模具是现代工业的工艺设备。伴随着科学技术的发展，它在国民经济中的地位日益重要。

模具是工业产品生产用的工艺装备，主要应用于制造业和加工业。它是和冲压、锻造、铸造成形机械．同时和塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料制品成型加工用的成形机械相配套，作为成形工具来使用的。

模具属于精密机械产品，因为它主要由机械零件和机构组成，如成形工作零件(凸模、凹模)，导向零件(导柱、导套等)，支承零件(模座等)，定位零件等；送料机构，抽芯机构，推(顶)料(件)机构，检测与安全机构等。

为提高模具的质量、性能、精度和生产效率，缩短制造周期，其零、部件(又称模具组合)，多由标准零、部件组成。所以．模具应属于标准化程度较高的产品。一副中小型冲模或塑料注射模，其构成的标准零、部件可达90％，其工时节约率可达25％—45％。

模具的功能和作用

现代产品生产中，模具由于其加工效率高，互换性好，节约原材料，所以得到很广泛的应用。

现代工业产品的零件，广泛采用冲压、成形锻造、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其它成形加工方法，和成型模具相配套，经单工序或多道成形工序，使材料或坯料成形加工成符合产品要求的零件，或成为精加工前的半成品件。如汽车覆盖件，须采用多副模具，进行冲孔、拉深、翻边、弯曲、切边、修边、整形等多道工序，成形加工为合格零件；电视机外壳、洗衣机内桶是采用塑料注射方法，经一次注射成型为合格零件的；发动机的曲轴、连杆是采用锻造成形模具，经滚锻和模锻成形加工为精密机械加工前的半成品坯件的。

高精度、高效率、长寿命的冲模、塑料注射成型模具，可成形加工几十万件，甚至几千万件产品零件，如一副硬质合金模具，可冲压硅钢片零件(E型片、电机定转子片)上亿件，称这类模具为大批量生产用模具。

适用于多品种、少批量，或产品试制的模具有：组合冲模，快换冲模，叠层冲模或成型模具，低熔点合金成型模具等，在现代加工业中，具有重要的经济价值，称这类模具为通用、经济模具。

电子、计算机、现代通信器材与设备、电器、仪器与仪表等工业产品的元器件或零、部件越来越趋于微型化、精密化，其零件结构设计中的槽、缝、孔尺寸要求在0.3mm以下，批量生产用模具要求很高。如高压开关中的多触点零件，宽度仅为10mm，却需冲孔、冲槽、弯曲、三层叠压等工序，模具需设计为70工位的精密级进冲模。又如BP机中零件尺寸极其微小．对模具的要求更高。这类微型冲件和塑件用的模具，已成为高技术模具或专利型模具。

大型模具，重量在10t以上的已很常见，有些模具重量已达30t如大型汽车覆盖件冲模，大型曲轴锻模，大尺寸电视伽L壳用塑料注射模等重量都在10t以上。

随着现代化工业和科学技术的发展，模具的应用越来越广泛，其适应性也越来越强。已成为工业国家制造工艺水平的标志和独立的基础工业体系。

另外，采用模具进行成形加工，是少、无切屑的主要工装，在大批、大量加工中，可使材料利用率达90％或以上。

模具分类及用途

模具的用途广泛，模具的种类繁多，科学地进行模具分类，对有计划地发展模具工业，系统地研究、开发模具生产技术，促进模具设计、制造技术的现代化，充分发挥模具的功能和作用；对研究、制订模具技术标准，提高模具标准化水平和专业化协作生产水平，提高模具生产效率，缩短模具的制造周期，都具有十分重要的意义。

一、模具分类

总体上说模具可分为三大类：金属板材成型模具，如冲模等；金属体积成型模具，如锻(镦、挤压)模，压铸模等；非金屑材料制品用成型模具，如塑料注射模和压缩模，橡胶制品、玻璃制品、陶瓷制品用成型模具等。

模具的具体分类方法很多，常用的有：按模具结构形式可分为冲模中的单工序模，复合模．级进模等。塑料成型模具中的压缩模，注射模，挤出模等，按模具使用对象可分为电工模具，汽车模具，电视机模具等。按模具材料可分为硬质合金模具和钢模等。按工艺性质可分为冲孔模，落料模，拉深模，弯曲模，塑科成型模具中的吸塑模，吹塑模等。这些分类方法具有直观、方便等优点，但不尽合理，易将模具类别与品种混用，使种类繁多无序。因此，采用综合归纳法，将模具分为十大类，各大类摸具又可根据其使用对象、材料、功能和模具制造方法，以及工艺性质等，再分成若干小类和品种较为合理，详见表1-1-1。

二、模具的应用

由表1—1—1可见，每一类、每一种模具都有其特定的用途和使用方法及与其相配套的成形加工机床和设备。

模具的功能和应用与模具类别、品种有着密切的关系。因为，模具和产品零件的形状、尺寸大小、精度、材料、材料形式、表面状态、质量和生产批量等，都需相符合．要满足零件要求的技术条件，即每一个产品零件相对应的生产用模具．只能是一副或一套特定的模具。为适应模具不同的功能和用途，都需进行创造性设计，造成模具结构形式多变，从而产生了模具类别和品种繁多，并具有单件生产的特征。

