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文獻綜述
學院（系）
專 業(yè)
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姓 名
學 號
模具是工業(yè)生產中使用極為廣泛的工藝裝備之一，也是發(fā)展工業(yè)的基礎。模具是成形金屬、塑料、橡膠、玻璃、陶瓷等制件的基礎工藝裝備，是工業(yè)生產中發(fā)展和實現(xiàn)少無切屑加工技術不可缺少的工具。模具是一種高效率的工藝設備，用模具進行各種材料的成型，可實現(xiàn)高速度的大批量生產，并能在大量生產條件下穩(wěn)定的保證制件的質量、節(jié)約原材料。因此，在現(xiàn)代工業(yè)生產中，模具的應用日益廣泛，是當代工業(yè)生產的重要手段和工藝發(fā)展方向。許多現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和技術水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。
一、模具加工制造的方法
將金屬材料加工成模具的方法，主要有機械加工、特種加工、塑性加工、鑄造和焊接等。
1、機械加工
機械加工（即傳統(tǒng)的切削與磨削加工）是模具制造不可缺少的一種重要的加工方法，即使是用其他加工方法制造模具，也需要用切削或磨削加工來完成某些工作。例如模架加工、模坯加工、模具型面加工以及孔類加工等。
機械加工的明顯特點是加工精度高、生產效率高，而且用相同的機床和工具可以加工出各種形狀和尺寸的工件。但是，用機械加工方法加工復雜的形狀時，其加工速度很慢，硬的材料也難于加工；材料的利用率不高；而且還要求有熟練的操作工人。盡管如此，在模具制造過程中機械加工仍然是主要的加工手段。
2、特種加工
特種加工是有別于傳統(tǒng)機械加工方法的非傳統(tǒng)加工方法，也稱電加工。從廣義上來說，特種加工是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需要在加工過程中施加明顯的機械力，而是直接利用電能、化學能、聲能、光能等來除去工件上的多余部分，以達到一定的形狀、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法，其中包括電火花成形加工、電火花線切割加工、電解加工、電化學拋光、電解磨削、電鑄、化學蝕刻、超聲波加工、激光加工等。
特種加工相對于傳統(tǒng)的機械加工，有如下特點：
1）加工情況與工件的硬度無關，可以實現(xiàn)以柔克剛。
2）工具與工件一般不接觸，加工過程不必施加明顯的機械力。
3）可加工各種復雜形狀的零件。
4）易于實現(xiàn)加工過程自動化。
正因為特種加工有上述這些可貴的特點，所以特種加工在模具制造中得到越來越廣泛的應用，并成為模具加工中的一種重要方法。
3、塑性加工
塑性加工主要是冷擠壓制模法，即將淬火過的成形模（原陽模）強有力地壓入未進行硬化處理的模坯（鋼或其他軟質材料）內，使原陽模的形狀復印在被壓的模坯上，制成所需要的模具。
冷擠壓制模法所成形的模具完全不需要將型面進行精加工，它制模速度快、省料，可以制成各種復雜型面的模具，且形狀精確，利于用一套原模制作多副相同模具。這種制模法一定要事先制作一個成形的原陽模，而且壓制后的模具在淬火時會引起變形。
4、鑄造
對于一些精度和使用壽命要求不高的模具，人們往往會用簡單方便的鑄造法快速制成。
1）鑄鐵 像加工汽車外殼等大件且不規(guī)則形狀的模具，一般都用鑄造方法制成。
鑄鐵模在制造上的優(yōu)點是，可以很容易鑄出復雜的形狀，尺寸不受限制，便于進行機械加工，而且價格低，潤滑性好，膠著少。它的缺點是耐磨性差，精度差。
