模具一般由上模和下模两大部分组成,并在其上的相关零部件上具有特定的轮廓或内腔形状,通过成形压力机驱动两部分产生相对运动以成形零件。
模具
通过外力使坯料在特定空间内发生流动、变形或分离,从而获得所需零件形状的工具。
- 英文名称
- die and mould
- 所属学科
- 机械工程
按照所加工坯料类型的不同,模具可分为:加工金属板料的冲压模,包括冲裁模、弯曲模、拉深模等;加工块体金属材料的锻模,包括普通锻模、特种锻模等;加工金属粉末的粉末冶金模;用于液态金属凝固成形的压铸模;用于加工塑料和橡胶制品的塑料注射模、橡胶模等。
模具设计一般包括成形工艺和模具结构设计两大部分。成形工艺设计主要是结合所成形零件的形状特点、质量要求、经济性要求等,确定最佳成形工艺方案(如成形工序、成形工艺参数等),为模具结构的设计提供依据。模具结构设计是根据成形工艺方案,确定模具轮廓/型腔/型芯的形状和布置、相关辅助机构(如顶出机构、卸料机构、模架等)的尺寸和结构形式等。在设计时需要充分考虑模具结构刚性和强度、上下模的导向性、模具上易损件的更换等因素。由于材料成形过程的影响因素较多,牵涉到多学科领域知识,其设计过程较复杂,对设计人员要求也较高,通常需借助计算机辅助设计和辅助分析技术才能较好地完成设计任务。
模具制造一般包括模具零件加工和装配调试两大过程。模具零件的加工方式主要有电火花、线切割、数控铣削、抛光、热处理和表面改性等。高速铣床、数控加工中心、精密电火花加工机床等先进加工设备已经广泛用来制造模具,不仅极大减少了模具制造时间,而且模具精度和一致性也非常高。根据模具零件的功能要求、形状特征、精度要求、材料特性等,合理地选择相应加工工艺,是保证模具制造质量的前提。
模具装配调试过程主要包括将所加工的零件以及相关标准件等组装在一起,构成完整的模具,然后安装到成形机上进行调试,确认是否能加工出合格的零件。如果存在制造问题,则需分析产生问题的原因,并对相应的零部件进行修改;若是成形工艺设计的问题,则需反馈到工艺设计端修改设计,再进行相应的制造修改。重复上述调试过程直到加工出合格零件为止。
模具的工作条件苛刻,对材料的力学性能要求很高,一般需采用特种钢材。如高温状态下工作的模具除要具有很好的高温力学性能外,还要求具有良好的冲击韧性;由于成形坯料在模具型腔内流动成形,摩擦力大,磨损严重,会直接影响到模具的使用寿命,因此模具材料还应具有良好的耐磨性能;模具一般都要进行热处理,除应具有良好的淬透性和回火稳定性外,还应具有热处理时尺寸稳定、变形小等性能。因此,通常需根据模具的工况要求选用不同的模具钢材。如锻模常用H13、5CrNiMo、5CrMnSiMoV等材料制造,其热处理后型槽表面硬度为HRC42~47;冲压模的凸模和凹模一般用CrWMn、9CrSi、Cr12MoV等材料,其热处理硬度为HRC54~60;对于冲裁生产批量特别大的模具可用硬质合金YG15、YG20、T35、DT40等,其硬度可达HRC62~68;生产橡胶制品等非金属材料的模具硬度要求较低,可用贝氏体钢等。
通过模具成形制造零件具有生产效率高、一致性好、节能节材、综合力学性能好等优点。在航空航天、汽车、高铁、军工、家电、电子等领域,60%~80%的零件都是由模具成形制造的,如飞机结构框架和起落架、汽车车身和内饰件、家电外壳、电子器件接插件等。模具是制造业的基础工艺装备,是效益放大器,它可带动相关产业产生几十倍于其价值的产值,也是衡量一个国家制造业发展水平的重要标志。
随着对零件整体化、轻量化、精密化、高性能化要求的不断提高,模具将朝着大型化、精密化、复杂化方向发展。为了提高产品零件的生产效率,模具通常还需要组合多种功能结构,如多工序复合结构、自动化检测和传动结构、模内组装结构等;为了控制金属材料的流动(流线分布)和组织结构(晶粒尺寸与分布),以提高零件性能,模具内还需布置相应的加热/冷却系统或局部施力机构等。
随着产品更新换代速度的不断加快以及个性化需求的不断丰富,缩短模具的研发周期,降低制造成本和提高模具质量面临着许多新的挑战。数字化/智能化模具设计制造技术将是适应上述发展需求、提高模具设计制造水平的关键。主要包括:基于成形过程模拟的模具智能优化设计技术、数控加工技术及其智能化编程技术、数字化高能束加工技术(如增材制造、材料表面激光改性加工)、模具制造执行系统技术、先进热处理技术等。通过集成应用这些技术,将可大幅提升模具设计的可靠性,保证模具制造的高品质,缩短模具研发周期,降低研发成本,以适应产品零件创新研发的需求。
扩展阅读
- 田光辉,林红旗.模具设计与制造.北京:北京大学出版社,2009.