模具是現(xiàn)代工業(yè)的工藝設(shè)備。伴隨著科學技術(shù)的發(fā)展，它在國民經(jīng)濟中的地位日益重要。

模具是工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)用的工藝裝備，主要應用于制造業(yè)和加工業(yè)。它是和沖壓、鍛造、鑄造成形機械．同時和塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料制品成型加工用的成形機械相配套，作為成形工具來使用的。

模具屬于精密機械產(chǎn)品，因為它主要由機械零件和機構(gòu)組成，如成形工作零件(凸模、凹模)，導向零件(導柱、導套等)，支承零件(模座等)，定位零件等；送料機構(gòu)，抽芯機構(gòu)，推(頂)料(件)機構(gòu)，檢測與安全機構(gòu)等。

為提高模具的質(zhì)量、性能、精度和生產(chǎn)效率，縮短制造周期，其零、部件(又稱模具組合)，多由標準零、部件組成。所以．模具應屬于標準化程度較高的產(chǎn)品。一副中小型沖模或塑料注射模，其構(gòu)成的標準零、部件可達90％，其工時節(jié)約率可達25％—45％。

模具的功能和作用

現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)中，模具由于其加工效率高，互換性好，節(jié)約原材料，所以得到很廣泛的應用。

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的零件，廣泛采用沖壓、成形鍛造、壓鑄成形、擠壓成形、塑料注射或其它成形加工方法，和成型模具相配套，經(jīng)單工序或多道成形工序，使材料或坯料成形加工成符合產(chǎn)品要求的零件，或成為精加工前的半成品件。如汽車覆蓋件，須采用多副模具，進行沖孔、拉深、翻邊、彎曲、切邊、修邊、整形等多道工序，成形加工為合格零件；電視機外殼、洗衣機內(nèi)桶是采用塑料注射方法，經(jīng)一次注射成型為合格零件的；發(fā)動機的曲軸、連桿是采用鍛造成形模具，經(jīng)滾鍛和模鍛成形加工為精密機械加工前的半成品坯件的。

高精度、高效率、長壽命的沖模、塑料注射成型模具，可成形加工幾十萬件，甚至幾千萬件產(chǎn)品零件，如一副硬質(zhì)合金模具，可沖壓硅鋼片零件(E型片、電機定轉(zhuǎn)子片)上億件，稱這類模具為大批量生產(chǎn)用模具。

適用于多品種、少批量，或產(chǎn)品試制的模具有：組合沖模，快換沖模，疊層沖?；虺尚湍＞?，低熔點合金成型模具等，在現(xiàn)代加工業(yè)中，具有重要的經(jīng)濟價值，稱這類模具為通用、經(jīng)濟模具。

電子、計算機、現(xiàn)代通信器材與設(shè)備、電器、儀器與儀表等工業(yè)產(chǎn)品的元器件或零、部件越來越趨于微型化、精密化，其零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中的槽、縫、孔尺寸要求在0.3mm以下，批量生產(chǎn)用模具要求很高。如高壓開關(guān)中的多觸點零件，寬度僅為10mm，卻需沖孔、沖槽、彎曲、三層疊壓等工序，模具需設(shè)計為70工位的精密級進沖模。又如BP機中零件尺寸極其微?。畬δ＞叩囊蟾摺＿@類微型沖件和塑件用的模具，已成為高技術(shù)模具或?qū)＠湍＞摺?/p>

大型模具，重量在10t以上的已很常見，有些模具重量已達30t如大型汽車覆蓋件沖模，大型曲軸鍛模，大尺寸電視伽L殼用塑料注射模等重量都在10t以上。

隨著現(xiàn)代化工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展，模具的應用越來越廣泛，其適應性也越來越強。已成為工業(yè)國家制造工藝水平的標志和獨立的基礎(chǔ)工業(yè)體系。

另外，采用模具進行成形加工，是少、無切屑的主要工裝，在大批、大量加工中，可使材料利用率達90％或以上。

模具分類及用途

模具的用途廣泛，模具的種類繁多，科學地進行模具分類，對有計劃地發(fā)展模具工業(yè)，系統(tǒng)地研究、開發(fā)模具生產(chǎn)技術(shù)，促進模具設(shè)計、制造技術(shù)的現(xiàn)代化，充分發(fā)揮模具的功能和作用；對研究、制訂模具技術(shù)標準，提高模具標準化水平和專業(yè)化協(xié)作生產(chǎn)水平，提高模具生產(chǎn)效率，縮短模具的制造周期，都具有十分重要的意義。

一、模具分類

總體上說模具可分為三大類：金屬板材成型模具，如沖模等；金屬體積成型模具，如鍛(鐓、擠壓)模，壓鑄模等；非金屑材料制品用成型模具，如塑料注射模和壓縮模，橡膠制品、玻璃制品、陶瓷制品用成型模具等。

模具的具體分類方法很多，常用的有：按模具結(jié)構(gòu)形式可分為沖模中的單工序模，復合模．級進模等。塑料成型模具中的壓縮模，注射模，擠出模等，按模具使用對象可分為電工模具，汽車模具，電視機模具等。按模具材料可分為硬質(zhì)合金模具和鋼模等。按工藝性質(zhì)可分為沖孔模，落料模，拉深模，彎曲模，塑科成型模具中的吸塑模，吹塑模等。這些分類方法具有直觀、方便等優(yōu)點，但不盡合理，易將模具類別與品種混用，使種類繁多無序。因此，采用綜合歸納法，將模具分為十大類，各大類摸具又可根據(jù)其使用對象、材料、功能和模具制造方法，以及工藝性質(zhì)等，再分成若干小類和品種較為合理，詳見表1-1-1。

