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1、热加工模具的材料选择及热处理随着社会的进展，科学的进展，热加工用模也有了很迅速的进展。本毕业设计从理 论与实践的角度对热加工模模具进行阐述，针对热加工模用料及热处理进行分析，从下列 几方面进行论述：热加工类模具用钢的材料分析热加工模是工业产品生产中不可缺少的工艺方法之一。它要紧用于制造业与加工 业。它是与冲压、锻造、铸造成型机械，同时与塑料、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。热加工模具属于精密机械产品，由于它要紧由机械零件与机构构成，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，推料机
2、构，检测与安全机构等。为提高模具的质量，性能，精度与生产效率，缩短制造周期，其零、部件（又称模 具组合），多由标准零、部件构成。因此，模具应属于标准化程度较高的产品。一副中小 型冲模或者塑料注射模，其构成的标准零、部件可达90%，其工时节约率可达 25%45%。一、热加工用模模具的功能与作用现代产品生产中，热加工模具由于其加工效率高，互换性好，节约原材料，因此得 到很广泛的应用。现代工业产品的零件，广泛使用冲击、成型锻造、压铸成形、挤压成形、塑料注射 或者其他成形加工方法，与成形模具相配套，经单工序或者多道成形工序，使材料或者胚 料成形加工成符合产品要求的零件，或者成分精加工前的半成品件。如汽
3、车覆盖件，须使 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使用塑料注射方法，经一次注射成型为合格零件的； 发动机的曲轴连杆是使用锻造成形模具，经滚锻与模锻成形加工为精密机械加工前的半成 品胚件的。高精度、高效率、长寿命的冲模、塑料注射成形模具，可成形加工几十万，甚至几 千万产品零件，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、少批量或者产品试制的模具有：组合冲模、快换冲模、叠层冲模或 者成型冲模，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
4、，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者 零、部件越来越趋于微型化、精密化，其零件机构设计中的槽、缝、孔尺寸要求在 0.3mm 下列，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10m m,却需冲 孔、冲槽、弯曲、三层叠压等工序，模具需设计为 70 工位的精密级进行冲模。又如， BP 机中零件尺寸及其微小，对模具的要求更高。这类微型冲件与塑件用的模具，以成为高技 术模具或者专利型模具。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，大尺寸电视机外壳用塑料注射模等重量
5、都在10t以上。随着现代化工业与科学技术的进展，模具的应用越来越广泛，其习惯性也越来越 强。已成为工业国家制造工艺水平的标志与独立的基础工业体系。另外，使用模具进行成形加工，是少，无切削的要紧工装，在大批、大量加工中， 可使材料利用率达90%或者以上。二、热加工模具分类及用途热加工模具的用途广泛，模具的种类繁多，科学的进行模具分类，对有计划的进展 模具工业，系统的研究、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 挥模具的功能与作用；对研究、制订模具技术标准，提高模具标准化水平与专业化协作生 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。总体上说热加工模具可分
6、为三大类：金属板材料成型模具，如冲模等；金属体积成 型模具，如锻(镦、挤压)模，压铸模等；非金属材料制品用成型模具，如塑料注射模与 压缩模，橡胶制品，陶瓷制品用成型模具等。三、热加工模具材料的作用与地位随着模具工业的迅速进展，对模具的使用寿命、加工精度等提出了更高的要求。模 具材料性能的好坏与使用寿命的长短，将直接影响加工产品的质量与生产的经济效益。而 模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素，因 此世界各国都在不断的研究与开发新型模具材料，改进模具的热处理工艺，选用适当的表 面处理技术，合理的设计模具结构加强对模具的保护等措施，来稳固与提高模具的使用寿 命，
7、防止模具的早期失效。模具材料的使用性能将直接影响模具的质量与使用寿命。模具材料的工艺性能将要 紧影响模具加工的难易程度、加工质量与生产成本。为此，应合理选择模具材料，改进热 处理工艺与表面处理工艺，大力推广模具生产中的新材料、新工艺与新技术。四、热加工模具材料与模具寿命为了提高生产效率，提出毛胚精度与材料利用率，使用与进展少、无切削新工艺、 新设备，对模具提出了向精密、多型腔、高寿命方向进展的要求，模具寿命的提高，最根 本的办法是使用高性能的模具材料。尽管影响模具寿命的因素是多方面的，但模具材料的 选用是一个很重要的因素。60 年代以来，我国研制出很多适合我国特点的新型高效模具钢，如热作模具钢
8、中的 3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、4CrMnSiMoV、4Cr2NiMoV、5Cr4Mo3SiMnVA1 等，冷作 模具钢中的 6Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo3V2Si、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV 等新钢种的 使用，均获得提高模具寿命倍数的效果。如冷作模具钢选用6Cr4W3Mo2VNb (65Nb)代 替 T10、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2 等制作多工位冷镦机用的内六角凸模、十字槽光凸模、 螺栓切边模、冷镦螺栓顶模、钢板弹簧冲孔凸模、螺栓平圆头冲模、圆环冷冲模等；热作 模具钢选用3Cr3Mo3W2V (HM1)代替3Cr2W8V钢等制作轴承
