文献综述-热水器水管支架塑料模具设计

文献综述-热水器水管支架塑料模具 学院(系) 机电工程学院 专 业 材料成型及控制工程 班 级 材控08-2班 姓 名 学 号 模具是工业生产中使用极为广泛的装备之一，也是发展工业的基础。模具是成形金属、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等制件的基础工艺装备，是工业生产中发展和实现少无切屑加工技术不可缺少的工具。模具是一种高效率的工艺设备，用模具进行各种材料的成型，可实现高速度的大批量生产，并能在大量生产条件下稳定的保证制件的质量、节约原材料。因此，在现代工业生产中，模具的应用日益广泛，是当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。许多现代工业的发展和技术水平的提高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平。 一、模具加工制造的方法 将金属材料加工成模具的方法，主要有机械加工、特种加工、塑性加工、铸造和焊接等。 1、机械加工 机械加工(即传统的切削与磨削加工)是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法，即使是用其他加工方法制造模具，也需要用切削或磨削加工来完成某些工作。例如模架加工、模坯加工、模具型面加工以及孔类加工等。 机械加工的明显特点是加工精度高、生产效率高，而且用相同的机床和工具可以加工出各种形状和尺寸的工件。但是，用机械加工方法加工复杂的形状时，其加工速度很慢，硬的材料也难于加工;材料的利用率不高;而且还要求有熟练的操作工人。尽管如此，在模具制造过程中机械加工仍然是主要的加工手段。 2、特种加工 特种加工是有别于传统机械加工方法的非传统加工方法，也称电加工。从广义上来说，特种加工是指那些不需要用比工件更硬的工具，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、声能、光能等来除去工件上的多余部分，以达到一定的形状、尺寸和面粗糙度要求的加工方法，其中包括电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、电化学抛光、电解磨削、电铸、化学蚀刻、超声波加工、激光加工等。 特种加工相对于传统的机械加工，有如下特点: 1)加工情况与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚。 2)工具与工件一般不接触，加工过程不必施加明显的机械力。 3)可加工各种复杂形状的零件。 4)易于实现加工过程自动化。 正因为特种加工有上述这些可贵的特点，所以特种加工在模具制造中得到越来越广泛的应用，并成为模具加工中的一种重要方法。 3、塑性加工 塑性加工主要是冷挤压制模法，即将淬火过的成形模(原阳模)强有力地压入未进行硬化处理的模坯(钢或其他软质材料)内，使原阳模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。 冷挤压制模法所成形的模具完全不需要将型面进行精加工，它制模速度快、省料，可以制成各种复杂型面的模具，且形状精确，利于用一套原模制作多副相同模具。这种制模法一定要事先制作一个成形的原阳模，而且压制后的模具在淬火时会引起变形。 4、铸造 对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，人们往往会用简单方便的铸造法快速制成。 1)铸铁 像加工汽车外壳等大件且不规则形状的模具，一般都用铸造方法制成。 铸铁模在制造上的优点是，可以很容易铸出复杂的形状，尺寸不受限制，便于进行机械加工，而且价格低，润滑性好，胶着少。它的缺点是耐磨性差，精度差。 