模具

【作　者】陳良杰

在衝裁﹑成形衝壓﹑模鍛﹑冷鐓﹑擠壓﹑粉末冶金件壓製﹑壓力鑄造﹐以及工程塑料﹑橡膠﹑陶瓷等製品的壓塑或注塑的成形加工中﹐用以在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的製件的工具。

模具具有特定的輪廓或內腔形狀﹐應用具有刃口的輪廓形狀可以使坯料按輪廓線形狀發生分離﹐即進行衝裁。

應用內腔形狀可以使坯料獲得相應的立體形狀。

模具一般分為兩個部分﹕動模和定模﹐或凸模和凹模。它們可分可合。

分開時裝入坯料或取出製件﹐合攏時使製件與坯料分離或成形。

在衝裁﹑成形衝壓﹑模鍛﹑冷鐓﹑壓製和壓塑過程中﹐分離或成形所需的外力通過模具施加在坯料上。

在擠壓﹑壓鑄和注塑過程中﹐外力則由氣壓﹑柱塞﹑衝頭等﹐施加在坯料上。

模具承受的是坯料的脹力。

模具除其本身外﹐還需要模座﹑模架﹑導向裝置和製件頂出裝置等﹐這些部件一般都製成通用型﹐適用於一定範圍的不同模具。

模具的應用極為廣泛。大量生產的機電產品﹐如汽車﹑自行車﹑縫紉機﹑照相機﹑電機﹑電器﹑儀錶等﹐以及日用器具的製造都應用大量模具。

模具基本上是單件生產的﹐其形狀複雜﹐對結構強度﹑剛度﹑表面硬度﹑表面粗糙度和加工精度都有很高的要求﹐所以模具生產需要有很高的技術水平。

模具的及時供應及其質量直接影響產品的質量﹑成本和新產品研製。模具生產的發展水平是機械製造水平的重要標誌之一。




分類

加工金屬的模具按所採用的加工工藝分類﹐常用的有﹕
衝壓模﹐包括衝裁模﹑彎曲模﹑拉深模﹑翻孔模﹑縮孔模﹑起伏模﹑脹形模﹑整形模等﹔
鍛模﹐包括模鍛用鍛模﹑鐓鍛模等﹔以及擠壓模和壓鑄模。

用於加工非金屬和粉末冶金的模具則按加工對象命名和分類﹐有塑料模﹑橡膠模和粉末冶金模等。


衝壓模

用於板料衝壓成形和分離的模具。

成形用的模具有型腔﹐分離用的模具有刃口。

最常用的衝壓模只有一個工位﹐完成一道生產工序。

這種模具應用普遍﹐結構簡單﹐製造容易﹐但生產效率低。為提高生產率﹐可將多道衝壓工序﹐如落料﹑拉深﹑衝孔﹑切邊等安排在一個模具上﹐使坯料在一個工位上完成多道衝壓工序﹐這種模具稱為複合模。

另有將落料﹑彎曲﹑拉深﹑衝孔和切邊等多工序安排在一個模具的不同工位上。在衝壓過程中坯料依次通過多工位被連續衝壓成形﹐至最後工位成為製件﹐這種模具稱為級進模﹐又稱連續模。

已有的20工位﹑30工位的級進模﹐從捲料開捲﹑校平﹑衝壓﹐直至將製件排出和疊裝﹐已全部實現自動化﹐生產率獲得大幅度提高。

衝壓模的特點是﹕
精度高﹐尺寸準確﹐有些衝裁模的凸模與凹模的間隙近於0﹔衝壓速度快﹐每分鐘衝壓數十次至上千次﹔模具壽命長﹐有些硅鋼片衝裁模壽命在幾百萬次以上。


鍛模

用於熱態金屬模鍛成形的模具。

模鍛時﹐坯料往往經過多次變形才能製成鍛件﹐這就需要在一個模塊上刻有幾個型腔。

金屬依次送至各個型腔﹐並在型腔內塑性流動﹐最後充滿型腔製成鍛件。

在模鍛成形中﹐坯料很難與終鍛時型腔體積相等﹐為了避免廢品﹐坯料選用稍大一些。

為此﹐在終鍛模的上﹑下模分界面的型腔四周設有飛邊槽﹐以存貯多餘的金屬﹐成形後將飛邊切去。

型腔中應儘量減少尖角﹑深槽﹐以利於金屬塑性流動和充填﹐減少模具磨損和開裂﹐提高模具壽命。

鍛模的技術特點是﹕
有多個形式複雜的型腔﹔工作條件惡劣﹐1000℃以上熾紅的鋼在模具型腔內變形和流動沖刷﹔模具要承受鍛錘的高速衝擊或重負載的壓下﹔在使用過程中常處於急冷﹑急熱和冷熱交變狀態。