二、模具的應用

由表1—1—1可見，每一類、每一種模具都有其特定的用途和使用方法及與其相配套的成形加工機床和設(shè)備。

模具的功能和應用與模具類別、品種有著密切的關(guān)系。因為，模具和產(chǎn)品零件的形狀、尺寸大小、精度、材料、材料形式、表面狀態(tài)、質(zhì)量和生產(chǎn)批量等，都需相符合．要滿足零件要求的技術(shù)條件，即每一個產(chǎn)品零件相對應的生產(chǎn)用模具．只能是一副或一套特定的模具。為適應模具不同的功能和用途，都需進行創(chuàng)造性設(shè)計，造成模具結(jié)構(gòu)形式多變，從而產(chǎn)生了模具類別和品種繁多，并具有單件生產(chǎn)的特征。

盡管如此，由于模具生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具已廣泛用于電動機與電器產(chǎn)品，電子與計算機產(chǎn)品，儀表、家用電器產(chǎn)品與辦公設(shè)備，汽車，軍械，通用機械等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。其主要原因是由于模具有一系列特點；

1．模具的適應性強

針對產(chǎn)品零件的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)形式，可采用不同結(jié)構(gòu)和檔次的模具與之相適應。如為適應產(chǎn)品零件的大批量生產(chǎn)，可采用高效率、高精度和高壽命的、自動化程度高的模具；為適應產(chǎn)品試制或多品種、小批量的產(chǎn)品零件生產(chǎn)，可采用通用模具，如組合沖模，快換模具(可用于柔性生產(chǎn)線)，以及各種經(jīng)濟模具。

根據(jù)不同產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、精度和批量，以及零件材料和材料性質(zhì)、供貨形式，可采用不同類別和種類的模具與之相適應。如鍛件則需采用鍛模，沖件則需采用沖模，塑件則需采用塑料成型模具，薄殼塑件則需采用吸塑或吹塑模具等。

2．制件的互換性好

即在模具一定使用壽命范圍內(nèi)，合格制件(沖件、塑件、鍛件等)的相似性好，可完全互換。

常用模具壽命參見表1—1—2。

3．生產(chǎn)效率高、低耗

采用模具成形加工，產(chǎn)品零件的生產(chǎn)效率高。高速沖壓可達1800次/min，由于模具壽命和產(chǎn)品產(chǎn)量等因素限制，常用沖模也在200-600次范圍內(nèi)。塑件注射循環(huán)時間可縮短在I-2min內(nèi)成形，若采用熱流道模具，進行連續(xù)注射成形,生產(chǎn)效率則更高，可滿足塑件大批量生產(chǎn)的要求。采用高效滾鍛工藝和滾鍛模，進行連桿鍛件連續(xù)滾鍛成形。采用塑料異型材擠出模，進行建筑用門窗異型材擠出成形，其擠出成型速度可達4m/min?？梢姡捎媚＞哌M行成形加工與機械加工相比，不僅生產(chǎn)效率高，而且生產(chǎn)消耗低，可大幅度節(jié)約原材料和人力資源，是進行產(chǎn)品生產(chǎn)的一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的生產(chǎn)技術(shù)。

4．社會效益高

模具是高技術(shù)含量的社會產(chǎn)品，其價值和價格主要取決于模具材料、加工、外購件的勞動與消耗三項直接發(fā)生的費用和模具設(shè)計與試模(驗)等技術(shù)費用。后者，是模具價值和市場價格的主要組成部分，其中一部分技術(shù)價值計入了市場價格，而更大一部分價值，則是模具用戶和產(chǎn)品用戶受惠變?yōu)樯鐣б?。如電視機用模具，其模具費用僅為電視機產(chǎn)品價格的1/3000—1/5000，盡管模具的一次投資較大，但在大批量生產(chǎn)的每臺電視機的成本中僅占極小部分，甚至可以忽略不計，而實際上，很高的模具價值為社會所擁有，變成了社會財富。模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、適應性很強的生產(chǎn)技術(shù)，或稱成型工具、成型工裝產(chǎn)品。模具是技術(shù)含量高、附加值高、使用廣泛的新技術(shù)產(chǎn)品，是價值很高的社會財富。

模具設(shè)計的基本條件

制件的材料、規(guī)格、性能和成形機床，設(shè)備的種類、性能和規(guī)格是模具設(shè)計的兩個基本條件。

1．制件與制件材料

模具成形加工的對象是產(chǎn)品零件或工業(yè)產(chǎn)品。制件材料對成形加工工藝和模具的設(shè)計影響很大，是模具設(shè)計主要條件之一。

制件材料有金屑材料和非金屬料兩大類。金屑材料和非金屬材料用于成形加工的材料形式一般有板材實體塊狀和棒狀材科。非金屬材料也可分為適用于板材成形和體積成形加工的兩類材料，見下列分類圖：

模具的作用對象，實際上是運用各種模具的組合形式，利用材料的變形性能及加工性能，對各種不同厚度和性能的材料，在一定成形工藝條件下，進行成形加工，使材料進行分離或變形，成為符合產(chǎn)品要求的產(chǎn)品、零件或坯件。因此，金屬制件材料的力學性能如抗剪、抗彎強度，伸長率，彈性模量，加工性能，熱處理性能等；非金屬制件材料，如塑料的粘度與流動性能，收縮串與成型溫度，腐蝕性和材料形式等，都是模具構(gòu)件和組合的設(shè)計、計算的依據(jù)和條件。

2．成形加工機床與模具設(shè)計

高速、自動沖壓機床與沖床(包括通用精沖機、機械壓力機、摩擦壓力機、液壓機等)，塑料注射機，壓注機，擠出機，薄膜拉制機械，吸塑機械，滾塑機等；鍛造機械，壓鑄機，橡膠成形機械，玻璃、陶瓷制品壓制機械等。都是與模具配套使用的機床與設(shè)備。這些成形機械，由于電子工業(yè)和計算機工業(yè)的技術(shù)進步，其控制系統(tǒng)已裝備數(shù)控(NC)和計算機數(shù)控(CNC)裝置，其壓力、溫度、行程、安全和計數(shù)檢測實現(xiàn)了程控和計算機控制，使成形工藝過程、成形加工條件實現(xiàn)了優(yōu)化和可控。同時，機床的運行精度也提高了。