尽管如此，由于模具生产技术的现代化，在现代工业生产中，模具已广泛用于电动机与电器产品，电子与计算机产品，仪表、家用电器产品与办公设备，汽车，军械，通用机械等产品的生产中。其主要原因是由于模具有一系列特点；

1．模具的适应性强

针对产品零件的生产规模和生产形式，可采用不同结构和档次的模具与之相适应。如为适应产品零件的大批量生产，可采用高效率、高精度和高寿命的、自动化程度高的模具；为适应产品试制或多品种、小批量的产品零件生产，可采用通用模具，如组合冲模，快换模具(可用于柔性生产线)，以及各种经济模具。

根据不同产品零件的结构、性质、精度和批量，以及零件材料和材料性质、供货形式，可采用不同类别和种类的模具与之相适应。如锻件则需采用锻模，冲件则需采用冲模，塑件则需采用塑料成型模具，薄壳塑件则需采用吸塑或吹塑模具等。

2．制件的互换性好

即在模具一定使用寿命范围内，合格制件(冲件、塑件、锻件等)的相似性好，可完全互换。

常用模具寿命参见表1—1—2。

3．生产效率高、低耗

采用模具成形加工，产品零件的生产效率高。高速冲压可达1800次/min，由于模具寿命和产品产量等因素限制，常用冲模也在200-600次范围内。塑件注射循环时间可缩短在I-2min内成形，若采用热流道模具，进行连续注射成形,生产效率则更高，可满足塑件大批量生产的要求。采用高效滚锻工艺和滚锻模，进行连杆锻件连续滚锻成形。采用塑料异型材挤出模，进行建筑用门窗异型材挤出成形，其挤出成型速度可达4m/min。可见，采用模具进行成形加工与机械加工相比，不仅生产效率高，而且生产消耗低，可大幅度节约原材料和人力资源，是进行产品生产的一种优质、高效、低耗的生产技术。

4．社会效益高

模具是高技术含量的社会产品，其价值和价格主要取决于模具材料、加工、外购件的劳动与消耗三项直接发生的费用和模具设计与试模(验)等技术费用。后者，是模具价值和市场价格的主要组成部分，其中一部分技术价值计入了市场价格，而更大一部分价值，则是模具用户和产品用户受惠变为社会效益。如电视机用模具，其模具费用仅为电视机产品价格的1/3000—1/5000，尽管模具的一次投资较大，但在大批量生产的每台电视机的成本中仅占极小部分，甚至可以忽略不计，而实际上，很高的模具价值为社会所拥有，变成了社会财富。模具是现代工业生产中广泛应用的优质、高效、低耗、适应性很强的生产技术，或称成型工具、成型工装产品。模具是技术含量高、附加值高、使用广泛的新技术产品，是价值很高的社会财富。

模具设计的基本条件

制件的材料、规格、性能和成形机床，设备的种类、性能和规格是模具设计的两个基本条件。

1．制件与制件材料

模具成形加工的对象是产品零件或工业产品。制件材料对成形加工工艺和模具的设计影响很大，是模具设计主要条件之一。

制件材料有金屑材料和非金属料两大类。金屑材料和非金属材料用于成形加工的材料形式一般有板材实体块状和棒状材科。非金属材料也可分为适用于板材成形和体积成形加工的两类材料，见下列分类图：

模具的作用对象，实际上是运用各种模具的组合形式，利用材料的变形性能及加工性能，对各种不同厚度和性能的材料，在一定成形工艺条件下，进行成形加工，使材料进行分离或变形，成为符合产品要求的产品、零件或坯件。因此，金属制件材料的力学性能如抗剪、抗弯强度，伸长率，弹性模量，加工性能，热处理性能等；非金属制件材料，如塑料的粘度与流动性能，收缩串与成型温度，腐蚀性和材料形式等，都是模具构件和组合的设计、计算的依据和条件。

2．成形加工机床与模具设计

高速、自动冲压机床与冲床(包括通用精冲机、机械压力机、摩擦压力机、液压机等)，塑料注射机，压注机，挤出机，薄膜拉制机械，吸塑机械，滚塑机等；锻造机械，压铸机，橡胶成形机械，玻璃、陶瓷制品压制机械等。都是与模具配套使用的机床与设备。这些成形机械，由于电子工业和计算机工业的技术进步，其控制系统已装备数控(NC)和计算机数控(CNC)装置，其压力、温度、行程、安全和计数检测实现了程控和计算机控制，使成形工艺过程、成形加工条件实现了优化和可控。同时，机床的运行精度也提高了。

可见，成形加工机床与设备是模具使用的必备条件，其压力(含冲击力、锁模力、落锤重等)，行程与闭合高度(或厚度)，可控温度范围，生产效率与成形时间安装模具的形式方法、尺寸范围等，都是进行模具构件和组合设计、计算的依据和条件。