因此﹐模具材料應具有很高的強度﹑韌性和耐磨性﹐熱鍛時還須有高的溫度強度和硬度﹐並經過強韌化熱處理。


擠壓模

用於將金屬擠壓成形的模具。

正擠壓模有一個靜止的凹模和放置坯料的擠壓筒和對坯料施加壓力的衝頭。

擠壓空心件時﹐衝頭前端帶有芯棒。

反擠壓模的擠壓筒為凹模﹐衝頭成為凸模。

金屬需要在很大的壓強下才能從凹模擠出成形﹐在冷態下所需壓強可高達2000千牛/毫米2(200千克/毫米2)以上。

為此﹐擠壓筒和反擠壓的凹模需要有很高的強度﹐常採用多層預應力組合結構。

衝頭和凸模的工作長度宜短﹐避免在高的壓應力下發生不穩和彎曲。


壓鑄模

安裝在壓鑄機上﹐液態金屬在高壓下注入型腔﹑保壓至金屬凝固和成形的模具。

它主要用於鋁﹑鋅﹑銅件﹐也可用於鋼件。

壓鑄模的結構與塑料注射模類似。

它由動模與定模構成型腔﹐用型芯形成鑄件的孔腔。

金屬在型腔內冷卻﹑凝固後抽出型芯﹐分開模具﹐由頂杆推出鑄件。

壓鑄件一般壁薄中空﹐有眾多台﹑筋﹐形狀結構複雜﹐尺寸要求較精確﹐表面較光潔﹐金屬在熔融的高溫下成形。因此壓鑄模需要採用耐高溫的材料製造。


塑料模

用於塑料成形的模具。

隨著塑料工業的發展﹐塑料模需求量日益增多﹐其產量已佔各類模具產量的首位。

常用的塑料模有注射模﹑壓塑模和擠塑模。

注射模﹕主要用於熱塑性塑料製品的成形﹐也可用於熱固性塑料製品的成形。

模具分為動模與定模﹐注射時動模與定模閉合﹐構成型腔和澆注系統。

融熔態的熱塑性塑料通過澆注系統充滿溫度較低的型腔﹐經短時間保壓﹑冷卻後固化成形。

開模時動模與定模分離﹐由推杆將製品頂出。


壓塑模﹕用於熱固性塑料製品的成形。

將經預熱的塑料粉加入熱的型腔內﹐經閉模﹑加壓﹑加熱(一般近180℃)﹐塑料逐漸軟化﹑熔融﹐充滿型腔﹐最後固化成形。


擠塑模﹕用於熱固性塑料成形或封裝電器元件等。

加料和成形前先閉模﹐然後將塑料粉放入加料室內加熱﹐成為融熔狀態﹐再在壓力作用下通過注射系統以高速擠入型腔內硬化成型。

擠塑模適用於嵌件較多和精度較高﹑形狀複雜的製品。


塑料模工作時﹐所承受的壓力﹑溫度都不高﹐但製件數量很大﹐表面要求特別光潔。

為此﹐模具材料可選用預淬硬鋼﹐即先對模具進行熱處理﹐達到一定硬度後再進行切削加工﹐以防止熱處理後變形﹐最後再進行拋磨加工﹐以提高表面質量。


橡膠模

用於輪胎﹑汽車蓄電池殼﹑鞋底等橡膠產品成形的模具。

一般是將橡膠材料夾入模具內﹐經蒸汽加熱成形。也有與塑料注射模相似的橡膠注射模。


粉末冶金模

將固體金屬粉末壓製成形的模具。

將金屬粉末定量地倒入下模﹐然後上模壓下﹑閉合﹑成形﹐再用頂料裝置頂出預製坯。

將預製坯送入燒結爐內燒結﹐遂製成粉末冶金零件。

一般粉末冶金件的空隙很大﹐佔總體積的15％左右﹐成形壓力不大﹐模具結構較簡單﹐精度﹑表面粗糙度要求一般﹐所以對模具無特殊要求。
為了減少空隙﹑提高密度和強度﹐對燒結後的坯件﹐再進行一次熱鍛﹐通稱粉末鍛造。所用的模具與模鍛模相似。





