模具材料选择原则与模具设计.docx
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模具材料选择原则与模具设计
塑料模具材料的选择
目前，塑料制品日益广泛地应用于日常生活，其中注射成型技术约占80％。
注射成型因其一次成型、尺寸精确、可带嵌件、生产率高、易于实现现代化、后加工量少等特点广泛应用于汽车、建筑、家用电器、食品、医药等诸多领域。
塑料模具的选用，关于塑料工业生产能否收到好的经济效益特不关键，因此，模具设计者了解模具材料的差不多要求和选择恰当的材料相当必要。
塑料模具的工作条件与冷冲模不同，一般须在150°C-200°C下进行工作，除了受到一定压力作用外，还要承受温度阻碍。
现依照塑料成型模具使用条件、加工方法的不同将塑料模具用钢的差不多性能要求大致归纳如下：
1．足够的表面硬度和耐磨性
塑料模的硬度通常在50-60HRC以下，通过热处理的模具应有足够的表面硬度，以保证模具有足够的刚度。
模具在工作中由于塑料的填充和流淌要承受较大的压应力和摩擦力，要求模具保持形状的精度和尺寸精度的稳定性，保证模具有足够的使用寿命。
模具的耐磨性取决于钢材的化学成分和热处理硬度，因此提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。
2．优良的切削加工性
大多数塑料成型模具，除EMD加工外还需进行一定的切削加工和钳工修配。
为延长切削刀具的使用寿命，提高切削性能，减少表面粗糙度，塑料模具用钢的硬度必须适当。
3．良好的抛光性能
高品质的塑料制品，要求型腔表面的粗糙度值小。
例如，注塑模型腔表面粗糙度值要求小于Ra0.1～0.25的水平，光学面则要求Ra<0.01nm，型腔须进行抛光，减小表面粗糙度值。
为此选用的钢材要求材料杂质少、组织微细均一、无纤维方向性、抛光时不应出现麻点或桔皮状缺陷。
4．良好的热稳定性
塑料注射模的零件形状往往比较复杂，淬火后难以加工，因此应尽量选用具有良好的热稳定性的，当模具成型加工经热处理后因线膨胀系数小，热处理变形小，温度差异引起的尺寸变化率小，金相组织和模具尺寸稳定，可减少或不再进行加工，即可保证模具尺寸精度和表面粗糙度要求。
45、50牌号的碳素钢具有一定的强度与耐磨性，经调质处理后多用于模架材料。
高碳工具钢、低合金工具钢通过热处理后具有较高的强度和耐磨性，多用于成型零件。
但高碳工具钢因其热处理变形大，仅适用于制造尺寸小、形状简单的成型零件。
随着塑料工业的进展，塑料制品的复杂性、精度等要求愈来愈高，对模具材料也提出更高要求。
关于制造复杂、周密和耐腐蚀性的塑料模，可采纳预硬钢（如PMS）、耐蚀钢（如PCR）和低碳马氏体时效钢（如18Ni-250），均具有较好的切削加工、热处理和抛光性能及较高强度。
此外，在选择材料时还须考虑防止擦伤与胶合，如两表面存在相对运动的情况，则尽量幸免选择组织结构相同的材料，专门状况下可将一面施镀或氮化，使两面具有不同的表面结构。
模具钢材选用表及塑料模具材料的选择
来源:
COM时刻:
2009-4-99:
51:
06
模具钢材选用表及塑料模具材料的选择
国产塑料模具钢
一般把模具按使用寿命的长短分五级，一级在百万次以上，二级是50万----100万次，三级在30万-----50万次，四级在10万---30万次，五级在10万次以下，一级与二级模具都要求用能够热处理硬度在HRC50左右的钢材，否则易于磨损，注塑出的产品易超差，故所选的钢材既要有较好的热处理性能，又要在高硬度的状态下有好的切削性能，因此还有其他方面的考虑。
通常选用瑞典的8407，S136,美国的420,H13,欧洲的2316，2344，083，或日本的SKD61，DC53（原为五金模材料，专门情况下使用。