制件材料和成形加工机床与设备不仅是模具设计的两个基本条件，也是模具设计与构造的两个要素。研究、掌握这两个要素，将促进模具的优化设计，更加符合成形工艺条件，获得优质制件。同时，还将促进模具与成形加工设备的技术进步。

模具设计与制造的基本要求

模具的精度

模具的精度要求

模具是生产制件的专用工具，模具的精度将直接影响制件的质量。对于模具精度的基本要求就是要使模具在足够的寿命期内，能够稳定地生产出质量合格的制件。

模具的精度主要是指模具成形零件的工作尺寸及精度和成形表面的表面质量。成形零件的原始工作尺寸(设计和制造尺寸)一般以制件设计尺寸为基准，考虑制件在成形后的尺寸收缩和模具成形表面应有足够的磨损量等因素后，按经验公式计算确定。对于一般模具的工作尺寸，其制造公差应小于制件尺寸公差的I/3-1/4。冲裁模除了应满足上述要求外，还需考虑工作尺寸的制造公差对凸、凹模初始间隙的影响，即应保证凸、凹模工作尺寸的制造公差之和小于凸、凹模最大初始间隙与最小初始间隙之差。模具成形表面的表面质量应根据制件的表面质量要求和模具的性能要求确定，对于一般模具要求其成形表面的表面粗糙度值Ra≤0.4μm。

模具上、下模或动、定模之间的导向精度，坯料在冲模中的定位精度等对制件质量也有较大的影响，它们也是衡量模具精度的重要指标。此外，为了保证模具的精度，还应注意零件相关表面的平面度、直线度、圆柱度等形状精度和平行度、垂直度、同轴度等位置误差，以及模具装配后零件与零件相关表面之间的平行度、垂直度、同轴度等位置误差。

影响模具精度的因素

1．模具的原始精度

模具的原始精度即模具的设计和制造精度，它是保证模具具有较高精度的基础。模具只有具备足够的原始精度，才能充分发挥模具的效能，保证模具具有足够的使用寿命，在较长时期内稳定地生产出质量合格的制件。

2．模具的类型和结构

模具的类型和结构对模具的精度有一定的影响。例如，带有导向装置的模具，其精度要高于无导向装置的开式模具。

3．模具的磨损

模具在使用过程中，成形零件的工作表面在制件成形和起模时因与制件材料的摩擦而产生磨损，这种磨损直接导致成形零件的工作尺寸和制件尺寸发生变化。磨损量达到一定程度时，将使制件的尺寸超出公差范围，或使制件产生其他质量问题，标志模具失去了应有的精度。模具的定位零件、导向零件和其他有相对运动的零件也都会产生磨损，这些零件的磨损或者降低制件的质量，或者恶化模具的工作状态，直接或间接地影响模具的精度。

4．模具的变形

模具受力零件在刚度、强度不足时，会发生弹性变形或塑性变形，降低模具的精度。例如：塑料模、压铸模中的型腔在熔融塑料或合金液的压力作用下的变形，细小型芯在熔融塑料或合金液冲击作用下的变形。

5．模具的使用条件

模具的使用条件，诸如成形设备的刚度和精度，原材料的性能变化，模具的安装和调整是否得当等，都会影响到模具的精度。

模具的精度检查

利用模具生产制品的特点之一是生产效率高、生产批量大，如果将精度不足的模具投入生产，就有可能产生大量的废品。为了将这种损失防患于未然，就有必要对模具的精度进行经常而仔细的检查。

1．模具制造过程的精度检查

为了保证模具具有良好的原始精度，在模具制造过程中就应注意模具的精度检查。首先应严格检查和控制模具零件的加工精度及模具的装配精度，其次应通过试模验收工作综合检查模具的精度状况。只有在试模验收合格后，模具才能交付用户投入使用。

2．新模具入库前的精度检查

新模具在办理入库手续前必须进行精度检查。首先应通过外观检查和测量模具成形零件的工作尺寸、表面质量及其他有关指标是否达到设计要求，然后还应通过试模检验来检查制件的质量是否合乎要求。在判断模具精度是否合格时，要注意模具使用后的磨损对制件尺寸的影响，尤其是对于尺寸精度要求较严的制件，应考虑避免出现试制件的尺寸在规定的公差范围之内，但在模具使用后不久制件的尺寸就超出公差范围的情况。一般对于模具磨损后减小的制件尺寸，试制件的尺寸应接近于制件的最大极限尺寸；对于模具磨损后增大的制件尺寸，试制件的尺寸应接近于制件的最小极限尺寸。由于冲裁模的凸、凹模间隙可直接影响制件的毛刺高度，所以还需通过测量试制件的毛刺高度来判断凸、凹模间隙是否合适。此外，有时还应考虑修整模具或修磨刃口对模具和制件尺寸的影响。

如果直接使用用户的生产设备进行模具的试模验收工作，新模具入库前的精度检查可以与试模验收工作同时进行。否则，就要注意试模验收所用的设备和用户生产设备之间的差别，有时即使试模验收时的试制件是合格的，但在使用用户的设备进行生产时，由于设备之间存在差别，也有可能生产出不合格品。此时，在新模具入库前有必要在用户的设备上对模具的精度作重新检查。