模具設計

對模具的要求是﹕
尺寸精確﹑表面光潔﹔結構合理﹑生產效率高﹑易於自動化﹔
製造容易﹑壽命高﹑成本低﹔
設計符合工藝需要﹐經濟合理。

模具結構設計和參數選擇須考慮剛性﹑導向性﹑卸料機構﹑定位方法﹑間隙大小等因素。

模具上的易損件應容易更換。

對於塑料模和壓鑄模﹐還需要考慮合理的澆注系統﹑熔融塑料或金屬流動狀態﹑進入型腔的位置與方向。

為了提高生產率﹑減少流道澆注損失﹐可採用多型腔模具﹐在一模具內能同時完成多個相同或不同的製品。

在大批量生產中應採用高效率﹑高精度﹑高壽命的模具。

衝壓模應採用多工位級進模﹐可採用硬質合金鑲塊級進模﹐以提高壽命。

在小批量生產和新產品試製中﹐應採用結構簡單﹑製造快﹑成本低的簡易模具﹐如組合衝模﹑薄板衝模﹑聚氨酯橡膠模﹑低熔點合金模﹑鋅合金模﹑超塑性合金模等。

模具已開始採用計算機輔助設計(CAD)﹐即通過以計算機為中心的一整套系統對模具進行最優化設計。這是模具設計的發展方向。





模具製造

按結構特點﹐模具分為平面的衝裁模和具有空間的型腔模。

衝裁模利用凸模與凹模的尺寸精確配合﹐有的甚至是無間隙配合。

其他鍛模如冷擠壓模﹑壓鑄模﹑粉末冶金模﹑塑料模﹑橡膠模等都屬於型腔模﹐用於成形立體形狀的工件。

型腔模在長﹑寬﹑高 3個方向都有尺寸要求﹐形狀複雜﹐製造困難。

模具生產一般為單件﹑小批生產﹐製造要求嚴格﹑精確﹐多採用精密的加工設備和測量裝置。

平面衝裁模可用電火花加工初成形﹐再用成形磨削﹐坐標磨削等方法進一步提高精度。

成形磨削可用光學投影曲線磨床﹐或帶有縮仿﹑修打砂輪機構的平面磨床﹐也可在精密平面磨床上採用專用成形磨削工具磨削。

坐標磨床可用於模具的精密定位﹐以保證精密孔徑和孔距。也可用計算機數控 (CNC)連續軌跡坐標磨床磨削任何曲線形狀的凸模和凹模。

型腔模多用仿形銑床加工﹑電火花加工和電解加工。

將仿形銑加工與數控聯合應用和在電火花加工中增加三向平動頭裝置﹐都可提高型腔的加工質量。電解加工中增加充氣電解可提高生產效率。

計算機數控多軸銑床加工﹑坐標磨削和加工中心機床﹐是型腔模加工的重要設備。

型腔的表面研磨和拋光一般採用電動或風動工具﹐配以各種研磨﹑拋光輪和研磨膏粉﹐也可採用超聲波研磨﹑擠壓珩磨﹑化學拋光等方法。三坐標測量機和光學投影比較儀是模具製造中常用的精密測量設備。





模具壽命

模具是精密工具﹐價格昂貴﹐必須儘量提高使用壽命。

模具的正常失效形式主要有磨損﹑塌陷﹑斷裂﹑黏合等。

不同用途的模具失效形式也各不相同。

提高模具壽命的途徑主要是根據應用條件合理選用模具鋼和確定熱處理規範。

選用在使用溫度下強度高的材料可防止塌陷。

提高模具硬度可以減少磨損。

較高的韌性和抗疲勞性能以及消除電加工的硬化層及加工殘餘應力﹐可以阻礙裂紋的產生和發展﹐防止裂斷。

表面處理﹐潤滑和選用抗黏合性能好的模具材料﹐是延長模具壽命的重要措施。

模具工作表面和基體的要求差異很大﹐很難用一種材料完全合理地滿足﹐但可以在工作部位用鑲塊﹑堆焊﹑噴鍍和局部強化的辦法提高其綜合性能。

此外﹐合理的操作使用﹐是消除非正常失效﹑減緩正常失效的另一途徑。





參考書目

萬戰勝等編﹕《衝壓模具設計》﹐中國鐵道出版社﹐北京﹐1983。