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模具设计中的使用寿命及新技术应用初探

来源:模具设计 发布时间:2018-06-20 97834
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摘要:从合理选用模具材料、模具的热处理工艺、模具的机械加工工艺等三个方面提出了提高模具使用寿命的方法,并分析了新技术、新成果在其中的应用。 关键词:模具;模具寿命;新技术应用

引言

模具以其特定的形状通过一定的方式使原材料成型。现代工业生产中,模具是生产各种工业产品的重要工艺装备。随着工业生产的发展,特别是80年代以来,工业产品的品种和数量不断增加,换型加快,对产品质量、式样和外观等也不断提出新的要求,使模具的需要量相应地增加,对模具质量要求也越来越高,模具技术在国民经济中的作用将显得更为重要。由于传统模具制造工艺存在着局限性,因此对机械部门提出了新的要求,如模具使用寿命及新技术应用问题。

一、提高模具使用寿命的方法

(一)合理选用模具材料

1.模具材料的选用选用模具材料时,应根据不同的生产批量、工艺方法和加工对象进行选择。在大批量生产中,应选用长寿命的模具材料,如硬质合金,高强韧、高耐磨模具钢(如YG15、YG20);对小批量或新产品试制可采用锌合金、铋锡合金等模具材料;对于易变形、易断裂失效的通用模具,需要选用高强度、高韧性的材料(T10A);热锻模则要选用具有良好的韧性、强度、耐模性和抗冷热疲劳性能的材料(如5CrM-nMo);压铸模要采用热疲劳抗力高、高温强度高的合金钢(如3Cr2W8V);塑料模具则应选择易切削、组织致密、抛光性能好的材料。此外,在设计凸模和凹模时,宜选用不同硬度或不同材料的模具相匹配,如:凸模用工具钢(如T10A),凹模用高碳高铬钢(如Cr12、Cr12Mov),模具使用寿命可提高5~6倍。

2.合理的模具结构

模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙,并减少应力集中,以保证由模具生产出来零件符合设计要求。因此对模具的主要工作零作(如冲模的凸、凹模,注塑模的动、定模,模锻模的上、下模等)要求其导向精度高、同心度和中性好及冲裁的间隙合理。在进行模具设计时,应着重考虑的是:

1)设计凸模时必须注意导向支撑和对中保护。特别是设计小孔凸模时采用自身导向结构,可延长模具寿命。

2)对夹角、窄槽等薄弱部位,为了减少应力集中,要以圆弧过渡,圆弧半径R可取3~5mm。

3)对于结构复杂的凹模采用镶拼结构,也可减少应力集中。

4)合理增大间隙,改善凸模工作部分的受力状态,使冲裁力、卸件力和推件力下降,凸、凹模刃口磨损减少。

(二)模具的热处理工艺从模具失效分析得知,45%的模具失效是由于热处理不当造成的。众所周知,磨损、粘结均发生在表面,疲劳、断裂也往往从表面开始,因此对模具表面的加工质量要求非常高。但实际上由于加工痕迹的存在,热处理时表面氧化脱碳也在所难免因此,模具的表面性能反而比基体差。采用热处理新技术是提高模具性能的经济而有效的重要措施模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理基体的强韧化在于提高基体的强度和韧度,减少断裂和变形。表面强化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。

1.模具的整体强韧化工艺模具既要具有优良的整体强韧化性能,又要具有优异的型腔表面性能,这样才能提高模具使用寿命,为了达到这个要求,出现了在对模具整体强韧化的基础上再进行表面强化的各种处理工艺:对普通冷作模具钢,采用低温淬火与低温回火处理,可收到增加韧性、减少脆性和折断的良好效果;对热作模具钢,采用高温淬火与高温回火处理,可显著提高热作模具钢的强韧性和热稳定性。例如,对于3Cr2W8V材料制成的压铸模,采用400℃~500℃及800℃~850℃的两次预先正火而后进行高温淬火、回火处理,可提高韧性40%,模具寿命可提高1倍。