2)锌基合金 锌基合金是一 种用铸造法制造简易模具的典型材料，其熔点低，可铸性好， 所以铸造精度相对较高，而且还具有软钢那样的强度、耐磨性和润滑性。用低熔点材料锌基合金铸造模具，也我快速制模法，其制模速度快，制成形状复杂的模具，但模具的材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。 3)合成树脂 铸造法制模也有用合成树脂的，主要有酚醛树脂、聚酯树脂、环氧树脂等。 合成树脂模的优点是容易快速制模，轻而无锈，复制和维修都比较简单。但耐磨性差，遇热变形大，且强度不高、易疲劳老化。 5、焊接 焊接法制模是将分散加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种制模方法与整体加工相比，加工简单、快速、省料、尺寸大小不受限制。但精度难以保证，易残留热应变及内部应力，承受冲击的能力差。主要用于精度要求不高的大型模具的制造，或者用于模具的修复。 二、模具加工的材料 塑料模具的组成零件按其用途可分为两大类: 一类为结构零件, 包括浇注系统、导向件、定( 动) 模板、顶出机构件、支承件等, 选用材料一般为中、低碳的碳素结构钢或合金结构钢和碳素工具钢; 另一类为成型零件, 包括型腔、型芯、成型镶嵌件等, 是直接成型塑料制件的关键零部件, 这些材料的选用决定了模具的性能(加工能力) 、寿命( 耐久性) 和成本的级别, 塑料加工的技术进步使模具结构日益复杂, 成型零件的模具材料在整副模具中可能只占重量的少部分, 但却是性能和成本的决定性因素。 所用材料必须具备以下的特成型零件结构复杂、要求尺寸精确、接缝密合和表面光滑, 定性能要求:?具有一定的综合力学性能。成型零件在工作过程中要承受温度、压力、侵蚀和磨损, 因而要求具有一定的强度和塑、韧性; ?切削加工性好。塑料模形状往往比较复杂, 切削加工成本常占到模具的绝大部分( 一般约75%) , 因而要求具有良好的切削加工性; ?具有良好的导热性和低的热膨胀系数, 并具有良好的热加工工艺性; ?有些还要求有良好的耐蚀性和一定的耐热性。在众多的模具用钢中, 如何根据塑料制品的要求和模具钢特定性能, 合理地选择塑料模具用钢是一项非常重要的工作。 我国过去无专用塑料模具用钢, 近年在引进国外塑料模具用钢的同时, 自行研制和开发出一些新的塑料模具专用钢。这些材料能满足塑料品种在性能上的差异及制品的形状尺寸、质量、精度要求, 其模具材料具有适当的综合力学性能, 比较好的耐磨性, 良好的切割加工性能、抛光性能、花纹图案光蚀性能、耐蚀性及焊接性能。目前, 塑料模具材料仍以模具钢为主, 但根据成型工艺的不同, 也可采用非铁合金、钢结硬质合金、低熔点合金等材料。 1、 模具钢 塑料模具钢可分为渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐腐蚀型塑料模具钢、非调质塑料模具钢等五种。目前用得最多的是渗碳型塑料模具钢、预硬型 塑料模具钢和时效硬化型塑料模具钢。 1.1、 渗碳型塑料模具钢 渗碳型塑料模具钢的含碳量一般在0.10%,0.25%的范围内。退火后硬度低、塑性好, 冷加工硬化效应不明显。可用冷挤压的方法加工模具型腔, 也称冷挤压钢。成形后经渗碳、淬火、回火可获得较高的表面硬度。常用的钢号有DT1、20、20Cr、10Cr5、10Cr2NiMo、12CrNi2、12CrNi3A、12Cr2Ni4、18CrNiW、20Cr2Ni4、20CrNiMo 及最近研制的LJ 钢( 0Cr4NiMoV) 等。形状简单、尺寸小、多型腔的塑料模具最适合用冷挤压方法制造,可有效地缩短制造周期, 减少制造费用, 提高制造精度。 1.2 预硬型塑料模具钢 预硬型塑料模具钢是调质处理到一定硬度( 分别为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC 四个等级) 供货的钢材, 有较好的切削加工性能, 可直接进行型腔加工。