可見，成形加工機床與設(shè)備是模具使用的必備條件，其壓力(含沖擊力、鎖模力、落錘重等)，行程與閉合高度(或厚度)，可控溫度范圍，生產(chǎn)效率與成形時間安裝模具的形式方法、尺寸范圍等，都是進行模具構(gòu)件和組合設(shè)計、計算的依據(jù)和條件。

制件材料和成形加工機床與設(shè)備不僅是模具設(shè)計的兩個基本條件，也是模具設(shè)計與構(gòu)造的兩個要素。研究、掌握這兩個要素，將促進模具的優(yōu)化設(shè)計，更加符合成形工藝條件，獲得優(yōu)質(zhì)制件。同時，還將促進模具與成形加工設(shè)備的技術(shù)進步。

模具設(shè)計與制造的基本要求

模具的精度

模具的精度要求

模具是生產(chǎn)制件的專用工具，模具的精度將直接影響制件的質(zhì)量。對于模具精度的基本要求就是要使模具在足夠的壽命期內(nèi)，能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)出質(zhì)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質(zhì)量。成形零件的原始工作尺寸(設(shè)計和制造尺寸)一般以制件設(shè)計尺寸為基準，考慮制件在成形后的尺寸收縮和模具成形表面應有足夠的磨損量等因素后，按經(jīng)驗公式計算確定。對于一般模具的工作尺寸，其制造公差應小于制件尺寸公差的I/3-1/4。沖裁模除了應滿足上述要求外，還需考慮工作尺寸的制造公差對凸、凹模初始間隙的影響，即應保證凸、凹模工作尺寸的制造公差之和小于凸、凹模最大初始間隙與最小初始間隙之差。模具成形表面的表面質(zhì)量應根據(jù)制件的表面質(zhì)量要求和模具的性能要求確定，對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?；騽印⒍Ｖg的導向精度，坯料在沖模中的定位精度等對制件質(zhì)量也有較大的影響，它們也是衡量模具精度的重要指標。此外，為了保證模具的精度，還應注意零件相關(guān)表面的平面度、直線度、圓柱度等形狀精度和平行度、垂直度、同軸度等位置誤差，以及模具裝配后零件與零件相關(guān)表面之間的平行度、垂直度、同軸度等位置誤差。

影響模具精度的因素

1．模具的原始精度

模具的原始精度即模具的設(shè)計和制造精度，它是保證模具具有較高精度的基礎(chǔ)。模具只有具備足夠的原始精度，才能充分發(fā)揮模具的效能，保證模具具有足夠的使用壽命，在較長時期內(nèi)穩(wěn)定地生產(chǎn)出質(zhì)量合格的制件。

2．模具的類型和結(jié)構(gòu)

模具的類型和結(jié)構(gòu)對模具的精度有一定的影響。例如，帶有導向裝置的模具，其精度要高于無導向裝置的開式模具。

3．模具的磨損

模具在使用過程中，成形零件的工作表面在制件成形和起模時因與制件材料的摩擦而產(chǎn)生磨損，這種磨損直接導致成形零件的工作尺寸和制件尺寸發(fā)生變化。磨損量達到一定程度時，將使制件的尺寸超出公差范圍，或使制件產(chǎn)生其他質(zhì)量問題，標志模具失去了應有的精度。模具的定位零件、導向零件和其他有相對運動的零件也都會產(chǎn)生磨損，這些零件的磨損或者降低制件的質(zhì)量，或者惡化模具的工作狀態(tài)，直接或間接地影響模具的精度。

4．模具的變形

模具受力零件在剛度、強度不足時，會發(fā)生彈性變形或塑性變形，降低模具的精度。例如：塑料模、壓鑄模中的型腔在熔融塑料或合金液的壓力作用下的變形，細小型芯在熔融塑料或合金液沖擊作用下的變形。

5．模具的使用條件

模具的使用條件，諸如成形設(shè)備的剛度和精度，原材料的性能變化，模具的安裝和調(diào)整是否得當?shù)?，都會影響到模具的精度?/p>

模具的精度檢查

利用模具生產(chǎn)制品的特點之一是生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)批量大，如果將精度不足的模具投入生產(chǎn)，就有可能產(chǎn)生大量的廢品。為了將這種損失防患于未然，就有必要對模具的精度進行經(jīng)常而仔細的檢查。

1．模具制造過程的精度檢查

為了保證模具具有良好的原始精度，在模具制造過程中就應注意模具的精度檢查。首先應嚴格檢查和控制模具零件的加工精度及模具的裝配精度，其次應通過試模驗收工作綜合檢查模具的精度狀況。只有在試模驗收合格后，模具才能交付用戶投入使用。

2．新模具入庫前的精度檢查

新模具在辦理入庫手續(xù)前必須進行精度檢查。首先應通過外觀檢查和測量模具成形零件的工作尺寸、表面質(zhì)量及其他有關(guān)指標是否達到設(shè)計要求，然后還應通過試模檢驗來檢查制件的質(zhì)量是否合乎要求。在判斷模具精度是否合格時，要注意模具使用后的磨損對制件尺寸的影響，尤其是對于尺寸精度要求較嚴的制件，應考慮避免出現(xiàn)試制件的尺寸在規(guī)定的公差范圍之內(nèi)，但在模具使用后不久制件的尺寸就超出公差范圍的情況。一般對于模具磨損后減小的制件尺寸，試制件的尺寸應接近于制件的最大極限尺寸；對于模具磨損后增大的制件尺寸，試制件的尺寸應接近于制件的最小極限尺寸。由于沖裁模的凸、凹模間隙可直接影響制件的毛刺高度，所以還需通過測量試制件的毛刺高度來判斷凸、凹模間隙是否合適。此外，有時還應考慮修整模具或修磨刃口對模具和制件尺寸的影響。

