化與相變強(qiáng)化結(jié)合起來的一種強(qiáng)韌化工藝。形變熱處理的強(qiáng)韌化本質(zhì)在于獲得細(xì)小的奧氏體晶粒、細(xì)化馬氏體增加了馬氏體中的位錯(cuò)密度并形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，同時(shí)促進(jìn)碳化物的彌散硬化作用。
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: X7 i, ^, [9 L2.2 模具的表面強(qiáng)化熱處理. W" }: n& K& C1 R( S0 S: n
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模具表面強(qiáng)化處理工藝主要有氣體軟氮化法、離子氮化法、電火花表面強(qiáng)化法、滲硼法、TD法、CVD法、PVD法、激光表面強(qiáng)化法、離子注入法、等離子噴涂法等等。+ J9 K( G6 N# A( t+ W
8 `+ q0 J* I a①氣體軟氮化:使氮在氮化溫度分解后產(chǎn)生活性氮原子，被金屬表面吸收滲入鋼中并且不斷自表面向內(nèi)擴(kuò)散，形成氮化層。模具經(jīng)氮化處理后,表面硬度可達(dá)HV950～1200,使模具具有很高的紅硬性和高的疲勞強(qiáng)度,并提高模具表面光潔度和抗咬合能力。
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②離子氮化：將待處理的模具放在真空容器中，充以一定壓力的含氮?dú)怏w(如氮或氮、氫混合氣)，然后以被處理模具作陰極，以真空容器的罩壁作陽極，在陰陽極之間加上400～600伏的直流電壓，陰陽極間便產(chǎn)生輝光放電，容器里的氣體被電離，在空間產(chǎn)生大量的電子與離子。在電場(chǎng)的作用下,正離子沖向陰極，以很高速度轟擊模具表面，將模具加熱。高能正離子沖入模具表面，獲得電子,變成氮原子被模具表面吸收，并向內(nèi)擴(kuò)散形成氮化層。應(yīng)用離子氮化法可提高模具的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。 n5 N1 p4 v" |( ^( o: r; ~
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③電火花表面強(qiáng)化：這是一種直接利用電能的高能量密度對(duì)模具表面進(jìn)行強(qiáng)化處理的工藝。它是通過火花放電的作用,把作為電極的導(dǎo)電材料溶滲進(jìn)金屬工件表層，從而形成合金化的表面強(qiáng)化層，使工作表面的物理、化學(xué)性能和機(jī)械性能得到改善。例如采用WC、TiC等硬質(zhì)合金電極材料強(qiáng)化高速鋼或合金工具鋼表面，可形成顯微鏡硬度HV1100以上的耐磨、耐蝕和具有紅硬性的強(qiáng)化層，使模具的使用壽命明顯得到提高。電火花表面強(qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，處理后的模具耐磨性提高顯著；缺點(diǎn)是強(qiáng)化表面較粗糙，強(qiáng)化層厚度較薄，強(qiáng)化處理的效率較低。
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: d; [2 R6 y& u- B3 i2 z④滲硼：由于滲硼層具有良好的紅硬性、耐磨性，通過滲硼能顯著提高模具表面硬度(達(dá)到HV1300～2000)和耐磨性，可廣泛用于模具表面強(qiáng)化，尤其適用于處理在磨粒磨損條件下的模具。但滲硼層往往存在著較大的脆性，這也限制了它的應(yīng)用。2 l z; ]/ r% G, v7 d( N4 [
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⑤TD熱處理：在空氣爐或鹽槽中放入一個(gè)耐熱鋼制的坩堝，將硼砂放入坩堝加熱熔化至800℃～1200℃，然后加入相應(yīng)的碳化物形成粉末（如鈦、鋇、鈮、鉻），再將鋼或硬質(zhì)合金工件放入坩堝中浸漬保溫1～2小時(shí)，加入元素將擴(kuò)散至工件表面并與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)形成碳化物層，所得到的碳化物層具有很高的硬度和耐磨性。
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( z0 `' |5 ?9 v4 A4 r⑥CVD法(化學(xué)氣相沉積)：將模具放在氫氣(或其它保護(hù)氣體)中加熱至900℃～1200℃后，以其為載氣，把低溫氣化揮發(fā)金屬的化合物氣體如四氯化鈦(TiCI4)和甲苯CH4(或其它碳?xì)浠衔?蒸氣帶入爐中，使TiCI4中的鈦和碳?xì)浠衔镏械奶迹ㄒ约颁摫砻娴奶挤郑┰谀＞弑砻孢M(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而生成一層所需金屬化合物涂層(如碳化鈦)。
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4 I, j" @$ J# d0 v# i⑦PVD法(物理氣相沉積)：在真空室中使強(qiáng)化用的金屬原子蒸發(fā)，或通過荷能粒子的轟擊，在一個(gè)電流偏壓的作用下，將其吸引并沉積到工件表面形成強(qiáng)化層。利用PVD法可在工件表面沉積碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等多種化合物8 P1 r. o; G' r/ F4 M' R% w
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⑧激光表面強(qiáng)化：當(dāng)具有一定功率的激光束以一定的掃描速度照射到經(jīng)過黑化處理的模具工作表面時(shí)，將使模具工作表面在很短時(shí)間內(nèi)由于吸收激光的能量而急劇升溫。當(dāng)激光束移開時(shí)，模具工作表面由基材自身傳導(dǎo)而迅速冷卻，從而形成具有一定性能的表面強(qiáng)化層，其硬度可提高15～20%，此外還具有淬火組織細(xì)小、耐磨性高、節(jié)能效果顯著以及可改善工作條件等優(yōu)點(diǎn)。
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⑨離子注入：利用小型低能離子加速器，將需要注入元素的原子，在加熱器的離子源中電離成離子，然后通過離子加熱器的高電壓電場(chǎng)將其加熱，成為高速離子流，再經(jīng)過磁分析器提煉后，將離子束強(qiáng)行打入置于靶室中的模具工作表面，從而改變模具表面的顯微硬度和粗糙度，降低表面摩擦系數(shù)，最終提高工件的使用壽命。
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# P0 Z: ^$ `- s7 [3.模具的機(jī)械加工工藝" f+ q9 h2 L) z
# y4 G. i, O4 |8 }6 F: q9 w1 E, ]模具的機(jī)械加工工藝是直接影響模具使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。由于模具零件的形狀多種多樣而且精度要求高，因此在加工過程中除了使用車床、銑床、刨床、鍤床和磨床等普通機(jī)械加工設(shè)備外，還需要應(yīng)用各種先進(jìn)設(shè)備，諸如電火花加工機(jī)床、電火花線切割加工機(jī)床和精密磨削機(jī)床等等。目前針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工藝要求特殊的模具，一種有別于傳統(tǒng)機(jī)械加工的新型加工方法——模具特種加工（電加工）也得到了快速發(fā)展。采用這種方法，不要求工具材料比工件材料更硬，也不需要在加工過程中施加明顯的機(jī)械力，而是直接利用電能、化學(xué)能、光能和聲能對(duì)工件進(jìn)行加工，以達(dá)到一定的形狀尺寸和表面粗糙度要求。加工實(shí)踐證明：采用正確的加工工藝，使高精度模具的型腔表面粗糙度改善一倍，就可使模具使用壽命提高50%。這一點(diǎn)對(duì)塑料模具尤為重要。 |
發(fā)表于 2007-12-24 15:18:14
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