新模具精度检查的结果应记载入有关档案卡片，模具入库时应附带几个合格试制件一同入库。

3．模具使用过程中的精度检查

模具使用时的精度检查包括首件检查、中间检查和末件检查。

有时制件质量不合格的原因可能不在于模具，而是模具安装、调整不当造成的。模具安装、调整不当还是加剧模具磨损和造成模具安全事故的重要原因。因此，在开始生产作业时，应试制、检查几个初期制件，并将检查结果与模具人库前的精度检查结果或上次使用时的末件检查结果相比较，以确认模具安装、调整是否得当。制件的成批生产必须在首件检查合格后才能开始。

在生产作业过程中，间隔一定时间或生产一定数量的制件后，应对制件进行抽样检查，即进行中间检查。中间检查的目的是了解模具在使用对的磨损速度，评估磨损速度对模具精度和制件质量的影响情况，以预防不合格品的成批出现。

生产作业终了时，应对最终制造的制件进行检查，同时结合对模具的外观检查，来判断模具的磨损程度和模具有无修理或重磨的必要。此外，通过对首件检查和末件检查的结果进行比较，能够测算模具的磨损速度，以便合理安排下一次作业的制件生产批量，避免模具在下次使用时因中途需要重磨或修理而中断作业所造成的损失。

4．模具修理后的精度检查

模具在修理时，更换零件和对模具进行拆卸、装配、调整等工作，都有可能使模具的精度发生变化，因此在模具修理结束后必须进行精度检查。检查的方法、要求与新模具入库前的精度检查相同。

模具的寿命

模具的寿命概念

模具的寿命是指模具能够生产合格制品的耐用程度，一般以模具所完成的工作循环次数或所生产的制件数量来表示。

模具在使用过程中，其零件将由于磨损或损坏而失效。如果磨损或损坏严重，导致模具无法修复时，模具就应报废。如果模具的零件都具有互换性，零件失效后能够得到更换，那么模具的寿命在理论上将是无限的。但是，模具在长时间使用后，零件趋于老化，故障概率大大增加，修理费用随之增加，同时模具经常需要修理会直接影响制件的生产。因此，当修理模具在经济上并不合理时，也应考虑将其报废。

模具在报废前所完成的工作循环次数或所生产的制件数量称为模具的总寿命。除此以外，还应考虑模具在两次修理之间的寿命，如冲裁模的刃磨寿命。

在设计和制造模具时，作为用户都会提出关于模具寿命的要求，这种要求称为模具的期望寿命。确定模具的期望寿命应综合考虑两方面的因素：一是技术上的可能性；二是经济上的合理性。一般而言，当制件生产批量较小时，模具寿命只需满足制件生产量的要求就足够了．此时在保证模具寿命的前提下应尽量降低模具的成本；当制件为大批大量生产时，即使需要很高的模具成本，也应尽可能地提高模具的使用寿命和使用效率。

模具的失效形式

模具失效的基本形式有五种，即磨损失效、疲劳失效、热疲劳失效、塑性变形失效和断裂失效。

1．磨损

模具在使用时的磨损是不可避免的，使用时间越长，则磨损量也越大，磨损就越严重。磨损的形式有磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。判断模具是否因磨损而失效的主要标谁是制件的尺寸精度，当制件的尺寸超出允许的公差范围时即宣告模具失效。如果模具的磨损导致制件的表面质量严重下降，那么制件的表面质量要求也是判断模具是否失效的依据。冲裁模的凸、凹模刃口由于磨损而逐渐钝化，严重时将显著地劣化模具的工作条件和制件的质量。制件的毛刺高度随着凸、凹模刃口的钝化而逐渐增高，因而可以作为判断凸、凹模刃口钝化程度的标志，当毛刺高空超过规定值时，表明刃口钟化严重，需要重新刃磨刀口后模具才能继续使用。

2．疲劳

模具一般都以间歇工作的方式进行工作，频繁的反复加载和卸载使模具受力零件处于交变应力作用下。模具使用一段时间后，由于交变应力的作用，在零件表面或内部存在微观缺陷及应力集中的部位将会萌生许多微裂纹。模具继续使用时，这些微裂纹将逐渐扩展，当微裂纹扩展到一定程度时，模具零件的承载能力被严重削弱，最终导致模具开裂或破损。

3．热疲劳

热加工模具一般都在急冷急热条件下工作，当模具零件急剧受热时，温度较高的表层材料的受热膨胀受到温度较低的内层材料的约束，使表层材料产生压应力；当模具零件急剧冷却时，温度较低的表层材料的冷却收缩又受到温度较高的内层材料的约束，使表层材料产生拉应力。在工作一段时间后，这种循环热应力将使模具零件表层材料出现许多细小的裂纹，导致模具失效。热疲劳裂纹的形状有网状、放射状、平行状等。

