淺析模具制造過(guò)程中的缺陷及防止措施

張建卿（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系,湖南　懷化　418000）

淺析模具制造過(guò)程中的缺陷及防止措施

張建卿
（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系,湖南懷化418000）

摘要：模具是工業(yè)之母，模具制造直接決定了模具質(zhì)量的高低。模具制造中會(huì)出現(xiàn)缺陷，造成模具制造過(guò)程中出現(xiàn)缺陷的原因主要是在模具的選材和模具制造工藝流程上存在問(wèn)題。為提高模具的質(zhì)量，需要在在模具材料的選擇和制造工藝予以提高。

關(guān)鍵詞：模具；制造；缺陷；防止；措施

1　模具及模具制造過(guò)程中的缺陷概述

1.1模具概述

模具，一直以來(lái)被稱為“工業(yè)之母”。模具是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)專有概念，是指運(yùn)用金屬、工程塑料、橡膠等工業(yè)原材料，按照工業(yè)生產(chǎn)的需要，以鍛壓成型、沖壓、壓鑄、注塑、擠出等方法制出各種模子和工具。究其本質(zhì)，模具其實(shí)就是用來(lái)成型物品的工具。制造此種工具往往是由不同的零件構(gòu)成，不同的模具則需不同的零件組成。模具的制造一般是通過(guò)物理的方法來(lái)對(duì)原材料進(jìn)行加工，以改變?cè)牧系奈锢硇螒B(tài)以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的模具外形的要求，當(dāng)然模具制造的也會(huì)通過(guò)化學(xué)的方法來(lái)形成模具形狀的要求。模具是制造業(yè)的高精度工具，并且模具往往因?yàn)樯a(chǎn)的需要而形狀復(fù)雜，但是，模具是由工業(yè)原材料制造而來(lái)，無(wú)論是運(yùn)用物理還是化學(xué)的方法進(jìn)行模具制造，不可避免的會(huì)遇到坯料的脹力，材料的物理屬性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、表面硬度、表面粗糙度等因素都會(huì)影響模具的加工，加上模具制造過(guò)程中的技術(shù)工藝的高低，極易影響模具的質(zhì)量。模具具有特定的輪廓或內(nèi)腔形狀，應(yīng)用具有刃口的輪廓形狀可以使坯料按輪廓線形狀發(fā)生分離(沖裁)。應(yīng)用內(nèi)腔形狀可使坯料獲得相應(yīng)的立體形狀。模具一般包括動(dòng)模和定模(或凸模和凹模)兩個(gè)部分，二者可分可合。分開時(shí)取出制件，合攏時(shí)使坯料注入模具型腔成形。

1.2制造過(guò)程中的缺陷概述

模具制造過(guò)程中的缺陷，是在模具選材、制造過(guò)程中存在的不足和欠缺的地方。一般來(lái)說(shuō)模具制造過(guò)程中的缺陷主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是模具的選材上，一個(gè)是在模具的制造上。模具的選材是模具制造的基礎(chǔ)，模具選材受到多種因素的影響。從設(shè)計(jì)模具，到模具選材再到模具制造，要使模具處于一個(gè)高品質(zhì)的地位，成本考量是一個(gè)至關(guān)重要的因素。模具的制造在一定成本的限制下，要想避免出現(xiàn)缺陷，只能在選材和制造工藝上精益求精。同時(shí)在模具選材和模具制造過(guò)程中精益求精，能夠最大限度的降低成本，提高整個(gè)模具制造的生產(chǎn)效率。

2　模具制造過(guò)程中的缺陷

2.1原材料的缺陷

在模具制造過(guò)程中的模具選材上，對(duì)于小型簡(jiǎn)單的模具，并且使用壽命要求不高的模具，往往會(huì)選用高碳工具鋼。對(duì)于要求較高的模具，則選材上一般使用合金工具鋼。無(wú)論是高碳工具鋼還是合金工具鋼，我國(guó)的鋼鐵冶煉產(chǎn)業(yè)仍然處于粗放型經(jīng)營(yíng)，各種鋼材的冶煉技術(shù)較為粗獷，模具鋼存在各種各樣的缺陷。主要表現(xiàn)為碳素工具鋼中的粗片狀珠光體加連續(xù)網(wǎng)狀滲碳體，以及合金工具鋼中嚴(yán)重的共晶碳化物偏析。由于成本預(yù)算的限制，明知道這些材料存在問(wèn)題也得購(gòu)買。這些都為最后成型的模具留下了隱患。