如果直接使用用戶的生產(chǎn)設(shè)備進行模具的試模驗收工作，新模具入庫前的精度檢查可以與試模驗收工作同時進行。否則，就要注意試模驗收所用的設(shè)備和用戶生產(chǎn)設(shè)備之間的差別，有時即使試模驗收時的試制件是合格的，但在使用用戶的設(shè)備進行生產(chǎn)時，由于設(shè)備之間存在差別，也有可能生產(chǎn)出不合格品。此時，在新模具入庫前有必要在用戶的設(shè)備上對模具的精度作重新檢查。

新模具精度檢查的結(jié)果應記載入有關(guān)檔案卡片，模具入庫時應附帶幾個合格試制件一同入庫。

3．模具使用過程中的精度檢查

模具使用時的精度檢查包括首件檢查、中間檢查和末件檢查。

有時制件質(zhì)量不合格的原因可能不在于模具，而是模具安裝、調(diào)整不當造成的。模具安裝、調(diào)整不當還是加劇模具磨損和造成模具安全事故的重要原因。因此，在開始生產(chǎn)作業(yè)時，應試制、檢查幾個初期制件，并將檢查結(jié)果與模具人庫前的精度檢查結(jié)果或上次使用時的末件檢查結(jié)果相比較，以確認模具安裝、調(diào)整是否得當。制件的成批生產(chǎn)必須在首件檢查合格后才能開始。

在生產(chǎn)作業(yè)過程中，間隔一定時間或生產(chǎn)一定數(shù)量的制件后，應對制件進行抽樣檢查，即進行中間檢查。中間檢查的目的是了解模具在使用對的磨損速度，評估磨損速度對模具精度和制件質(zhì)量的影響情況，以預防不合格品的成批出現(xiàn)。

生產(chǎn)作業(yè)終了時，應對最終制造的制件進行檢查，同時結(jié)合對模具的外觀檢查，來判斷模具的磨損程度和模具有無修理或重磨的必要。此外，通過對首件檢查和末件檢查的結(jié)果進行比較，能夠測算模具的磨損速度，以便合理安排下一次作業(yè)的制件生產(chǎn)批量，避免模具在下次使用時因中途需要重磨或修理而中斷作業(yè)所造成的損失。

4．模具修理后的精度檢查

模具在修理時，更換零件和對模具進行拆卸、裝配、調(diào)整等工作，都有可能使模具的精度發(fā)生變化，因此在模具修理結(jié)束后必須進行精度檢查。檢查的方法、要求與新模具入庫前的精度檢查相同。

模具的壽命

模具的壽命概念

模具的壽命是指模具能夠生產(chǎn)合格制品的耐用程度，一般以模具所完成的工作循環(huán)次數(shù)或所生產(chǎn)的制件數(shù)量來表示。

模具在使用過程中，其零件將由于磨損或損壞而失效。如果磨損或損壞嚴重，導致模具無法修復時，模具就應報廢。如果模具的零件都具有互換性，零件失效后能夠得到更換，那么模具的壽命在理論上將是無限的。但是，模具在長時間使用后，零件趨于老化，故障概率大大增加，修理費用隨之增加，同時模具經(jīng)常需要修理會直接影響制件的生產(chǎn)。因此，當修理模具在經(jīng)濟上并不合理時，也應考慮將其報廢。

模具在報廢前所完成的工作循環(huán)次數(shù)或所生產(chǎn)的制件數(shù)量稱為模具的總壽命。除此以外，還應考慮模具在兩次修理之間的壽命，如沖裁模的刃磨壽命。

在設(shè)計和制造模具時，作為用戶都會提出關(guān)于模具壽命的要求，這種要求稱為模具的期望壽命。確定模具的期望壽命應綜合考慮兩方面的因素：一是技術(shù)上的可能性；二是經(jīng)濟上的合理性。一般而言，當制件生產(chǎn)批量較小時，模具壽命只需滿足制件生產(chǎn)量的要求就足夠了．此時在保證模具壽命的前提下應盡量降低模具的成本；當制件為大批大量生產(chǎn)時，即使需要很高的模具成本，也應盡可能地提高模具的使用壽命和使用效率。

模具的失效形式

模具失效的基本形式有五種，即磨損失效、疲勞失效、熱疲勞失效、塑性變形失效和斷裂失效。

1．磨損

模具在使用時的磨損是不可避免的，使用時間越長，則磨損量也越大，磨損就越嚴重。磨損的形式有磨料磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。判斷模具是否因磨損而失效的主要標誰是制件的尺寸精度，當制件的尺寸超出允許的公差范圍時即宣告模具失效。如果模具的磨損導致制件的表面質(zhì)量嚴重下降，那么制件的表面質(zhì)量要求也是判斷模具是否失效的依據(jù)。沖裁模的凸、凹模刃口由于磨損而逐漸鈍化，嚴重時將顯著地劣化模具的工作條件和制件的質(zhì)量。制件的毛刺高度隨著凸、凹模刃口的鈍化而逐漸增高，因而可以作為判斷凸、凹模刃口鈍化程度的標志，當毛刺高空超過規(guī)定值時，表明刃口鐘化嚴重，需要重新刃磨刀口后模具才能繼續(xù)使用。

2．疲勞

模具一般都以間歇工作的方式進行工作，頻繁的反復加載和卸載使模具受力零件處于交變應力作用下。模具使用一段時間后，由于交變應力的作用，在零件表面或內(nèi)部存在微觀缺陷及應力集中的部位將會萌生許多微裂紋。模具繼續(xù)使用時，這些微裂紋將逐漸擴展，當微裂紋擴展到一定程度時，模具零件的承載能力被嚴重削弱，最終導致模具開裂或破損。