4．塑性变形

当模具零件承受的载荷使零件内部的应力超过其自身材料的屈服强度时，零件就会产生塑性变形。常见的塑性变形失效有工作零件出现表面皱纹、局部塌陷和棱角倒塌凸模、型芯出现镦粗、纵向弯曲，型腔、型孔出现胀大等。

5．断裂

模具在正常工作时，因为某种原因而突然出现较大的裂纹，甚至分裂成几个部分，使模具立即丧失工作能力的失效形式称为断裂失效。常见的断裂失效有开裂、破裂、崩刃、折断等。模具失效的五种基本形式中，热疲劳失效一般只出现于冷热温差较大的热加工模具，其他的四种形式在各类模具上都有可能出现。不同的失效形式之间常常有密切的联系和交互促进作用。磨损产生的沟痕往往成为萌生疲劳裂纹和热疲劳裂纹的发源地，同时深而尖锐的沟痕本身就可成为一次性断裂的起裂点。零件表面出现疲劳裂纹和热疲劳裂纹后，表面质量严重恶化，将使磨损加剧，裂纹的尖端出现应力集中，将成为断裂源，促进一次性断裂的产生。磨损虽然会导致模具失效，但在正常的工作条件下，模具在失效前都能在较长的时间内稳定有效地工作。大部分模具的有效寿命决定于磨损失效，对于这些模具，磨损失效是它们的正常失效形式，其有效磨损寿命是确定模具期望寿命的依据。部分重载模具如冷挤压模的有效寿命主要决定于疲劳失效，部分冷、热温差很大的模具如压铸模的有效寿命主要决定于热疲劳失效。在疲劳和热疲劳失效前，模具一般也有较长的使用寿命，但习惯上仍将它们看作是模具的早期失效。如果模具质量存在问题，或者使用不当，塑性变形和断裂失效在模具使用的各个时期都有可能产生，而且一旦发生的话，其后果很可能是致命的，它们是造成模具早期失效的主要形式。

保证和提高模具的寿命，一方面要通过各种途径保证和提高模具的耐磨性，使模具具有足够的有效磨损寿命，另一方面要采取各种措施，预防早期失效的出现，保证模具在有效寿命期内能够安全稳定地运行。

保证和提高模具有效寿命的途径

模具磨损的根本原因是模具零件与制件(或坯料)之间或模具零件与零件之间的相互摩擦作用。能够降低这种摩擦作用，或者能够提高模具零件的耐磨性的途径，都是降低模具的磨损速度、提高模具有效磨损寿命的有效途径。

1．合理选择模具材料

材料的耐磨性是决定模具零件磨损速度的主要因素之一，材料的耐磨性主要决定于材料的种类和热处理状态。常用模具材料中，以冷作模具用钢为例，硬质合金的耐磨性最高，其次是高碳高铬工具钢，再次是低合金工具钢，碳素工具钢的耐磨性最低。一般情况下，需要耐磨的模具零件都应通过淬火或其他热处理方法提高材料的硬度，材料越硬，耐磨性就越好。

2．提高模具零件表面质量

首先，要提高零件表面的精加工质量。零件加工越精细，表面粗糙度值越小，则磨损速度就越慢，使用寿命就越高。其次，要尽力避免零件表层材料在加工过程发生软化现象，防止材料耐磨性的降低。例如，在磨削加工时，如果工艺条件选择不当，就会会产生磨削烧伤，使表层材料的硬度降低，大大降低零件的耐磨性。

3．润滑处理

模具的导柱、导套及其他有相对运动的部位应经常加注润滑油。冲压加工时一般应在凸、凹模工作表面或毛坯表面涂覆润滑油或润滑剂。变形抗力大的冲压加工，如冷挤压、厚料拉深、变薄拉深等，应对坯料进行表面润滑处理，例如：对碳钢坯料进行磷化皂化处理；对不锈钢坯料进行草酸盐处理。锻模、塑料模和压铸模等模具在成形前都应将润滑剂或起模剂喷涂于成形零件表面。

4．防止粘模

如果制件材料与模具材料之间有较强的亲和力，两者之间会产生很强的粘附作用，甚至相互间在高压作用下产生冷焊，这就是所谓的粘模现象。粘模现象严重时，将在起模时导致制件和模具零件表面的材料撕裂脱落，一方面影响制件的表面质量，另一方面将使模具零件产生剧烈的粘着磨损，同时脱落的材料颗粒还会加剧模具零件的磨损。因此，无论是对于制件质量，还是对于模具寿命，粘模现象都是极为有害的，都应采取措施加以预防。预防粘模的方法有：采用与制件材料亲和力较小的模具材料；采用可靠的润滑措施，防止润滑膜在高压下被挤破；采用渗氮、碳氮共渗等表面处理方法，改变模具零件表层材料的组织结构。