）一类的钢材。
除此外，注塑的原料及其所增加的填料对选用刚才有专门大的阻碍，尤其是玻璃纤维对模具的磨损大。
有些塑胶料有酸腐蚀性，有些因添加了增强剂或其他改型剂，如玻璃纤维对模具的损伤大，选材时均要综合考虑。
有强腐蚀性的塑胶一般选S136，2316，420一类钢材，弱腐蚀性的除选S136，2316，420外，还有SKD61，NAK80，PAK90，718M。
强酸性的塑胶料有：
PVC，POM，PBT弱酸性的塑胶料有：
PC，PP，PMMA，PA，产品的外观要求对模具材料的选择亦有专门大的阻碍，透明件和表面要求抛镜面的产品，可选用的材料有S136，2316，718S，NAK80，PAK90，420，透明度特高的模具应选S136，其次是420。
以上是从满足产品要求来讲，但作为一个设计师，你只考虑这些的话，你不但不可能成为一个好的设计师，可能你的饭碗都有问题，你涉及的模具所需求的成本是重中之重，你还要考虑价格，就拿S136与2316来比较，每公斤相差55—60元，假如你选择不当，你老总不是接不到单，确实是做到破产。
三级模具用预硬料多，牌号有：
S136H，2316H，718H，083H，硬度HB270----340，四五级模具用P20，718，738，618，2311，2711，关于要求特低的模具，还有可能用到S50C，45#钢，即直接在模胚上做型腔
碳素模具钢
来源:
COM时刻:
2009-4-910:
24:
23
国际模具网
碳含量关于经淬火及低温回火后钢的强度和塑性也有阻碍，关于亚共析钢而言，随着碳含量的增加，淬火后钢的强度增加，到碳含量为0．6％～0．7％时，达到最大值；随后则降低，接近共析成分时为最低。
当碳含量超过1．15％时，由于渗碳体分布不均匀，强度又下降。
总的讲来，随着碳含量的增加，钢的韧性逐渐下降。
碳素工具钢通常用电弧炉或平炉进行冶炼。
由于钢中的碳含量较高，导热性较差，在热加工时，钢锭或大型钢坯加热时的装炉温度不宜过高、升温速度（尤其是在低温下）不宜过快，以免产生过大的热应力而造成裂纹。
加热时必须保证钢材透烧；然而，在高温停留时刻不宜过长，以免造成严峻脱碳。
热加工（锻、轧）时，要保证热加工后钢中网状碳化物能够大部分被破裂。
因为钢中存在不均匀或粗大碳化物，会使钢材质量变坏、切削加工变得困难、模具在热处理时容易开裂、热处理后的硬度不均匀、使用时易崩刃。
因此，锻、轧热加工碳素工具钢时，必须要有适当的压缩比（一般大于4）；关于碳含量高的T12及T13钢，有时还须采纳镦粗拔长的方法来进行锻造，以使钢中的碳化物均匀细化。
碳素工具钢的终锻、终轧温度一般800右为宜，锻、轧加工后应迅速冷至650℃，然后进行缓冷，以免析出粗大或网状的碳化物。
热加工后的碳素工具钢具有珠光体组织，硬度较高，而且其组织也不符合最终热处理的要求。
为了改善钢材的切削加工性能和为最终热处理作组织预备，需要进行球化退火，退火后的组织和硬44 1模具钢基础理论度应符合（3-B1298—86的要求；在钢中不同意有连续网状的碳化物存在，破裂的网状碳化物按GBl298—86标准所附的第二级不图评定。
淬火后得到马氏体组织，使模具钢具有高硬度和耐磨性。
淬火后不可幸免地存在一定数量的残余奥氏体和粗大的马氏体，降低钢材的机械强度并增加脆性，故关于用高碳钢制造的模具淬火马氏体级不有一定的限制。
否则模具使用时易发生脆性损坏。
碳素工具钢的淬火加热温度一般依照钢的临界点来选择，取A。
1以上30～50℃，但Acm点高的钢，淬火温度也能够高一些。
为了提高尺寸较大模具的表面硬度，可考虑采纳较高的淬火温度。
小尺寸的模具，能够选择较低的淬火温度以得到良好的力学性能。
为了减少模具的淬火变形及开裂，在尺寸大小或使用条件同意的情况下，应选用冷却能力较缓慢的冷却介质，现在，可采纳较高的淬火温度。