加工后直接使用, 不再进行热处理。因省略了热处理及后续的精加工, 降低了成本,并缩短制造周期。常用的预硬型塑料模具钢有3Cr2Mo( P20) 、3Cr2NiMo( P4410) 、40CrMnVBSCa ( P20BSCa) 、SM1( Y55CrNiMnMoV)钢等。预硬型塑料模具钢适用于制造成型批量大、以及有镜面要求的模具, 硬度范围一般在32,40HRC。 3Cr2Mo 是国内较早开发的塑料模具钢, 与AISIP20 相当,目前已在许多钢厂生产, 一般是先进行预硬处理, 然后再进行切削加工。该钢适用于制造大、中型精密塑料模具, 如: 电视机、洗衣机壳体等塑料模具, 并已获得较多应用。3Cr2Mo 钢为预硬型塑料模具专用钢, 淬火温度为830,870?, 回火温度为550,600?, 预硬至30,35HRC。 为了改善预硬型塑料模具钢的切削加工性能, 可加入易切削元素, 成为易切削预硬型塑料模具钢, 我国研制了一些含硫易切削预硬型塑料模具钢和S- Ca 复合易切削预硬型塑料模具钢, 如8Cr2MnWMoVS 和5CrNiMnMoVSCa( 5NiSCa) 。5NiSCa钢采用了S- Ca 复合易切削系和喷射冶金技术, 改善了硫化物的形态、分布和各向异性, 在大截面中硫化物的分布比较均匀。5NiSCa 钢具有高的淬透性, 在860,900?淬火和575,650?回火后, 硬度为35,45HRC, 可顺利进行各种加工, 用于制造大、中、小型塑料模具。 1.3 时效硬化型塑料模具钢 时效硬化型塑料模具钢适用于制造预硬化钢的硬度满足不了要求, 又不允许有较大热处理变形的模具。这种钢在调质状态进行切削加工, 加工后通过数小时的时效处理, 硬度等 时效处理的变形相当小, 一般仅有0.01%,0.03%的收缩变形。若采用真力学性能大大提高, 空炉或辉光时效炉进行时效处理, 则可在镜面抛光后再进行时效处理。时效硬化钢有低镍时效钢和马氏体时效钢两类。 我国现有的低镍时效硬化钢有25CrNi3MoAl 钢、SM2 钢( Y20CrNi3IMnMo) 、PMS 钢( 10Ni3MnCuAl) 和06 钢( 06Ni6Cr-MoVTiAl) 等。 06 钢采用850?×8h 固溶处理后, 硬度为20,28HRC, 切削性能和抛光性能都很好, 经500,550?×4h 时效处理后, 硬度为43,48HRC, 时效处理的变形很小, 适用于制作高精度塑料模具、透明塑料模具等。 PMS 钢具有优良的镜面加工性能, 模具表面粗糙度可达Ra0.05μm, 适用于制造要求高镜面、高精度的各种塑料模具,如光学镜片模具, 磁带内外壳和电话机、石英钟、车辆灯具等塑料壳体模具等。SM2 钢, 含0.1%左右的硫, 切削加工性能得到了改善, 是一种易切削型时效塑料模具钢。 马氏体时效钢是以镍为主要合金成份的微碳高合金钢, 这种钢的奥氏体很稳定, 经固溶处理后即可获得微碳Fe- Ni 板条马氏体, 硬度为30HRC 左右。无冷加工硬化效应, 有良好的切削加工性能, 加工成形后, 在480?进行时效处理, 硬度为50HRC 左右, 在高强度下能保持较高的韧性, 且有较高的抗氧化、耐腐蚀性能。用于制造要求高耐磨、高精度、超镜面、型腔复杂的塑料模具。属于这类钢的有18Ni ( 250) 、18Ni( 300) 、18Ni( 350) 。但马氏体时效钢含有大量的钴和镍, 不仅价格昂贵, 且资源受到限制, 我国极少使用。 1.4 耐腐蚀型塑料模具钢 加工聚氯乙烯塑料、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品时, 分解出的腐蚀性气体对模具有腐蚀作用, 要求模具材料有一定的耐蚀性, 为此需在模具表面镀铬或直接选用3Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2、0Cr17Ni7Al 等不锈钢, 但Cr13 系不锈钢的热处理变形较大, 切削加工性能差, 使用范围小。