2)鋅基合金 鋅基合金是一 種用鑄造法制造簡易模具的典型材料，其熔點低，可鑄性好，所以鑄造精度相對較高，而且還具有軟鋼那樣的強度、耐磨性和潤滑性。用低熔點材料鋅基合金鑄造模具，也我快速制模法，其制模速度快，制成形狀復雜的模具，但模具的材質較軟，耐熱性差，所以模具壽命短，多用于試制和小批量生產的場合。
3）合成樹脂 鑄造法制模也有用合成樹脂的，主要有酚醛樹脂、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等。
合成樹脂模的優(yōu)點是容易快速制模，輕而無銹，復制和維修都比較簡單。但耐磨性差，遇熱變形大，且強度不高、易疲勞老化。
5、焊接
焊接法制模是將分散加工好的模塊焊接在一起，形成所需的模具。這種制模方法與整體加工相比，加工簡單、快速、省料、尺寸大小不受限制。但精度難以保證，易殘留熱應變及內部應力，承受沖擊的能力差。主要用于精度要求不高的大型模具的制造，或者用于模具的修復。
二、模具加工的材料
塑料模具的組成零件按其用途可分為兩大類: 一類為結構零件, 包括澆注系統(tǒng)、導向件、定( 動) 模板、頂出機構件、支承件等, 選用材料一般為中、低碳的碳素結構鋼或合金結構鋼和碳素工具鋼; 另一類為成型零件, 包括型腔、型芯、成型鑲嵌件等, 是直接成型塑料制件的關鍵零部件, 這些材料的選用決定了模具的性能(加工能力) 、壽命( 耐久性) 和成本的級別, 塑料加工的技術進步使模具結構日益復雜, 成型零件的模具材料在整副模具中可能只占重量的少部分, 但卻是性能和成本的決定性因素。
成型零件結構復雜、要求尺寸精確、接縫密合和表面光滑, 所用材料必須具備以下的特定性能要求:①具有一定的綜合力學性能。成型零件在工作過程中要承受溫度、壓力、侵蝕和磨損, 因而要求具有一定的強度和塑、韌性; ②切削加工性好。塑料模形狀往往比較復雜, 切削加工成本常占到模具的絕大部分( 一般約75%) , 因而要求具有良好的切削加工性; ③具有良好的導熱性和低的熱膨脹系數, 并具有良好的熱加工工藝性; ④有些還要求有良好的耐蝕性和一定的耐熱性。在眾多的模具用鋼中, 如何根據塑料制品的要求和模具鋼特定性能, 合理地選擇塑料模具用鋼是一項非常重要的工作。
我國過去無專用塑料模具用鋼, 近年在引進國外塑料模具用鋼的同時, 自行研制和開發(fā)出一些新的塑料模具專用鋼。這些材料能滿足塑料品種在性能上的差異及制品的形狀尺寸、質量、精度要求, 其模具材料具有適當的綜合力學性能, 比較好的耐磨性, 良好的切割加工性能、拋光性能、花紋圖案光蝕性能、耐蝕性及焊接性能。目前, 塑料模具材料仍以模具鋼為主, 但根據成型工藝的不同, 也可采用非鐵合金、鋼結硬質合金、低熔點合金等材料。
1、 模具鋼
塑料模具鋼可分為滲碳型塑料模具鋼、預硬型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐腐蝕型塑料模具鋼、非調質塑料模具鋼等五種。目前用得最多的是滲碳型塑料模具鋼、預硬型
塑料模具鋼和時效硬化型塑料模具鋼。
1.1、 滲碳型塑料模具鋼
滲碳型塑料模具鋼的含碳量一般在0.10%～0.25%的范圍內。退火后硬度低、塑性好, 冷加工硬化效應不明顯?？捎美鋽D壓的方法加工模具型腔, 也稱冷擠壓鋼。成形后經滲碳、淬火、回火可獲得較高的表面硬度。常用的鋼號有DT1、20、20Cr、10Cr5、10Cr2NiMo、12CrNi2、12CrNi3A、12Cr2Ni4、18CrNiW、20Cr2Ni4、20CrNiMo 及最近研制的LJ 鋼( 0Cr4NiMoV) 等。形狀簡單、尺寸小、多型腔的塑料模具最適合用冷擠壓方法制造,可有效地縮短制造周期, 減少制造費用, 提高制造精度。
1.2 預硬型塑料模具鋼
預硬型塑料模具鋼是調質處理到一定硬度( 分別為10HRC、20HRC、30HRC、40HRC 四個等級) 供貨的鋼材, 有較好的切削加工性能, 可直接進行型腔加工。加工后直接使用, 不再進行熱處理。因省略了熱處理及后續(xù)的精加工, 降低了成本,并縮短制造周期。常用的預硬型塑料模具鋼有3Cr2Mo( P20) 、3Cr2NiMo( P4410) 、40CrMnVBSCa ( P20BSCa) 、SM1( Y55CrNiMnMoV)鋼等。預硬型塑料模具鋼適用于制造成型批量大、以及有鏡面要求的模具, 硬度范圍一般在32～40HRC。