例如，在油或硝盐中淬火的模具，加热温度比水淬的提高20℃左右，以便仍能得到较深的淬硬层和较高的硬度。
由于提高淬火温度而引起力学性能的降低，可由冷却缓慢使淬火内应力的减少得到一定程度的抵消。
若原始组织中为细片状和点状珠光体组织，加热时渗碳体易溶解，应选择较低的加热温度；具有粗球化珠光体组织的钢，可选择较高的淬火加热温度。
淬火保温所需要的时刻，必须保证模具内部达到淬火温度并形成碳浓度均匀的奥氏体，否则淬火后将不能得到良好的性能。
因此，过长的保温时刻，也会使模具过热、表面脱碳、白费能源和降低生产率。
在淬火
加热时，为了防止模具表面的氧化和脱碳，一般在盐浴中进行加热。
因为碳素工具钢淬透性低，关于有效厚度为5mm的模具一般用油淬；有效厚度为5～10mm的模具，可在150～160℃的硝盐浴中分级淬火；有效厚度为10～15mm的模具，可在140～160℃的碱浴中分级淬火；有效厚度为15～18r）qlYl的模具，在水中能够淬透，但容易产生专门大的内应力和变形，因此，碳素工具钢仅适宜制造小截面的模具。
碳素工具钢在淬火后具有高硬度，但存在淬火内应力，塑性1．3碳素模具钢低、强度也不高，必须通过回火，以改善其力学性能。
低温回火时，在钢中e一碳化物（Fe2．4C）从马氏体中析出，具有专门高的弥散度，马氏体中碳含量下降，钢的硬度有点降低，然而强度和塑性提高，从而减少了模具的崩刃现象。
随着回火温度的提高，钢中的残余奥氏体量减少，至250℃差不多上分解完毕。
高于200℃回火、钢的硬度、强度性能迅速下降。
因此，使用碳素工具钢制造的模具，一般采纳低温回火（≤200℃），关于制造锻模用的模具钢，为了得到高的韧性，回火温度可提高至350～450℃。
亚共析成分的碳素工具钢，如17钢具有较好的塑性和强度，适于制作承受冲击负荷的工、模具（如锻模、凿子、锤子等）和切削软材料的刀具（如木工工具）。
T8、T9钢淬火加热时容易过热，但硬度和耐磨性较高，一般用于制造形状简单的模具和切削软金属的刀具和木工工具。
过共析成分的碳素工具钢，如碳含量在0．95％～1．15％之间的T10、T11钢，在780～800℃加热，仍保持细晶粒组织，而且淬火后钢中有未溶的过剩碳化物，有利于耐磨，因此，这种钢应用较广，适宜制造耐磨性要求较高的模具，如冷冲模、拉丝模、切边模等。
碳含量在1．15％～1．35％之间的T12、T13钢，淬火后有较多的过剩碳化物，因此耐磨性和硬度高，韧性低，不宜制造承受冲击载荷的工、模具，而适于制造拉丝模、丝锥、板牙等。
各国模具钢、工具钢规格特性对比
来源:
国际模具网时刻:
2009-6-158:
10:
45
模具钢、工具钢规格特性对比
钢种
韩重
美国
德国
瑞典
日本
出厂硬度
（交货基准）
化学成分（%）
特性
淬火温度℃
回火后硬度hrc
用途
hj
aisi
din
assab
jis
c
si
mn
ni
cr
mo
塑料模具钢
hp-1a
1050优化
/
assab760
s55c优化
预硬化表面hs28-33
0.50-0.55
0.15-0.35
0.70-0.9
≤0.5
/
/
良好的加工性和大为减少的加工时刻
一般杂货的型板玩具，周密部件的基材
hp-4a
4140优化
2311
holdex
scm440优化
预硬化表面hs38-44
0.36-0.44
0.15-0.35
0.85-0.95
≤0.5
0.90-1.1
0.25-0.35
良好的加工性和抗磨损性，加工变形微小
830-860
大型模具的型板汽车保险杠，电视机后盖
hp-4ma
p20优化
2738
assab718
sncm优化
预硬化表面hs41-47
0.33-0.37
0.15-0.35