5．合理选择模具结构参数和成形工艺条件

在保证制件质量的前提下，对于冲裁模适当加大凸、凹横间隙，对于弯曲模、拉深模适当加大凸、凹模间隙和凹模口部圆角半径，对于冷挤压模适当减小凹模入口角和凸、凹模工作带高度．以及增加制件的起模斜度，都能提高模具磨损寿命。对于塑料模、压铸模等模具，适当减小成形压力、温度和速度，提高模具温度，既能减小溶融塑料或合金液在充模时对模具成形表面的冲击磨损，又能减小制件对模具的胀模力，从而减小模具在制件起模时的磨损。

6．表面强化

表面强化的目的是提高模具零件表面的耐磨性。常用的表面强化方法有表面电火花强化、硬质合金堆焊、渗氮、碳氮共渗、渗硫处理、表面镀铬等。表面电火花强化、硬质合金堆焊常用于冲裁模。渗氮(硬氮化)主要用于3Cr2W8V、5CrMnMo等热加工模具钢零件的表面强化，此方法除能提高零件的耐磨性外，还能提高零件的耐疲劳性、耐热疲劳性和耐磨蚀性，主要用于压铸模、塑料模等模具。碳氮共渗(气体软氮化)不受钢种的限制，能应用于各类模具。渗硫处理能减小摩擦系数，提高材料的耐磨性，一般只用于拉深模、弯曲模。表面镀铬主要用于塑料模及拉深模、弯曲模。除了上述常用方法外、模具的表面强化还有渗硼处理、渗金属处理、TD法处理、化学气相沉积处理、碳氮硼多元共渗等许多方法。

针对模具的设计、制造和使用的安全措施

针对模具的设计安全措施

1．结构设计

(1)保证零件的强度和刚度  

足够的强度和刚度是保证模具的承载能力，防止早期失效的基本要求。在设计模具零件结构时，应根据零件所受载荷的性质和大小．合理确定零件的结构和尺寸，保证零件有足够的强度和刚度。但是，由于受到制件形状、尺寸和设备结构参数等条件的限制，通过增大尺寸的方法来提高零件强度和刚度就有一定的局限性。因此，还需在结构上采取其他各种措施，来提高零件的强度和刚度。

(2)避免应力集中  

模具受力零件的结构设计应尽量避免出现容易产生应力集中的部位，以防止零件因应力集中而产生断裂和疲劳、热疲劳失效。

在模具结构允许时，零件各表面的转角应尽可可能设计成圆角，避免出现清角尤其是尖锐的清角。凸模、型芯、顶杆等零件的工作端和固定端具有不同的尺寸时，应避免采用图1—3—1的突变式结构，否则极易在尺寸突变处产生严重的应力集中，导致零件早期断裂，或降低零件的疲劳寿命。良好的结构如图1—3—2所示，其中：图1—3—2a为圆弧过渡式结构，常用于尺寸相差较小时；图1—3—2b为渐变过渡式结构，常用于尺寸相差较大时；1—3—2c为组合式结构，常用于尺寸相差很大时，或者不宜采用图1—3—2a、b两种结构的场合。

对于凹模或型腔及部分凸模或型芯，采用组合或镶拼式结构是消除应力集中的有效途径。组合和镶拼式结构的实例如图1—3—3a、b所示。有时凹模或型腔上存在有局部易于损坏的部位，也应采用镶拼式结构(图I—3—3c)，该结构可避免零件局部损坏，也便于模具修理。

(3)细长凸模或型芯的保护  

在结构上采取适当的保护措施，是避免细长凸模或型芯因刚度、强度不足而产生变形、断裂失效的有效途径。细长凸模的保护方法较多，例如：使用凸模护套，如图1—3—4a、b、c所示；排样时注意避免小凸模承受偏载；用导向卸料板对凸模导向；提高模具导向精度，避免设备导向误差对小凸模的影响；适当增加凸、凹模间隙以降低冲压力，等等。细长型芯一般通过合理选择浇口位置，防止熔融塑料或合金液直接冲击型芯的方法进行保护，有时也可采用1-3-4d的方法加以保护。

(4)镶套和预应力组合凹模  

某些模具为了获得很高的抗压强度和耐磨性，凹模常采用高速钢、硬质合金等材料。然而，由于这些材料的韧性较差，凹模在冲击载荷的作用下，经常发生断裂失效。此时，采用图1—3—5的镶套结构，即在用韧性较好的材料制作的套圈内镶人上述材料制作的工作部分，就可兼顾模具对材料强度、耐磨性、韧性的要求，防止凹模断裂失效。

对于承受载荷极大的冷挤压模，采用图1—3—6a、b的整体式、组合式凹模都难以避免凹模产生纵向破裂。此时，应将凹模设计成预应力组合凹棋，如图1—3—6c、d所示。

(5)防止制件或废料堵塞、回升  

在冲裁成形时，制件或废料由于各种原因可能堵塞在凹模型孔内，或者随凸模向上回升。当制件或废料堵塞在凹模型孔内时，容易使凹模胀裂及凸模受力过大而折断；随凸模回升时，会影响模具的正常工作，甚至损坏模具。凹模刃口采用斜刃壁式结构是防止制件或废料堵塞的有效措施，但是这种结构在凹模修磨后会引起成形尺寸的变化，在制件尺寸精度要求较高时不宜采用。凹模刃口采用直刃壁式结构时，为了防止制件或废料堵塞，应适当减小凹模刃口长度。此外，适当增大凸、凹模间隙也能防止制件或废料堵塞。防止制件或废料回升可采用图1—3—7的方法，其中：图1—3—7a、b是利用装在凸模中的弹顶销防止制件或废料回升的，常用于凸模尺寸较大的场合；图1—3—7c是利用压缩空气防止制件或废料回升的，常用于凸模尺寸较小的场合。