3．熱疲勞

熱加工模具一般都在急冷急熱條件下工作，當模具零件急劇受熱時，溫度較高的表層材料的受熱膨脹受到溫度較低的內(nèi)層材料的約束，使表層材料產(chǎn)生壓應力；當模具零件急劇冷卻時，溫度較低的表層材料的冷卻收縮又受到溫度較高的內(nèi)層材料的約束，使表層材料產(chǎn)生拉應力。在工作一段時間后，這種循環(huán)熱應力將使模具零件表層材料出現(xiàn)許多細小的裂紋，導致模具失效。熱疲勞裂紋的形狀有網(wǎng)狀、放射狀、平行狀等。

4．塑性變形

當模具零件承受的載荷使零件內(nèi)部的應力超過其自身材料的屈服強度時，零件就會產(chǎn)生塑性變形。常見的塑性變形失效有工作零件出現(xiàn)表面皺紋、局部塌陷和棱角倒塌凸模、型芯出現(xiàn)鐓粗、縱向彎曲，型腔、型孔出現(xiàn)脹大等。

5．斷裂

模具在正常工作時，因為某種原因而突然出現(xiàn)較大的裂紋，甚至分裂成幾個部分，使模具立即喪失工作能力的失效形式稱為斷裂失效。常見的斷裂失效有開裂、破裂、崩刃、折斷等。模具失效的五種基本形式中，熱疲勞失效一般只出現(xiàn)于冷熱溫差較大的熱加工模具，其他的四種形式在各類模具上都有可能出現(xiàn)。不同的失效形式之間常常有密切的聯(lián)系和交互促進作用。磨損產(chǎn)生的溝痕往往成為萌生疲勞裂紋和熱疲勞裂紋的發(fā)源地，同時深而尖銳的溝痕本身就可成為一次性斷裂的起裂點。零件表面出現(xiàn)疲勞裂紋和熱疲勞裂紋后，表面質(zhì)量嚴重惡化，將使磨損加劇，裂紋的尖端出現(xiàn)應力集中，將成為斷裂源，促進一次性斷裂的產(chǎn)生。磨損雖然會導致模具失效，但在正常的工作條件下，模具在失效前都能在較長的時間內(nèi)穩(wěn)定有效地工作。大部分模具的有效壽命決定于磨損失效，對于這些模具，磨損失效是它們的正常失效形式，其有效磨損壽命是確定模具期望壽命的依據(jù)。部分重載模具如冷擠壓模的有效壽命主要決定于疲勞失效，部分冷、熱溫差很大的模具如壓鑄模的有效壽命主要決定于熱疲勞失效。在疲勞和熱疲勞失效前，模具一般也有較長的使用壽命，但習慣上仍將它們看作是模具的早期失效。如果模具質(zhì)量存在問題，或者使用不當，塑性變形和斷裂失效在模具使用的各個時期都有可能產(chǎn)生，而且一旦發(fā)生的話，其后果很可能是致命的，它們是造成模具早期失效的主要形式。

保證和提高模具的壽命，一方面要通過各種途徑保證和提高模具的耐磨性，使模具具有足夠的有效磨損壽命，另一方面要采取各種措施，預防早期失效的出現(xiàn)，保證模具在有效壽命期內(nèi)能夠安全穩(wěn)定地運行。

保證和提高模具有效壽命的途徑

模具磨損的根本原因是模具零件與制件(或坯料)之間或模具零件與零件之間的相互摩擦作用。能夠降低這種摩擦作用，或者能夠提高模具零件的耐磨性的途徑，都是降低模具的磨損速度、提高模具有效磨損壽命的有效途徑。

1．合理選擇模具材料

材料的耐磨性是決定模具零件磨損速度的主要因素之一，材料的耐磨性主要決定于材料的種類和熱處理狀態(tài)。常用模具材料中，以冷作模具用鋼為例，硬質(zhì)合金的耐磨性最高，其次是高碳高鉻工具鋼，再次是低合金工具鋼，碳素工具鋼的耐磨性最低。一般情況下，需要耐磨的模具零件都應通過淬火或其他熱處理方法提高材料的硬度，材料越硬，耐磨性就越好。

2．提高模具零件表面質(zhì)量

首先，要提高零件表面的精加工質(zhì)量。零件加工越精細，表面粗糙度值越小，則磨損速度就越慢，使用壽命就越高。其次，要盡力避免零件表層材料在加工過程發(fā)生軟化現(xiàn)象，防止材料耐磨性的降低。例如，在磨削加工時，如果工藝條件選擇不當，就會會產(chǎn)生磨削燒傷，使表層材料的硬度降低，大大降低零件的耐磨性。

3．潤滑處理

模具的導柱、導套及其他有相對運動的部位應經(jīng)常加注潤滑油。沖壓加工時一般應在凸、凹模工作表面或毛坯表面涂覆潤滑油或潤滑劑。變形抗力大的沖壓加工，如冷擠壓、厚料拉深、變薄拉深等，應對坯料進行表面潤滑處理，例如：對碳鋼坯料進行磷化皂化處理；對不銹鋼坯料進行草酸鹽處理。鍛模、塑料模和壓鑄模等模具在成形前都應將潤滑劑或起模劑噴涂于成形零件表面。

4．防止粘模

如果制件材料與模具材料之間有較強的親和力，兩者之間會產(chǎn)生很強的粘附作用，甚至相互間在高壓作用下產(chǎn)生冷焊，這就是所謂的粘?，F(xiàn)象。粘?，F(xiàn)象嚴重時，將在起模時導致制件和模具零件表面的材料撕裂脫落，一方面影響制件的表面質(zhì)量，另一方面將使模具零件產(chǎn)生劇烈的粘著磨損，同時脫落的材料顆粒還會加劇模具零件的磨損。因此，無論是對于制件質(zhì)量，還是對于模具壽命，粘模現(xiàn)象都是極為有害的，都應采取措施加以預防。預防粘模的方法有：采用與制件材料親和力較小的模具材料；采用可靠的潤滑措施，防止?jié)櫥ぴ诟邏合卤粩D破；采用滲氮、碳氮共滲等表面處理方法，改變模具零件表層材料的組織結(jié)構(gòu)。