0.80-1
0.40-0.5
1.65-1.75
0.40-0.5
良好的加工性和抗磨损性，硬度分布均一
840-870
大型模具的型板高表面要求家用电器
ham-70
p21优化
/
/
daidonak80
预硬化表面
hsc37-41
0.05-0.25
0.10-0.7
1.00-2
2.00-4
/
0.20-0.5
良好的加工性和表面光洁度，硬度分布均一
840-870
汽车顶灯，冰箱蔬菜盒照明灯等透明件
hems-1a
420优化
2083esr
s-136/s-136h
sus420j2优化
退火
hrc23-55
0.25-0.3
0.50-0.55
0.70-0.8
≤0.3
12.0-12.5
≤0.5
良好的抗腐蚀性和精加工，高精度
1000-1050
200-500℃hrc50-55
彩色显像管玻壳模具cd、透镜、pvc底盘
热作工具钢
std-61
h13
2344
8407
skd61
退火
hb≤229
0.36-0.4
0.80-1.2
0.30-0.5
≤0.25
4.50-5.5
1.00-1.5
高清净度，结构均匀，良好高温强度和韧性
1000-1050
空冷，油冷
550-680℃hrc≤53
压铸模具，热压模挤压模
hds-1
h13优化
2344优化
/
skd61优化
退火
hb≤229
专利进行中
良好的韧性，热均裂性和软化抵抗性及硬化性
1000-1050
真空，煤气
550-680℃hrc≤53
压铸模具，热压模
冷作工具钢
std-11
d2优化
2379
xw42
skd11优化
退火
hb≤225
1.40-1.6
0.15-0.35
0.25-0.5
/
11.0-13
0.80-1.2
高清净度，结构硬度均匀抗磨损，高强度
1000-1050
空冷，油冷
550-680℃hrc≥58
修边模，成型模冲模，热压模
锻造用工具钢
stf-4m
6f2优化
/
/
skt4优化
预硬化
hrc42-48
0.49-0.54
0.20-0.3
0.95-1.05
1.95-2.1
0.95-1.1
0.45-0.55
高清净度，良好的抗热冲击性和抗磨损性
锻模
热压模
火焰硬化钢
hfh-1
/
/
/
hitachihmd5
退火
hb≤225
0.70-0.8
0.90-1.05
0.70-0.8
≤0.15
1.00-1.1
0.20-0.25
火焰表面硬化处理，良好的抗磨损性和加工性
875-950
空冷，油冷
150-200℃hrc≥61
冲压模，修边模
模具制造领域的14个常见问题解答
时刻:
2006-3-68:
52:
37
1）选择模具钢时什么是最重要的和最具有决定性意义的因素？
成形方法－可从两种差不多材料类型中选择。
A）热加工工具钢，它能承受模铸、锻造和挤压时的相对高的温度。
B）冷加工工具钢，它用于下料和剪切、冷成形、冷挤压、冷锻和粉末加压成形。
塑料-一些塑料会产生腐蚀性副产品，例如PVC塑料。
长时刻的停工引起的冷凝、腐蚀性气体、酸、冷却/加热、水或储存条件等因素也会产生腐蚀。
在这些情况下，推举使用不锈钢材料的模具钢。
模具尺寸－大尺寸模具常常使用预硬钢。
整体淬硬钢常常用于小尺寸模具。
模具使用次数－长期使用（>1000000次）的模具应使用高硬度钢，其硬度为48－65HRC。
中等长时刻使用（100000到1000000次）的模具应使用预硬钢，其硬度为30－45HRC。
短时刻使用（<100000次）的模具应使用软钢，其硬度为160－250HB。
表面粗糙度－许多塑料模具制造商对好的表面粗糙度感兴趣。
当添加硫改善金属切削性能时，表面质量会因此下降。
硫含量高的钢也变得更脆。
2）阻碍材料可切削性的首要因素是什么？
钢的化学成分专门重要。