国内近年开发的PCR( 0Cr16Ni4Cu3Nb) 钢属马氏体沉淀硬化不锈钢, 在1050?固溶空冷后得到单一的板条 马氏体, 硬度为32,35HRC, 可以进行切削加工, 经460,480?时效后,硬度为42,44HRC, 有较好的综合力学性能和抗蚀性能, 在含氟、氯等离子的腐蚀性介质中耐蚀性明显优于不锈钢, 适用于制造含氯、氟或加入阻燃剂的热塑性塑料的注射模具。 1.5 非调质塑料模具钢 非调质塑料模具钢在锻、轧后即可达到预硬, 不需再进行调质处理, 有利于节约能源、降低成本、缩短生产周期。为改善其切削加工性, 可加入P、S、Ca 等易切削元素。国内对非调质塑料模具钢的开发较晚, 25CrMnVTiSCaRE( FT) 、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS 是近年开发的新钢种, 锻、轧空冷后得到下贝氏体, 直径!100mm 的FT 钢硬度可达到30,35HRC。 2 非铁合金 2.1 铜合金 用作塑料模具材料的铜合金主要是铍青铜, 如ZCuBe2、ZCuBe2.4 等。一般采用铸造方法制模, 不仅成本低, 周期短, 而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可进行固溶- 时效处理,在固溶处理后, 材料的塑性好, 易于切削加工。经时效处理后,硬度可达40,42HRC。铍青铜可用于制造吹塑模、注塑模。福建二轻工业研究所研制的析出硬化型铜基合金, WTi =3.5%,6.0%、WNi < 0.2% , 经固溶处理后冷压成型, 再时效硬化, 模具型腔质量好。 2.2 铝合金 铝合金的密度小, 熔点低, 切削加工性能和导热性能都优于钢, 其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能。因此, 用铸造铝合金来制造塑料模具, 可缩短制模周期, 降低制模成本。常用的铸造铝合金有ZL101、ZL201、ZL302 等, 主要用于制造要求高导热率、形状复杂、耐蚀的塑料模具。 2.3 锌合金 用于制造塑料模具的锌合金大多为Zn- 4Al- 3Cu 共晶型合金, 用铸造方法可以加工出光洁而复杂的模具型腔, 并可降低制模费用、缩短制模周期。锌合金的不足之处是高温强度较差, 且合金易于老化, 因此, 锌合金塑料模具在长期使用后, 易出现变形甚至开裂, 这类锌合金适合于制造注塑模和吹塑模。河北省二轻工业研究所研制的铸造锌基合金,WAl=4%、WCu=3%、WMg=0.05%, 制模后可在模具表面直接电镀硬铬,制模周期短、成本低。用于制造型腔复杂的吹塑、吸塑模具。 3 钢结硬质合金 钢结硬质合金是以钢为粘结相, 以碳化钛、碳化钨等碳化物为硬质相, 用粉末冶金方法生产的复合材料, 其微观组织是细小的硬质相, 弥散均匀地分布于钢的基体中。作为粘结相的钢基体, 可以是碳素钢、合金钢等。由于粘结相的钢种不同, 赋于钢结硬质合金一系列不同的性能, 如高强度、抗冲击、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等。我国生产的模具用钢结硬质合金的典型牌号有GT35、R5、T1、D1、TLMW50、GW50、GJW50 等。 4 低熔点合金 利用低熔点合金浇铸吹塑模具的型腔, 不仅可以缩短模具的制造周期, 节约大量钢材, 而且还节省劳力。低熔点合金的种类很多, 目前使用较简单的一种是WBi=58%、WSn=42%的铋锡合金。 前不久, 由北京高科伟业科技开发中心参考国际上先进配方工艺, 结合国内实际情况研制开发的一种新型模具材料问世, 经国家化学建材测试中心检测, 各项指标优良。