3Cr2Mo 是國內較早開發(fā)的塑料模具鋼, 與AISIP20 相當,目前已在許多鋼廠生產, 一般是先進行預硬處理, 然后再進行切削加工。該鋼適用于制造大、中型精密塑料模具, 如: 電視機、洗衣機殼體等塑料模具, 并已獲得較多應用。3Cr2Mo 鋼為預硬型塑料模具專用鋼, 淬火溫度為830～870℃, 回火溫度為550～600℃, 預硬至30～35HRC。
為了改善預硬型塑料模具鋼的切削加工性能, 可加入易切削元素, 成為易切削預硬型塑料模具鋼, 我國研制了一些含硫易切削預硬型塑料模具鋼和S- Ca 復合易切削預硬型塑料模具鋼, 如8Cr2MnWMoVS 和5CrNiMnMoVSCa( 5NiSCa) 。5NiSCa鋼采用了S- Ca 復合易切削系和噴射冶金技術, 改善了硫化物的形態(tài)、分布和各向異性, 在大截面中硫化物的分布比較均勻。5NiSCa 鋼具有高的淬透性, 在860～900℃淬火和575～650℃回火后, 硬度為35～45HRC, 可順利進行各種加工, 用于制造大、中、小型塑料模具。
1.3 時效硬化型塑料模具鋼
時效硬化型塑料模具鋼適用于制造預硬化鋼的硬度滿足不了要求, 又不允許有較大熱處理變形的模具。這種鋼在調質狀態(tài)進行切削加工, 加工后通過數小時的時效處理, 硬度等力學性能大大提高, 時效處理的變形相當小, 一般僅有0.01%～0.03%的收縮變形。若采用真空爐或輝光時效爐進行時效處理, 則可在鏡面拋光后再進行時效處理。時效硬化鋼有低鎳時效鋼和馬氏體時效鋼兩類。
我國現(xiàn)有的低鎳時效硬化鋼有25CrNi3MoAl 鋼、SM2 鋼( Y20CrNi3IMnMo) 、PMS 鋼( 10Ni3MnCuAl) 和06 鋼( 06Ni6Cr-MoVTiAl) 等。
06 鋼采用850℃×8h 固溶處理后, 硬度為20～28HRC, 切削性能和拋光性能都很好, 經500～550℃×4h 時效處理后, 硬度為43～48HRC, 時效處理的變形很小, 適用于制作高精度塑料模具、透明塑料模具等。
PMS 鋼具有優(yōu)良的鏡面加工性能, 模具表面粗糙度可達Ra0.05μm, 適用于制造要求高鏡面、高精度的各種塑料模具,如光學鏡片模具, 磁帶內外殼和電話機、石英鐘、車輛燈具等塑料殼體模具等。SM2 鋼, 含0.1%左右的硫, 切削加工性能得到了改善, 是一種易切削型時效塑料模具鋼。
馬氏體時效鋼是以鎳為主要合金成份的微碳高合金鋼, 這種鋼的奧氏體很穩(wěn)定, 經固溶處理后即可獲得微碳Fe- Ni 板條馬氏體, 硬度為30HRC 左右。無冷加工硬化效應, 有良好的切削加工性能, 加工成形后, 在480℃進行時效處理, 硬度為50HRC 左右, 在高強度下能保持較高的韌性, 且有較高的抗氧化、耐腐蝕性能。用于制造要求高耐磨、高精度、超鏡面、型腔復雜的塑料模具。屬于這類鋼的有18Ni ( 250) 、18Ni( 300) 、18Ni( 350) 。但馬氏體時效鋼含有大量的鈷和鎳, 不僅價格昂貴, 且資源受到限制, 我國極少使用。
1.4 耐腐蝕型塑料模具鋼
加工聚氯乙烯塑料、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品時, 分解出的腐蝕性氣體對模具有腐蝕作用, 要求模具材料有一定的耐蝕性, 為此需在模具表面鍍鉻或直接選用3Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2、0Cr17Ni7Al 等不銹鋼, 但Cr13 系不銹鋼的熱處理變形較大, 切削加工性能差, 使用范圍小。國內近年開發(fā)的PCR( 0Cr16Ni4Cu3Nb) 鋼屬馬氏體沉淀硬化不銹鋼, 在1050℃固溶空冷后得到單一的板條馬氏體, 硬度為32～35HRC, 可以進行切削加工, 經460～480℃時效后,硬度為42～44HRC, 有較好的綜合力學性能和抗蝕性能, 在含氟、氯等離子的腐蝕性介質中耐蝕性明顯優(yōu)于不銹鋼, 適用于制造含氯、氟或加入阻燃劑的熱塑性塑料的注射模具。