2.2模具制造工藝的缺陷

模具制造的流程和工藝主要分為機(jī)械加工和電加工兩個(gè)部分，模具制造過(guò)程中的缺陷除模具材料存在缺陷外，很大部分是在機(jī)械加工和電加工階段出現(xiàn)的缺陷。

2.2.1機(jī)械加工

所謂模具的機(jī)械加工是指通過(guò)機(jī)床等機(jī)械工具對(duì)模具材料進(jìn)行切削和磨削。機(jī)械加工中一般又分為切削加工和磨削加工

（1）切削加工缺陷。機(jī)械切削加工模具上的缺陷，主要表現(xiàn)為加工模具的切削質(zhì)量差，工藝技術(shù)存在的一定的問(wèn)題。主要表為以下三個(gè)方面：

首先，由于切削加工不恰當(dāng),造成的尖銳轉(zhuǎn)角或圓角半徑過(guò)小,會(huì)導(dǎo)致模具在工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。

其次，切削加工后的表面太粗糙,就有可能存在刀痕、裂口、切口等缺陷,它們既是應(yīng)力集中點(diǎn)，又是裂紋、疲勞裂紋或熱疲勞裂紋的萌生地。

最后，切削加工沒(méi)能完全、均勻地切除模具毛坯在軋制或鍛造時(shí)產(chǎn)生的脫碳層,就可能在模具熱處理時(shí)產(chǎn)生不均勻的硬化層，導(dǎo)致耐磨性下降。

（2）磨削加工缺陷。模具磨削加工的工程就是模具原材料受力和受熱的過(guò)程。在模具進(jìn)行磨削加工時(shí)，因高速摩擦而產(chǎn)生的高熱能量，差不多百分之八十以上的熱量導(dǎo)入模具中，模具加工件瞬間承受了超高溫，在磨削區(qū)域內(nèi)的模具加工件表面容易被高溫灼傷，而模具加工件的內(nèi)部基本還處于冷卻狀態(tài)，由于內(nèi)外的溫差容易產(chǎn)生較強(qiáng)的壓應(yīng)力，當(dāng)這種壓應(yīng)力超過(guò)模具材料的屈服強(qiáng)度時(shí),就產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而傷害模具加工件。另外，在磨削加工時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械作用和熱，導(dǎo)致磨削裂紋。造成這些的原因，除了加工的工藝和設(shè)備原因外，還有就是模具材料的材質(zhì)是一個(gè)非常重要的原因。

2　電加工

電加工，分為電火花加工和電火花線切割兩個(gè)方面。電加工與機(jī)械加工相比能加工普通切削加工方法難以切削的材料和復(fù)雜形狀工件。

（1）電火花加工。電火花加工的缺陷主要表現(xiàn)在電火花加工后形成的異常層，降低模具的使用壽命。電火花加工時(shí)，放電區(qū)的電流密度很大，產(chǎn)生大量的熱，受熱影響的模具加工件的表層發(fā)生了物理的熔化反應(yīng)，在降溫作用下極速冷卻，形成了一層凝固層，即白亮層。白亮層，內(nèi)部有明顯的裂紋，這都大大降低了模具的使用壽命。

（2）電火花線切割。電火花線切割，是指利用自由正離子和電子形成的被電離導(dǎo)電通道，導(dǎo)致粒子發(fā)生碰撞形成一個(gè)等離子區(qū)，進(jìn)而釋放出8000-12000度高溫，利用此高溫熔化加工件，達(dá)到一般機(jī)械加工無(wú)法切割成型的目的。電火花線切割的缺陷是由于脈沖瞬時(shí)高溫和液體介質(zhì)及工件本身的迅速冷卻作用，致使線切割加工后的模具表面形成一層變質(zhì)層。