(6)模具安全检测装置  

当因某种意外原因危及模具的安全时，如果在模具上设计、安装有安全检测装置，能够及时地指令设备停止工作并且发出警报，就能使模具免遭损坏。常用的模具安全检测装置有光电式安全检测装置和接触式安全检测装置。图1—3—8是用于检测制作是否起模的光电式安全检测装置的工作原理。其中：图(1—3—8a为透射型，发射器能发出的可见或红外光线被接收器接收。模具在工作时，每完成一个工作循环，制件起模后必须穿过发射器和接受器之间使光线被遮断一次，设备才能开始下一个工作循环；否则，设备将停止工作，并发出报警。图1—3—8b为反射型，制件起模后，必须经过检测装置附近，使发射器发出的光线经制件反射后被接收器接收到，设备才能开始下一个工作循环。

图1—3—9是在多工位级进模上检测送料是否准确的接触式安全检测装置。如果送料不到位，或因凸模折断没有冲出导正孔，在上模下行时，导正销将受到条料(或带料)的阻碍而相对上模向上运动，然后通过触销使微动开关动作，指令压力机停止工作并且发出警报。

2．材料选择

除了耐磨性外，材料还有下列使用性能指标：

(1)塑性交形抗力指标，包括抗拉屈服极限、抗压屈服极限、抗弯屈服极限。

(2)断裂抗力指标，包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度。

(3)韧性指标，通常用冲击韧度Aku作为评价材料韧性的指标。

(4)疲劳抗力指标，即材料的耐疲劳性。

(5)热疲劳抗力指标，即材料的耐热疲劳性。

不同类型的材料具有各自的性能特点，在模具设计时，应全面了解模具的工作条件和主要失效形式，针对特定模具对材料性能的要求，选择合适的材料。

冲薄板的冲模所受的载荷较小，选择材料时应以耐磨性为主．兼顾韧性、抗疲劳性等其他性能。冲厚板的冲模在工作时承受较大的冲击载荷，应选择既有足够的耐磨性同时又有良好韧性的材料，如基体钢(LD；65Nb；CG2；LMl；LM2)、低合金高强度钢(GD)、降碳高速钢(6W6Mo5Cr4V)、火焰淬火钢(7CrSiMnMov)、马氏体时致钢(18Ni)等。冷挤压模在有重载条件下工作时，要求材料同时具备足够的耐磨性和良好的抗压强度和韧性。高速钢(W18Cr4V；W6Mo5CrV2)的抗压强度和耐磨性在冷作模具钢中是最高的，因而常用于制作冷挤压模。但是，高速钢的韧性较差，易发生脆性断裂失效，其中尤其以W18Cr4V更为严重。与高速钢相比，降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等材料的耐磨性稍差，然而它们具有良好的韧性，用这些材料代替高速钢，能显著提高冷挤压模的承载能力和使用寿命。

锌合金压铸模的型腔表层温度较低，可以选用5CrNiMo、5CrMnMo等高强度而耐热疲劳性较低的材料，在模具寿命要求较低时甚至可以选用40Cr、30CrMnSi等合金结构钢。如选用3Cr2W8V、4CrMoSiV等材料，能延长模具的使用寿命。铝合金、镁合金压铸模的型腔表层温度较高，要求材料既有良好的热稳定性，又有较高的耐热疲劳性。符合上述要求的铝合金、镁合金压铸模常用材料有3Cr2W8V、4Cr5MoSiv、4Cr5MoSiVl，其中3Cr2W8V的热稳定性最好，但其耐热疲劳性最差。因此，对于铝合金、镁合金压铸模，选用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl时的模具使用寿命远高于选用3Cr2W8V时的使用寿命。铜合金压铸模的型腔表层温度很高，工作条件极为苛刻，要求材料具有很好的综合性能，即同时具有很高的热稳定性、韧性、导热性、耐疲劳性、耐热疲劳性等。目前国内使用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl等材料制作铜合金压铸模．模具寿命较低。国外已采用加钻的钨系高热强模具钢、钨基合金、钼基合金、马氏体时效钢、加钴的铬钼钒钢等材料制作铜合金压铸模，模具寿命较长。