5．合理選擇模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和成形工藝條件

在保證制件質(zhì)量的前提下，對于沖裁模適當加大凸、凹橫間隙，對于彎曲模、拉深模適當加大凸、凹模間隙和凹?？诓繄A角半徑，對于冷擠壓模適當減小凹模入口角和凸、凹模工作帶高度．以及增加制件的起模斜度，都能提高模具磨損壽命。對于塑料模、壓鑄模等模具，適當減小成形壓力、溫度和速度，提高模具溫度，既能減小溶融塑料或合金液在充模時對模具成形表面的沖擊磨損，又能減小制件對模具的脹模力，從而減小模具在制件起模時的磨損。

6．表面強化

表面強化的目的是提高模具零件表面的耐磨性。常用的表面強化方法有表面電火花強化、硬質(zhì)合金堆焊、滲氮、碳氮共滲、滲硫處理、表面鍍鉻等。表面電火花強化、硬質(zhì)合金堆焊常用于沖裁模。滲氮(硬氮化)主要用于3Cr2W8V、5CrMnMo等熱加工模具鋼零件的表面強化，此方法除能提高零件的耐磨性外，還能提高零件的耐疲勞性、耐熱疲勞性和耐磨蝕性，主要用于壓鑄模、塑料模等模具。碳氮共滲(氣體軟氮化)不受鋼種的限制，能應用于各類模具。滲硫處理能減小摩擦系數(shù)，提高材料的耐磨性，一般只用于拉深模、彎曲模。表面鍍鉻主要用于塑料模及拉深模、彎曲模。除了上述常用方法外、模具的表面強化還有滲硼處理、滲金屬處理、TD法處理、化學氣相沉積處理、碳氮硼多元共滲等許多方法。

針對模具的設(shè)計、制造和使用的安全措施

針對模具的設(shè)計安全措施

1．結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)保證零件的強度和剛度  

足夠的強度和剛度是保證模具的承載能力，防止早期失效的基本要求。在設(shè)計模具零件結(jié)構(gòu)時，應根據(jù)零件所受載荷的性質(zhì)和大小．合理確定零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，保證零件有足夠的強度和剛度。但是，由于受到制件形狀、尺寸和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)等條件的限制，通過增大尺寸的方法來提高零件強度和剛度就有一定的局限性。因此，還需在結(jié)構(gòu)上采取其他各種措施，來提高零件的強度和剛度。

(2)避免應力集中  

模具受力零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應盡量避免出現(xiàn)容易產(chǎn)生應力集中的部位，以防止零件因應力集中而產(chǎn)生斷裂和疲勞、熱疲勞失效。

在模具結(jié)構(gòu)允許時，零件各表面的轉(zhuǎn)角應盡可可能設(shè)計成圓角，避免出現(xiàn)清角尤其是尖銳的清角。凸模、型芯、頂桿等零件的工作端和固定端具有不同的尺寸時，應避免采用圖1—3—1的突變式結(jié)構(gòu)，否則極易在尺寸突變處產(chǎn)生嚴重的應力集中，導致零件早期斷裂，或降低零件的疲勞壽命。良好的結(jié)構(gòu)如圖1—3—2所示，其中：圖1—3—2a為圓弧過渡式結(jié)構(gòu)，常用于尺寸相差較小時；圖1—3—2b為漸變過渡式結(jié)構(gòu)，常用于尺寸相差較大時；1—3—2c為組合式結(jié)構(gòu)，常用于尺寸相差很大時，或者不宜采用圖1—3—2a、b兩種結(jié)構(gòu)的場合。

對于凹模或型腔及部分凸?；蛐托?，采用組合或鑲拼式結(jié)構(gòu)是消除應力集中的有效途徑。組合和鑲拼式結(jié)構(gòu)的實例如圖1—3—3a、b所示。有時凹?；蛐颓簧洗嬖谟芯植恳子趽p壞的部位，也應采用鑲拼式結(jié)構(gòu)(圖I—3—3c)，該結(jié)構(gòu)可避免零件局部損壞，也便于模具修理。

(3)細長凸?；蛐托镜谋Ｗo  

在結(jié)構(gòu)上采取適當?shù)谋Ｗo措施，是避免細長凸?；蛐托疽騽偠?、強度不足而產(chǎn)生變形、斷裂失效的有效途徑。細長凸模的保護方法較多，例如：使用凸模護套，如圖1—3—4a、b、c所示；排樣時注意避免小凸模承受偏載；用導向卸料板對凸模導向；提高模具導向精度，避免設(shè)備導向誤差對小凸模的影響；適當增加凸、凹模間隙以降低沖壓力，等等。細長型芯一般通過合理選擇澆口位置，防止熔融塑料或合金液直接沖擊型芯的方法進行保護，有時也可采用1-3-4d的方法加以保護。

(4)鑲套和預應力組合凹模  

某些模具為了獲得很高的抗壓強度和耐磨性，凹模常采用高速鋼、硬質(zhì)合金等材料。然而，由于這些材料的韌性較差，凹模在沖擊載荷的作用下，經(jīng)常發(fā)生斷裂失效。此時，采用圖1—3—5的鑲套結(jié)構(gòu)，即在用韌性較好的材料制作的套圈內(nèi)鑲?cè)松鲜霾牧现谱鞯墓ぷ鞑糠郑涂杉骖櫮＞邔Σ牧蠌姸?、耐磨性、韌性的要求，防止凹模斷裂失效。

對于承受載荷極大的冷擠壓模，采用圖1—3—6a、b的整體式、組合式凹模都難以避免凹模產(chǎn)生縱向破裂。此時，應將凹模設(shè)計成預應力組合凹棋，如圖1—3—6c、d所示。