1.5 非調質塑料模具鋼
非調質塑料模具鋼在鍛、軋后即可達到預硬, 不需再進行調質處理, 有利于節(jié)約能源、降低成本、縮短生產周期。為改善其切削加工性, 可加入P、S、Ca 等易切削元素。國內對非調質塑料模具鋼的開發(fā)較晚, 25CrMnVTiSCaRE( FT) 、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS 是近年開發(fā)的新鋼種, 鍛、軋空冷后得到下貝氏體, 直徑!100mm 的FT 鋼硬度可達到30～35HRC。
2 非鐵合金
2.1 銅合金
用作塑料模具材料的銅合金主要是鈹青銅, 如ZCuBe2、ZCuBe2.4 等。一般采用鑄造方法制模, 不僅成本低, 周期短, 而且還可制出形狀復雜的模具。鈹青銅可進行固溶- 時效處理,在固溶處理后, 材料的塑性好, 易于切削加工。經時效處理后,硬度可達40～42HRC。鈹青銅可用于制造吹塑模、注塑模。福建二輕工業(yè)研究所研制的析出硬化型銅基合金, WTi =3.5%～6.0%、WNi < 0.2% , 經固溶處理后冷壓成型, 再時效硬化, 模具型腔質量好。
2.2 鋁合金
鋁合金的密度小, 熔點低, 切削加工性能和導熱性能都優(yōu)于鋼, 其中鑄造鋁硅合金還具有優(yōu)良的鑄造性能。因此, 用鑄造鋁合金來制造塑料模具, 可縮短制模周期, 降低制模成本。常用的鑄造鋁合金有ZL101、ZL201、ZL302 等, 主要用于制造要求高導熱率、形狀復雜、耐蝕的塑料模具。
2.3 鋅合金
用于制造塑料模具的鋅合金大多為Zn- 4Al- 3Cu 共晶型合金, 用鑄造方法可以加工出光潔而復雜的模具型腔, 并可降低制模費用、縮短制模周期。鋅合金的不足之處是高溫強度較差, 且合金易于老化, 因此, 鋅合金塑料模具在長期使用后, 易出現(xiàn)變形甚至開裂, 這類鋅合金適合于制造注塑模和吹塑模。河北省二輕工業(yè)研究所研制的鑄造鋅基合金,WAl=4%、WCu=3%、WMg=0.05%, 制模后可在模具表面直接電鍍硬鉻,制模周期短、成本低。用于制造型腔復雜的吹塑、吸塑模具。
3 鋼結硬質合金
鋼結硬質合金是以鋼為粘結相, 以碳化鈦、碳化鎢等碳化物為硬質相, 用粉末冶金方法生產的復合材料, 其微觀組織是細小的硬質相, 彌散均勻地分布于鋼的基體中。作為粘結相的鋼基體, 可以是碳素鋼、合金鋼等。由于粘結相的鋼種不同, 賦于鋼結硬質合金一系列不同的性能, 如高強度、抗沖擊、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等。我國生產的模具用鋼結硬質合金的典型牌號有GT35、R5、T1、D1、TLMW50、GW50、GJW50 等。
4 低熔點合金
利用低熔點合金澆鑄吹塑模具的型腔, 不僅可以縮短模具的制造周期, 節(jié)約大量鋼材, 而且還節(jié)省勞力。低熔點合金的種類很多, 目前使用較簡單的一種是WBi=58%、WSn=42%的鉍錫合金。
前不久, 由北京高科偉業(yè)科技開發(fā)中心參考國際上先進配方工藝, 結合國內實際情況研制開發(fā)的一種新型模具材料問世, 經國家化學建材測試中心檢測, 各項指標優(yōu)良。據專家介紹, 這種新型模具材料在繼承傳統(tǒng)模具材料的優(yōu)點之外, 也對傳統(tǒng)模具材料的不足做了很大改進。該材料使用極為方便, 操作簡單,無毒環(huán)保, 成本較低。使用該材料制造的模具光滑如鏡, 耐酸堿、耐腐蝕、耐高低溫, 抗老化、防水防壓、不變形、不粘膜。該模具材料用途極廣, 可制造各式有造型的產品模具, 適用于石膏產品、水泥制品、仿瑪瑙制品、仿玉石制品、砂巖制品、樹脂制品、菱鎂制品等各種可固化的產品模具制造。