2.模具的表面强化热处理模具表面强化处理工艺有很多,其中主要有氮化法、点火花表面强化法、渗硼、TD法、CVD法、PVD法、激光表面强化法、离子注入法、等离子喷涂法等等。

(三)模具的机械加工工艺模具的机械加工工艺是直接影响模具使用寿命和产品质量的重要环节。由于模具零件的形状多种多样而且精度要求高,因此在加工过程中除了使用车床、铣床、刨床、锸床和磨床等普通机械加工设备外,还需要应用各种先进设备,诸如点火花加工机床、点火花线切割加工机床和精密磨削机床等等。目前针对结构复杂且工艺要求特殊的模具,一种有别于传统机械加工的新型加工方法-模具特种加工(电加工)也得到了快速发展。采用这种方法,不要求工具材料比工件材料更硬,也不需要在加工过程中施加明显的机械力,而是直接利用电能、化学能、光能和声能对工件进行加工,以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求。加工实践证明:采用正确的加工工艺,使高精度模具的型腔表面粗糙度改善一倍,就可使模具使用寿命提高50%。这一点对塑料模具尤为重要。

二、新技术新成果的应用

快速成形(RapidPrototypingandManufactur ing,简称RP或RP&M)或自由实体造型(SolidFreeformFabrication,简称SFF)是80年代中期发展起来的一种造形新技术,它将传统的“去除”加工法改变为“增加”加工法。RP技术综合了计算机辅助设计、激光、光化学和高分子聚合物等多种技术,并且随着RP技术与其它材料加工技术的结合,其应用领域不断扩大。RP技术的基本原理是, 首先根据产品设计图纸或“反求法”得到一系列横截面,数控激光束按每一层的轮廓线或内部网格线对材料逐层加工并叠加,直至完成整个制件。RP技术无需机械加工或任何模具,直接从CAD模型生成复杂形状的制件,因而产品研制周期缩短,生产率提高,生产成本降低同时也提高的模具设计的精确性、准确性和安全性。其用途主要包括:快速成形技术制作模型对产品进行设计验证、评价、性能测试等,制作注塑模、功能材料制件,与传统制造工艺相结合制造模具和金属零件等。目前比较成熟的快速成形技术主要有SLA、LOM等。

1.立体光刻装置(Stereo-LithographyAppara tus,简称SLA)SLA是最早的RP技术实用化产品,SLA工艺如图1所示。其工艺过程是,首先通过CAD设计出三维实体模型,将模型转换为标准格式的STL文件,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确控制扫描器和升降台的运动;激光器产生的激光束经聚焦照射到容器的液态光敏树脂表面,使表面特定区域内的一层树脂固化后,升降台下降一定距离,这样SLA装置逐层地生产出制件。SLA技术的常用原料是热固性光敏树脂,主要用于制造多种模具、模型等,还可以通过加入其它成分用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。

图1 SLA工艺示意图

 

2.分层实体造型(LaminatedObjectManufac turing,简称LOM)

LOM是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状,然后叠加在一起的造形方法。LOM工艺与SLA工艺的区别在于将SLA中的光致固化的扫描运动变为LOM中的激光切割运动。LOM技术常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,除了可以制造模具、模型外,还可以直接制造结构件或功能件。LOM技术成形速度快,制造成本低,但由于材料薄膜厚度有限制,未经处理的表面不光洁,需要进行再处理。

三、结束语

现代模具设计是一项系统工程,在设计过程中涉及的知识相当多,既要扎实的理论知识作为设计的向导,更需要丰富的实践经验作为设计的依据;总而言之,在设计过程中要全面考虑并切实掌握好设计的诸多要点,多方面多渠道的搜集设计所需的SLA技术成形速度较快,精度较高,但由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

充分利用丰富的知识和资料,控制好设计的整体方向,及时了解和掌握模具设计制造的新工艺、新特点,只有这样才能设计出比较经济、实用、安全、有效的模具。

 
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