9、套圈的热冲压凸模与凹 模、连杆辊锻成形模、小型机锻模等都显著提高了模具寿命，因此作为模具工作者包含模 具设计人员，首要任务是正确选用并合理使用模具材料，以保证模具的正常使用寿命。五：常用金属的线膨胀系数及收缩率线膨胀系数表示摄氏温度升高一度时单位材料的尺寸变化。表 1 是一些金属的线膨胀 系数。收缩率是指由热加工温度至室温这段温度区间内单位长度金属材料的尺寸变化，它与 材料的线膨胀系数与热加工温度两者有关。模膛设计时，需要考虑工件的收缩率，精密加工时还需考虑模具的热胀冷缩问题。 热加工时刚料的收缩率通常去 1.21.5%，而对细长的杆类件，扁薄的工件，冷却快或 者打击次数多热加工温度低的工件收
10、缩率取 0.81.2%；带大头的长杆锻件，头部与杆部的 冷缩塑料件通常取( 0.30.5 ) %。铝合金为( 0.81.0) %，镁合金为 0.8%，钛合金为(0.50.7) %，铜合金为(1.01.3) %。表1金属的膨胀系数金属种类FeAlMgCuNiTi膨胀系数X10 6.(1/C)11.723.92616.513.68.5六：常用金属的变形抗力金属的变形力GS也称真实应力或者流淌应力。关于理想塑性材料，变形抗力等于材料 的屈服极限；关于塑性硬化材料，变形抗力等于考虑了变形硬化后的屈服极限。在热锻温 度下，变形抗力还能够用强度极限Gb表示。通常金属的变形抗力与材料的化学成分、组 织、变形
11、温度，应变速率及变形程度等有关，可表达如下GS=G (T, 1, 2, X)式中T变形温度；1变形程度；2应变速率；x材料的物理化学性质。通常变形抗力随温度的升高而降低，应变速率增大时，变形抗力增大，温度升高，这 种现象越明显。变形程度对变形抗力的影响有两种情况，某些材料随变形程度增加，变形 抗力不断增大；而有些材料，在某一温度下，在某一变形程度前，变形抗力随变形程度的 增加而增大，但超过该变形程度后，由于动态恢复与动态再结晶进行迅速，随变形程度增大时，变形抗力逐步减小。通常地讲，当变形温度高于再结晶温度时，由于形变硬化的现象不明 显，应变速率的影响大，变形程度的影响小；而变形温度低于再结晶温
12、度时，变形程度的影响较大，应变速率的影响较小。举例说明：热锻模具钢的合理选用1、热锻模具钢的性能要求：(1) 高的冲击韧度与断裂韧度：对锤锻模具钢，冲击韧度应大于或者等于30J/cm 2，冲击韧度是锻模钢的基本性能。为阻止或者延缓裂纹扩展而导致模具断裂，还需要锻模 钢务必具有高的断裂韧度。(2) 高的高温硬度及高温强度：为防止热锻模发生早期磨损及变形，模具钢应具有 较高的高温硬度与高温强度。(3) 高的淬火性：热锻模尺寸较大，要求模具整个截面力学性能均匀一致，假如心 部未淬透，则可能形成贝氏体或者其他组织，导致模具早期断裂。(4) 高的热疲劳抗力：若导热性好，热胀系数小，则热疲劳抗力高，能够延
13、缓热疲 劳裂纹的产生。(5) 较高的回火稳固性：防止模具在高温服役中被继续回火，导致硬度下降而影响 耐磨性。( 6)良好的工艺性能及抗氧化性能。2、热锻模具用钢及合理选材：重型机械厂或者钢厂生产的其它锻模钢有： 5CrNiTi、 4SiMnMoV 及 5SiMnMoV、 5CrNiW、5CrNiMoV 等，国外进口锻模钢有 55CrNiMoV6 等。机械压力机模块用 钢钢号为： 4Cr5MoSiV1 ( H13) 、 4Cr5MoSiV 、 4Cr3W2Vsi 、 3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V，应用较好的其它钢号 4Cr3Mo3W4VNb、2Cr3Mo3VNb、2Cr3Mo2Ni
14、VSi；国外进口锻模钢有YHD3等，压力机热锻的特点是成行速度慢，单件滞模 时间长（约36s），因此，模腔表面温升高，瞬时温度可达约700。冷却及润滑条件较 好时，温度可能偏低一些，但也会达到500C左右，这也超过了 5CrNiMo、5CrMnMo模块 的回火温度，从而导致模具早期磨损，压塌等失效。因此，需要选用耐热性较高的高强韧 性模具钢制作压力机模具。表2列出了锤锻模用钢的选择，可供选材参考。表 2 锤锻模用钢的选择模具类型钢的选用小型5CrMnMo、5CrNiTi、5SiMnMoV、4SiMnMoV、6SiMnMoV中型5CrMnMo、5CrNiTi、5SiMnMoV、4SiMnMoV、
15、6SiMnMoV大型5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV特大型5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV堆焊锤锻模5Cr2MnMo压力机锻模（大尺寸）5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi通常中、小型压力机锻模可选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiVl、4Cr5MoSiV及3Cr3Mo 型热作模具钢、 5Cr4W5Mo2V、 4Cr3Mo3W4VNb 钢等。目前应用较多的是： 3Cr2W8V、 4Cr5MoSiVl 钢。对锤锻模尚有如下分类方法：小型：吨位小于lt,高度小于275mm；中型：吨位13t,高度275325mm；小型：吨位46t，高度325375mm；特大型：吨位大于6t,高度在375mm以上。现就我公司所使用的热锻模材料分析如下：H13 :化学成份（）（国标 GB129985）e0.320.45 Si0.801.20 Mn0.200.50Cr4.755.50 Mo1.101.75 V0.801.20S、P0.033Cr2W8V :属莱氏体钢，在高温下有较高的硬度，但其韧性与塑性较差，淬透性中 等，截面厚度80mm可淬透；此钢相变温度较高，耐热疲劳性良好。用于作高温、高应力 但不受冲击载荷的凸模、凹模，如平锻机上的凹凸模、镶块、铜合金挤压模、