(5)防止制件或廢料堵塞、回升  

在沖裁成形時，制件或廢料由于各種原因可能堵塞在凹模型孔內(nèi)，或者隨凸模向上回升。當制件或廢料堵塞在凹模型孔內(nèi)時，容易使凹模脹裂及凸模受力過大而折斷；隨凸模回升時，會影響模具的正常工作，甚至損壞模具。凹模刃口采用斜刃壁式結(jié)構(gòu)是防止制件或廢料堵塞的有效措施，但是這種結(jié)構(gòu)在凹模修磨后會引起成形尺寸的變化，在制件尺寸精度要求較高時不宜采用。凹模刃口采用直刃壁式結(jié)構(gòu)時，為了防止制件或廢料堵塞，應適當減小凹模刃口長度。此外，適當增大凸、凹模間隙也能防止制件或廢料堵塞。防止制件或廢料回升可采用圖1—3—7的方法，其中：圖1—3—7a、b是利用裝在凸模中的彈頂銷防止制件或廢料回升的，常用于凸模尺寸較大的場合；圖1—3—7c是利用壓縮空氣防止制件或廢料回升的，常用于凸模尺寸較小的場合。

(6)模具安全檢測裝置  

當因某種意外原因危及模具的安全時，如果在模具上設(shè)計、安裝有安全檢測裝置，能夠及時地指令設(shè)備停止工作并且發(fā)出警報，就能使模具免遭損壞。常用的模具安全檢測裝置有光電式安全檢測裝置和接觸式安全檢測裝置。圖1—3—8是用于檢測制作是否起模的光電式安全檢測裝置的工作原理。其中：圖(1—3—8a為透射型，發(fā)射器能發(fā)出的可見或紅外光線被接收器接收。模具在工作時，每完成一個工作循環(huán)，制件起模后必須穿過發(fā)射器和接受器之間使光線被遮斷一次，設(shè)備才能開始下一個工作循環(huán)；否則，設(shè)備將停止工作，并發(fā)出報警。圖1—3—8b為反射型，制件起模后，必須經(jīng)過檢測裝置附近，使發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)制件反射后被接收器接收到，設(shè)備才能開始下一個工作循環(huán)。

圖1—3—9是在多工位級進模上檢測送料是否準確的接觸式安全檢測裝置。如果送料不到位，或因凸模折斷沒有沖出導正孔，在上模下行時，導正銷將受到條料(或帶料)的阻礙而相對上模向上運動，然后通過觸銷使微動開關(guān)動作，指令壓力機停止工作并且發(fā)出警報。

2．材料選擇

除了耐磨性外，材料還有下列使用性能指標：

(1)塑性交形抗力指標，包括抗拉屈服極限、抗壓屈服極限、抗彎屈服極限。

(2)斷裂抗力指標，包括抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度。

(3)韌性指標，通常用沖擊韌度Aku作為評價材料韌性的指標。

(4)疲勞抗力指標，即材料的耐疲勞性。

(5)熱疲勞抗力指標，即材料的耐熱疲勞性。

不同類型的材料具有各自的性能特點，在模具設(shè)計時，應全面了解模具的工作條件和主要失效形式，針對特定模具對材料性能的要求，選擇合適的材料。

沖薄板的沖模所受的載荷較小，選擇材料時應以耐磨性為主．兼顧韌性、抗疲勞性等其他性能。沖厚板的沖模在工作時承受較大的沖擊載荷，應選擇既有足夠的耐磨性同時又有良好韌性的材料，如基體鋼(LD；65Nb；CG2；LMl；LM2)、低合金高強度鋼(GD)、降碳高速鋼(6W6Mo5Cr4V)、火焰淬火鋼(7CrSiMnMov)、馬氏體時致鋼(18Ni)等。冷擠壓模在有重載條件下工作時，要求材料同時具備足夠的耐磨性和良好的抗壓強度和韌性。高速鋼(W18Cr4V；W6Mo5CrV2)的抗壓強度和耐磨性在冷作模具鋼中是最高的，因而常用于制作冷擠壓模。但是，高速鋼的韌性較差，易發(fā)生脆性斷裂失效，其中尤其以W18Cr4V更為嚴重。與高速鋼相比，降碳高速鋼、基體鋼、低合金高強度鋼、馬氏體時效鋼等材料的耐磨性稍差，然而它們具有良好的韌性，用這些材料代替高速鋼，能顯著提高冷擠壓模的承載能力和使用壽命。

鋅合金壓鑄模的型腔表層溫度較低，可以選用5CrNiMo、5CrMnMo等高強度而耐熱疲勞性較低的材料，在模具壽命要求較低時甚至可以選用40Cr、30CrMnSi等合金結(jié)構(gòu)鋼。如選用3Cr2W8V、4CrMoSiV等材料，能延長模具的使用壽命。鋁合金、鎂合金壓鑄模的型腔表層溫度較高，要求材料既有良好的熱穩(wěn)定性，又有較高的耐熱疲勞性。符合上述要求的鋁合金、鎂合金壓鑄模常用材料有3Cr2W8V、4Cr5MoSiv、4Cr5MoSiVl，其中3Cr2W8V的熱穩(wěn)定性最好，但其耐熱疲勞性最差。因此，對于鋁合金、鎂合金壓鑄模，選用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl時的模具使用壽命遠高于選用3Cr2W8V時的使用壽命。銅合金壓鑄模的型腔表層溫度很高，工作條件極為苛刻，要求材料具有很好的綜合性能，即同時具有很高的熱穩(wěn)定性、韌性、導熱性、耐疲勞性、耐熱疲勞性等。目前國內(nèi)使用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl等材料制作銅合金壓鑄模．模具壽命較低。國外已采用加鉆的鎢系高熱強模具鋼、鎢基合金、鉬基合金、馬氏體時效鋼、加鈷的鉻鉬釩鋼等材料制作銅合金壓鑄模，模具壽命較長。