塑料模承受的载荷较轻，型腔表层温度较低，选材的灵活性较大。目前，塑料模常用的材料有：渗碳钢(20、20Cr、12CrNi3A)、调质钢(45、40Cr、30CrMnSi、38CrMoAIA、35CrMo)、碳素工具钢(T7A、T10A)、合金工具钢(9Mn2v、CrWMn、9CrWMn、Cr12、Crt2MoV)、热作模具钢(5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2w8V)等。其中：合金工具钢具有良好的耐磨性；热作模具钢具有良好的韧性、热稳定性和耐热疲劳性；38CrMoA1A、3Cr2W8V调质后经渗氮处理，既有良好的耐磨性、韧性、热稳定性、耐热疲劳性，又有很好的耐腐蚀性。

针对模具的制造安全措施

1．保证毛坯锻造质量

模具的重要零件在机械加工前一般都需对毛坯进行锻造，锻造的目的不仅是提高材料的加工性能，更重要的是改善材料的使用性能，提高模具的承载能力。正确合理的锻造可以达到如下效果：

(1)消除碳化物偏析  

高碳商合金模具钢的原材料中，碳化物的分布极不均匀，常出现带状或网状偏析，如不加以消除，将严重削弱钢的韧性，使零件极易产生脆性断裂。通过锻造，可以便材料中的大块碳化物破碎，并且分布均匀，减轻或消除碳化物偏析。

(2)控制材料流线  

材料中的流线方向和分布状况使材料在各个方向的承载能力存在差异。通过锻造，可以根据模具零件的形状和受力方向，控制材料的流线方向，并使流线合理分布。

(3)提高材料密度  

采用常规工艺生产的热轧钢材，常常存在许多微小的气孔、裂纹等组织缺陷，使材料机械性能下降。通过锻造，可以焊合气孔和微裂纹，提高材料的密度，保证材料的机械性能。但是，如果锻造工艺不合理，不仅达不到目的，反而会出现各种锻造缺陷，恶化材料的使用性能。例如：模具钢的锻造温度范围狭窄，操作中稍有不当，就极易产生锻造裂纹。锻造时坯料冷却速度过快，也容易出现裂纹。毛坯锻造后需经退火处理，目的是消除锻造应力，细化晶料，提高钢材的韧性，同时还能降低硬度以便于切削加工。如果退火不充分，仍保留粗大的晶粒和较大的内应力，模具零件在工作时容易断裂。如果流线的方向和分布不合理，也将降低零件的断裂抗力。

2．保证零件加工质量

模具零件的加工质量必须满足设计要求，除此以外，应着重注意下列问题：

(1)过渡圆弧  零件尺寸过渡处的圆弧半径不得减小。圆弧与直线的衔接应保证平滑过渡，否则容易在衔接处产生疲劳裂纹。

(2)表面加工痕迹  模具成形表面不允许残留任何刀具痕迹和划伤痕迹，因为这些痕迹是诱发疲劳和热疲劳裂纹的重要原因。

(3)加工裂纹  模具零件在加工时，如果工艺条件选择不当，表面层材料出现许多微裂纹，就会直接影响零件的耐疲劳性和耐热疲劳性，严重时甚至会导致零件断裂。例如：磨削时如果磨削用量、冷却介质选择不当，砂轮选择或修磨不当，都容易使零件表面产生烧伤和磨削裂纹；电火花加工、电火花线切割加工时，如果电规准选择不当，零件表层材料就会产生许多显微裂纹。

(4)凹模型孔倒锥  采用下出料方式的冲裁模，如果凹模型孔出现倒锥，容易使制件或废料堵塞在凹模型孔内，导致凹模胀裂或凸模折断。

3．保证零件热处理质量

正确合理的热处理是保证模具零件获得所需技术性能的重要措施，但是，如果热处理规范选择或操作不当，将严重降低零件的承载能力，危害模具的安全。

常见的热处理质量问题有：

(1)淬火过热  对于冲模等承受很大冲击载荷的模具，应避免淬火过热。如果淬火时的加热温度过高，就会使晶粒长大，导致材料冲击韧性下降，疲劳裂纹的萌生时间缩短，扩展速率加快。

(2)淬火温度过低  对于压铸模、塑料模等热加工模具，应适当提高淬火时的加热温度。如果淬火温度过低，则模具零件在高温时的强度和热稳定性较差，容易产生塑性变形和热疲劳开裂。

(3)热处理肥碳或增碳  零件在淬火加热时未加保护，容易造成表面层材料氧化脱碳或增碳。如果氧化脱碳层在后续加工中末被去除，将严重降低零件的耐磨性。表面增碳后，对于冷加工模具容易产生崩刃等断裂失效，对于热加工模具容易产生热疲劳失效。

(4)应力集中和裂纹  模具零件如果在淬火时产生应力集中和裂纹，在使用时将很容易产生断裂破坏。应力集中的部位容易萌生疲劳裂纹，影响零件的疲劳寿命。

(5)回火不充分或回火过度  如果回火时的温度不够或保温时间不足，模具零件中将残留较大的淬火应力，并使材料的韧性下降，工作时容易产生断裂。热加工模具的回火温度一般应高于模具的工作温度，以避免模具零件的表层材料在工作时发生回火转变而产生组织应力，降低其使用寿命。

回火过度将降低模具零件的强度和硬度，使零件在工作时容易产生塑性变形，磨损速度也大大加快。