3　模具制造過(guò)程中缺陷的防止措施

3.1原材料缺陷的防止措施

（1）選擇優(yōu)質(zhì)的模具材料。在預(yù)算成本可控的范圍內(nèi)，盡量選擇高品質(zhì)的模具材料。

（2）重新鍛造加工。對(duì)于預(yù)算成本有限的情況下，采購(gòu)的材料不是高品質(zhì)的材料的，就得通過(guò)重新鍛造加工來(lái)提高模具材料的品質(zhì)避免模具因選材而出現(xiàn)重大的缺陷。

1）優(yōu)化鍛造工藝。優(yōu)化鍛造工藝的基礎(chǔ)在于控制好始鍛溫度、終鍛溫度和鍛造比，溫度過(guò)高或過(guò)低都無(wú)法使材料達(dá)到最佳性能。確定合理的溫度和鍛造比，重點(diǎn)在于依據(jù)索要鍛造的材料的物理特性和模具的要求來(lái)確定。

2）“二輕一重”鍛造法。對(duì)模具材料進(jìn)行鍛造時(shí)嚴(yán)格遵循“二輕一重”鍛造法，即開始時(shí)錘擊輕，力量小，中間時(shí)力量要大，結(jié)束時(shí)力量要輕。

3.2模具制造工藝缺陷的防止措施

3.3.1機(jī)械加工時(shí)的防止措施

（1）切削加工工藝優(yōu)化。首先，嚴(yán)格保證尺寸過(guò)渡處的圓角半徑、圓弧與直線相接處應(yīng)光滑。減少模腔表面加工時(shí)留下的刀痕，減少熱處理時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其次，確定適當(dāng)?shù)募庸ぞ龋阅＞弑砻婀饣蜔o(wú)刺痕為標(biāo)準(zhǔn)。最后，確定合理的加工余量，特別注意粗加工和精加工的余量控制，做到二者之間有充分的區(qū)別。

（2）磨削加工缺陷的防止措施。首先，控制模具的磨削加工余量。如適當(dāng)減少?gòu)较蜻M(jìn)給量及砂輪速度、增大軸向進(jìn)給量，使砂輪與工件接觸面積減少，散熱條件得到改善，從而有效地控制表層溫度的提高。其次，合理選擇和修整砂輪。根據(jù)模具加工件的要求和物理特性，選擇合適的砂輪，避免出現(xiàn)砂輪過(guò)快或過(guò)慢的現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)。最后，選擇合理的冷卻液劑和潤(rùn)滑液。磨削加工時(shí)的冷卻和潤(rùn)滑直接決定了磨削加工的質(zhì)量高低，必須依據(jù)模具加工件的特性選擇合理的冷卻液劑和潤(rùn)滑液。

3.3.2電加工時(shí)的防止措施

（1）電火花加工。首先，合理確定電火花加工參數(shù)，合理情況下以小電流精加工效果較好。其次，為除去電火花加工后的表面異常層中的白亮層，除去顯微裂紋，可采用電解拋光、超聲波拋光或超聲波——電化學(xué)拋光等精整加工方法。另外，在電火花加工后進(jìn)行一次低溫回火使凝固層穩(wěn)定防止白亮層中顯微裂紋的擴(kuò)展。最后，對(duì)于高硬度、高精度和高復(fù)雜程度的“三高”模具的刃口件或型腔件,可將電加工作為半精加工。

（2）電火花線切割。首先，降低放電過(guò)程中的負(fù)面影響，調(diào)整加工參數(shù)，使變質(zhì)層的表面得到改善，減小殘留拉應(yīng)力。其次，改善經(jīng)線切割后模具表面變質(zhì)層的組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，提高模具使用壽命。最后，正確的熱處理工藝、加熱方式，加熱溫度要選擇恰當(dāng)。

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作者簡(jiǎn)介：張建卿（1971-），副教授,高級(jí)工程師,一級(jí)模具設(shè)計(jì)師,研究方向：材料成型與控制。