钢的合金成分越高，就越难加工。
当碳含量增加时，金属切削性能就下降。
钢的结构对金属切削性能也特不重要。
不同的结构包括：
锻造的、铸造的、挤压的、轧制的和已切削加工过的。
锻件和铸件有特不难于加工的表面。
硬度是阻碍金属切削性能的一个重要因素。
一般规律是钢越硬，就越难加工。
高速钢（HSS）可用于加工硬度最高为330-400HB的材料；高速钢+钛化氮（TiN）涂层，可加工硬度最高为45HRC的材料；而关于硬度为65-70HRC的材料，则必须使用硬质合金、陶瓷、金属陶瓷和立方氮化硼（CBN）。
非金属参杂一般对刀具寿命有不良阻碍。
例如Al2O3（氧化铝），它是纯陶瓷，有专门强的磨蚀性。
最后一个是残余应力，它能引起金属切削性能问题。
常常推举在粗加工后进行应力释放工序。
3）模具制造的生产成本由哪些部分组成？
粗略地讲，成本的分布情况如下：
切削65%
工件材料20%
热处理5%
装配/调整10%
这也特不清晰地表明了良好的金属切削性能和优良的总体切削解决方案对模具的经济生产的重要性。
4）铸铁的切削特性是什么？
一般来讲，它是：
铸铁的硬度和强度越高，金属切削性能越低，从刀片和刀具可预期的寿命越低。
用于金属切削生产的铸铁其大部分类型的金属切削性能一般都专门好。
金属切削性能与结构有关，较硬的珠光体铸铁其加工难度也较大。
片状石墨铸铁和可锻铸铁有优良的切削属性，而球墨铸铁相当不行。
加工铸铁时遇到的要紧磨损类型为：
磨蚀、粘结和扩散磨损。
磨蚀要紧由碳化物、沙粒参杂物和硬的铸造表皮产生。
有积屑瘤的粘结磨损在低的切削温度和切削速度条件下发生。
铸铁的铁素体部分最容易焊接到刀片上，但这可用提高切削速度和温度来克服。
在另一方面，扩散磨损与温度有关，在高切削速度时产生，特不是使用高强度铸铁牌号时。
这些牌号有专门高的抗变型能力，导致了高温。
这种磨损与铸铁和刀具之间的作用有关，这就使得一些铸铁需用陶瓷或立方氮化硼（CBN）刀具在高速下加工，以获得良好的刀具寿命和表面质量。
一般对加工铸铁所要求的典型刀具属性为：
高热硬度和化学稳定性，但也与工序、工件和切削条件有关；要求切削刃有韧性、耐热疲劳磨损和刃口强度。
切削铸铁的中意程度取决于切削刃的磨损如何进展：
快速变钝意味着产生热裂纹和缺口而使切削刃过早断裂、工件破损、表面质量差、过大的波浪度等。
正常的后刀面磨损、保持平衡和锐利的切削刃正是一般需要努力做到的。
5）什么是模具制造中要紧的、共同的加工工序？
切削过程至少应分为3个工序类型：
粗加工、半精加工和精加工，有时甚至还有超精加工（大部分是高速切削应用）。
残余量铣削因此是在半精加工工序后为精加工而预备的。
在每一个工序中都应努力做到为下一个工序留下均匀分布的余量，这一点特不重要。
假如刀具路径的方向和工作负载专门少有快速的变化，刀具的寿命就可能延长，并更加可预测。
假如可能，就应在专用机床上进行精加工工序。
这会在更短的调试和装配时刻内提高模具的几何精度和质量。
6）在这些不同的工序中应要紧使用何种刀具？
粗加工工序：
圆刀片铣刀、球头立铣刀及大刀尖圆弧半径的立铣刀。
半精加工工序：
圆刀片铣刀（直径范围为10－25mm的圆刀片铣刀），球头立铣刀。
精加工工序：
圆刀片铣刀、球头立铣刀。
残余量铣削工序：
圆刀片铣刀、球头立铣刀、直立铣刀。
通过选择专门的刀具尺寸、槽形和牌号组合，以及切削参数和合适的铣削策略，来优化切削工艺，这特不重要。
关于可使用的高生产率刀具，见模具制造用样本C-1102:
1
7）在切削工艺中有没有一个最重要的因素？
切削过程中一个最重要的目标是在每一个工序中为每一种刀具创建均匀分布的加工余量。
这确实是讲，必须使用不同直径的刀具（从大到小），特不是在粗加工和半精加工工序中。
任何时候要紧的标准应是在每个工序中与模具的最终形状尽可能地相近。