塑料模承受的載荷較輕，型腔表層溫度較低，選材的靈活性較大。目前，塑料模常用的材料有：滲碳鋼(20、20Cr、12CrNi3A)、調(diào)質(zhì)鋼(45、40Cr、30CrMnSi、38CrMoAIA、35CrMo)、碳素工具鋼(T7A、T10A)、合金工具鋼(9Mn2v、CrWMn、9CrWMn、Cr12、Crt2MoV)、熱作模具鋼(5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2w8V)等。其中：合金工具鋼具有良好的耐磨性；熱作模具鋼具有良好的韌性、熱穩(wěn)定性和耐熱疲勞性；38CrMoA1A、3Cr2W8V調(diào)質(zhì)后經(jīng)滲氮處理，既有良好的耐磨性、韌性、熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性，又有很好的耐腐蝕性。

針對模具的制造安全措施

1．保證毛坯鍛造質(zhì)量

模具的重要零件在機械加工前一般都需對毛坯進行鍛造，鍛造的目的不僅是提高材料的加工性能，更重要的是改善材料的使用性能，提高模具的承載能力。正確合理的鍛造可以達到如下效果：

(1)消除碳化物偏析  

高碳商合金模具鋼的原材料中，碳化物的分布極不均勻，常出現(xiàn)帶狀或網(wǎng)狀偏析，如不加以消除，將嚴重削弱鋼的韌性，使零件極易產(chǎn)生脆性斷裂。通過鍛造，可以便材料中的大塊碳化物破碎，并且分布均勻，減輕或消除碳化物偏析。

(2)控制材料流線  

材料中的流線方向和分布狀況使材料在各個方向的承載能力存在差異。通過鍛造，可以根據(jù)模具零件的形狀和受力方向，控制材料的流線方向，并使流線合理分布。

(3)提高材料密度  

采用常規(guī)工藝生產(chǎn)的熱軋鋼材，常常存在許多微小的氣孔、裂紋等組織缺陷，使材料機械性能下降。通過鍛造，可以焊合氣孔和微裂紋，提高材料的密度，保證材料的機械性能。但是，如果鍛造工藝不合理，不僅達不到目的，反而會出現(xiàn)各種鍛造缺陷，惡化材料的使用性能。例如：模具鋼的鍛造溫度范圍狹窄，操作中稍有不當，就極易產(chǎn)生鍛造裂紋。鍛造時坯料冷卻速度過快，也容易出現(xiàn)裂紋。毛坯鍛造后需經(jīng)退火處理，目的是消除鍛造應力，細化晶料，提高鋼材的韌性，同時還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較大的內(nèi)應力，模具零件在工作時容易斷裂。如果流線的方向和分布不合理，也將降低零件的斷裂抗力。

2．保證零件加工質(zhì)量

模具零件的加工質(zhì)量必須滿足設(shè)計要求，除此以外，應著重注意下列問題：

(1)過渡圓弧  零件尺寸過渡處的圓弧半徑不得減小。圓弧與直線的銜接應保證平滑過渡，否則容易在銜接處產(chǎn)生疲勞裂紋。

(2)表面加工痕跡  模具成形表面不允許殘留任何刀具痕跡和劃傷痕跡，因為這些痕跡是誘發(fā)疲勞和熱疲勞裂紋的重要原因。

(3)加工裂紋  模具零件在加工時，如果工藝條件選擇不當，表面層材料出現(xiàn)許多微裂紋，就會直接影響零件的耐疲勞性和耐熱疲勞性，嚴重時甚至會導致零件斷裂。例如：磨削時如果磨削用量、冷卻介質(zhì)選擇不當，砂輪選擇或修磨不當，都容易使零件表面產(chǎn)生燒傷和磨削裂紋；電火花加工、電火花線切割加工時，如果電規(guī)準選擇不當，零件表層材料就會產(chǎn)生許多顯微裂紋。

(4)凹模型孔倒錐  采用下出料方式的沖裁模，如果凹模型孔出現(xiàn)倒錐，容易使制件或廢料堵塞在凹模型孔內(nèi)，導致凹模脹裂或凸模折斷。

3．保證零件熱處理質(zhì)量

正確合理的熱處理是保證模具零件獲得所需技術(shù)性能的重要措施，但是，如果熱處理規(guī)范選擇或操作不當，將嚴重降低零件的承載能力，危害模具的安全。

常見的熱處理質(zhì)量問題有：

(1)淬火過熱  對于沖模等承受很大沖擊載荷的模具，應避免淬火過熱。如果淬火時的加熱溫度過高，就會使晶粒長大，導致材料沖擊韌性下降，疲勞裂紋的萌生時間縮短，擴展速率加快。

(2)淬火溫度過低  對于壓鑄模、塑料模等熱加工模具，應適當提高淬火時的加熱溫度。如果淬火溫度過低，則模具零件在高溫時的強度和熱穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生塑性變形和熱疲勞開裂。

(3)熱處理肥碳或增碳  零件在淬火加熱時未加保護，容易造成表面層材料氧化脫碳或增碳。如果氧化脫碳層在后續(xù)加工中末被去除，將嚴重降低零件的耐磨性。表面增碳后，對于冷加工模具容易產(chǎn)生崩刃等斷裂失效，對于熱加工模具容易產(chǎn)生熱疲勞失效。

(4)應力集中和裂紋  模具零件如果在淬火時產(chǎn)生應力集中和裂紋，在使用時將很容易產(chǎn)生斷裂破壞。應力集中的部位容易萌生疲勞裂紋，影響零件的疲勞壽命。

(5)回火不充分或回火過度  如果回火時的溫度不夠或保溫時間不足，模具零件中將殘留較大的淬火應力，并使材料的韌性下降，工作時容易產(chǎn)生斷裂。熱加工模具的回火溫度一般應高于模具的工作溫度，以避免模具零件的表層材料在工作時發(fā)生回火轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生組織應力，降低其使用壽命。

回火過度將降低模具零件的強度和硬度，使零件在工作時容易產(chǎn)生塑性變形，磨損速度也大大加快。