三、模具加工的發(fā)展
近年來，在國家產業(yè)政策和與之配套的一系列國家經濟政策的支持下和改革及開放方針引導下，我國的塑料模具制造業(yè)有了快速的發(fā)展和進步，無論是設計水平、制造水平、加工能力還是產品檔次都有了很大的提高，每年創(chuàng)造的產值有上百個億，但即使這樣我們與一些發(fā)達國家還是有很大的差距，許多關鍵部件及精度復雜大型的模具仍需進口。為了改變這種現(xiàn)象，模具應不斷提升自身水平，使其朝著短交貨期、標準化、高精度、長壽命及三維化調整加工等未來模具的發(fā)展方向發(fā)展。這必然對模具的加工方法提出要使精密度更高、廢料更少、周期更短，對模具材料的數量、質量、品種和性能等方面提出了更高、更新的要求。
（一）運用新的加工方法，新的加工技術，就是一條出路。
1、調整切削作為一種新型的加工手段，以其加工平穩(wěn)、效率高、精度高、切削硬度高（>＝60HRC）、切削力小、加工質量平穩(wěn)而越來受到重視和推崇，現(xiàn)在許多加工中心定位精度可達5um，轉數達30000轉以上，曲面加工精度可達0.01mm,而且加工表面能獲得近乎鏡面的光潔度，因此在未來的模具加工中調整切削必將點到主導地位。
2、CAM等現(xiàn)代化的加工技術在未來的模具加工中亦會繼續(xù)應用。利用仿真加工軟件，大大縮短產品生產周期、提升產品的質量、減低生產成本。
（二）模具材料的發(fā)展工作
1、 加速模具鋼生產的制品化、精料化和模具鋼經銷的商品化。
我國模具鋼的品種規(guī)格較少, 模具鋼生產的制品化、精料化和經銷的商品化程度低。80%以上的模具鋼仍以黑皮圓棒供貨。越來越多的模具制造廠要求在模具設計完成后, 模具鋼供應廠商能迅速提供所需鋼材, 減少庫存鋼材數量, 縮短制模周期。但中國鋼材生產企業(yè)目前尚不適應這一商品市場機制, 這是進口模具鋼材在中國日益擴大的重要原因。
2、 大力推廣應用性能優(yōu)良的新型模具鋼, 不斷完善模具鋼鋼種系列。
我國已開發(fā)出性能優(yōu)異, 達到或超過國外同類水平的特色新型模具鋼, 但這些新鋼的推廣數量和應用范圍不夠大, 有選擇地開發(fā)先進模具鋼, 例如開發(fā)粉末冶金模具鋼, 多元易切削系塑料模具鋼, 建立玻璃、陶瓷, 耐火磚和地磚等成形模具用鋼, 完善中國的模具鋼系列。
3、 進一步提高模具鋼的質量。
我國某些特殊鋼廠已采用爐外精煉、真空冶煉、快鍛機和精鍛機等生產模具鋼, 模具鋼的質量有大幅度提高, 如D2、P20等, 出口產品的質量可以達到國際先進水平。但國外對純度要求較高的模具鋼大部分采用電渣重熔, 進一步提高了鋼的純凈度、致密度、等向性和均勻性, 減少偏析。我國還需要在這方面進一步開展工作
4、 加強先進模具熱處理技術的推廣與應用。
模具的可控氣氛熱處理與真空熱處理應進一步得到發(fā)展, 一些行之有效的模具表面熱處理技術, 應完善其工藝, 加強其推廣和應用。提高裝備和工藝材料的制造水平, 加強熱處理專業(yè)廠的建設。
四、結語
隨著中國經濟在國際份額中的不斷增大，中國將成為世界裝備制造業(yè)的基地，各行各業(yè)對模具需求將會越來越大，對模具加工的要求也會越來越高，模具行業(yè)為造就市場需要，將會朝著短交貨期、高品質、高精度、低價格的方向發(fā)展，就需要運用更新的加工技術與手段和更新的加工材料，使模具工業(yè)的發(fā)展和進步更快快步向前。
總之，我們要緊記：作為制造業(yè)的重要基礎性工藝設備, 模具技術被認為是衡量一個國家產品制造水平的重要標志之一， 我國雖已成為模具生產大國, 卻遠非模具制造強國,我們的路還很長。
參考文獻
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