为每一种刀具提供均匀分布的加工余量保证了恒定而高的生产率和安全的切削过程。
当ap/ae（轴向切削深度/径向切削深度）不变时，切削速度和进给率也可恒定地保持在较高水平上。
如此，切削刃上的机械作用和工作负载变化就小，因此产生的热量和疲劳也少，从而提高了刀具寿命。
假如后面的工序是一些半精加工工序，特不是所有精加工工序，就可进行无人加工或部分无人加工。
恒定的材料加工余量也是高速切削应用的差不多标准。
恒定的加工余量的另一个有利的效应是对机床——导轨、球丝杠和主轴轴承的不利阻碍小。
8）什么缘故最经常将圆刀片铣刀作为模具粗加工刀具的首选？
假如使用方肩铣刀进行型腔的粗铣削，在半精加工中就要去除大量的台阶状切削余量。
这将使切削力发生变化，使刀具弯曲。
其结果是给精加工留下不均匀的加工余量，从而阻碍模具的几何精度。
假如使用刀尖强度较弱的方肩铣刀（带三角形刀片），就会产生不可预测的切削效应。
三角形或菱形刀片还会产生更大的径向切削力，同时由于刀片切削刃的数量较少，因此他们是经济性较差的粗加工刀具。
另一方面，圆刀片可在各种材料中和各个方向上进行铣削，假如使用它，在相邻刀路之间过渡较平滑，也能够为半精加工留下较小的和较均匀的加工余量。
圆刀片的特性之一是他们产生的切屑厚度是可变的。
这就使它们可使用比大多数其它刀片更高的进给率。
圆刀片的主偏角从几乎为零（特不浅的切削）改变到90度，切削作用特不平稳。
在切削的最大深度处，主偏角为45度，当沿带外圆的直壁仿形切削时，主偏角为90度。
这也讲明了什么缘故圆刀片刀具的强度大——切削负载是逐渐增大的。
粗加工和半粗加工应该总将圆刀片铣刀，如CoroMill200（见模具制造样本C-1102:
1）作为首选。
在5轴切削中，圆刀片特不适合，特不是它没有任何限制。
通过使用良好的编程，圆刀片铣刀在专门大程度上可代替球头立铣刀。
跳动量小的圆刀片与精磨的的、正前角和轻切削槽形相结合，也能够用于半精加工和一些精加工工序。
9）什么是有效切削速度（ve）和什么缘故它对高生产率特不重要？
切削中，实际或有效直径上的有效切削速度的差不多计算总是特不重要。
由于台面进给量取决于一定切削速度下的转速，假如未计算有效速度，台面进给量就会计算错误。
假如在计算切削速度时使用刀具的名义直径值（Dc），当切削深度浅时，有效或实际切削速度要比计算速度低得多。
如圆刀片CoroMill200刀具（特不是在小直径范围）、球头立铣刀、大刀尖圆弧半径立铣刀和CoroMill390立铣刀之类的刀具（这些刀具请参见山特维克可乐满的模具制造样本C-1102:
1）。
由此，计算得到的进给率也低得多，这严峻降低了生产率。
更重要的是，刀具的切削条件低于它的能力和推举应用范围。
当进行3D切削时，切削时的直径在变化，它与模具的几何形状有关。
此问题的一个解决方案是定义模具的陡壁区域和几何形状浅的零件区域。
假如对每个区域编制专门的CAM程序和切削参数，就能够达到良好的折中和结果。
10）关于成功的淬硬模具钢铣削来讲，重要的应用参数有哪些？
使用高速铣对淬硬模具钢进行精加工时，一个需遵守的要紧因素是采纳浅切削。
切削深度应不超过0.2/0.2mm（ap/ae：
轴向切削深度/径向切削深度）。
这是为了幸免刀柄/切削刀具的过大弯曲和保持所加工模具拥有小的公差和高精度。
选择刚性专门好的夹紧系统和刀具也特不重要。
当使用整体硬质合金刀具时，采纳有最大核心直径（最大抗弯刚性）的刀具特不重要。
一条经验法则是，假如将刀具的直径提高20%，例如从10mm提高到12mm，刀具的弯曲将减小50%。
也能够讲，假如将刀具
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