据专家介绍, 这种新型模具材料在继承传统模具材料的优点之外, 也对传统模具材料的不足做了很大改进。该材料使用极为方便, 操作简单,无毒环保, 成本较低。使用该材料制造的模具光滑如镜, 耐酸碱、耐腐蚀、耐高低温, 抗老化、防水防压、不变形、不粘膜。该模具材料用途极广, 可制造各式有造型的产品模具, 适用于石膏产品、水泥制品、仿玛瑙制品、仿玉石制品、砂岩制品、树脂制品、菱镁制品等各种可固化的产品模具制造。 三、模具加工的发展 近年来，在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持下和改革及开放方针引导下，我国的塑料模具制造业有了快速的发展和进步，无论是设计水平、制造水平、加工能力还是产品档次都有了很大的提高，每年创造的产值有上百个亿，但即使这样我们与一些发达国家还是有很大的差距，许多关键部件及精度复杂大型的模具仍需进口。为了改变这种现象，模具应不断提升自身水平，使其朝着短交货期、化、高精度、长寿命及三维化调整加工等未来模具的发展方向发展。这必然对模具的加工方法提出要使精密度更高、废料更少、周期更短，对模具材料的数量、质量、品种和性能等方面提出了更高、更新的要求。 (一)运用新的加工方法，新的加工技术，就是一条出路。 1、调整切削作为一种新型的加工手段，以其加工平稳、效率高、精度高、切削硬度高(>,60HRC)、切削力小、加工质量平稳而越来受到重视和推崇，现在许多加工中心定位精度可达5um，转数达30000转以上，曲面加工精度可达0.01mm,而且加工表面能获得近乎镜面的光洁度，因此在未来的模具加工中调整切削必将点到主导地位。 2、CAM等现代化的加工技术在未来的模具加工中亦会继续应用。利用仿真加工软件，大大缩短产品生产周期、提升产品的质量、减低生产成本。 (二)模具材料的发展工作 1、 加速模具钢生产的制品化、精料化和模具钢经销的商品化。 我国模具钢的品种规格较少, 模具钢生产的制品化、精料化和经销的商品化程度低。80%以上的模具钢仍以黑皮圆棒供货。越来越多的模具制造厂要求在模具设计完成后, 模具钢供应厂商能迅速提供所需钢材, 减少库存钢材数量, 缩短制模周期。但中国钢材生产企业目前尚不适应这一商品市场机制, 这是进口模具钢材在中国日益扩大的重要原因。 2、 大力推广应用性能优良的新型模具钢, 不断完善模具钢钢种系列。 我国已开发出性能优异, 达到或超过国外同类水平的特色新型模具钢, 但这些新钢的推广数量和应用范围不够大, 有选择地开发先进模具钢, 例如开发粉末冶金模具钢, 多元易切削系塑料模具钢, 建立玻璃、陶瓷, 耐火砖和地砖等成形模具用钢, 完善中国的模具钢系列。 3、 进一步提高模具钢的质量。 我国某些特殊钢厂已采用炉外精炼、真空冶炼、快锻机和精锻机等生产模具钢, 模具钢的质量有大幅度提高, 如D2、P20等, 出口产品的质量可以达到国际先进水平。但国外对纯度要求较高的模具钢大部分采用电渣重熔, 进一步提高了钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性, 减少偏析。我国还需要在这方面进一步开展工作 4、 加强先进模具热处理技术的推广与应用。 模具的可控气氛热处理与真空热处理应进一步得到发展, 一些行之有效的模具表面热处理技术, 应完善其工艺, 加强其推广和应用。提高装备和工艺材料的制造水平, 加强热处理专业厂的建设。 四、结语 随着中国经济在国际份额中的不断增大，中国将成为世界装备制造业的基地，各行各业对模具需求将会越来越大，对模具加工的要求也会越来越高，模具行业为造就市场需要，将会朝着短交货期、高品质、高精度、低价格的方向发展，就需要运用更新的加工技术与手段和更新的加工材料，使模具工业的发展和进步更快快步向前。 总之，我们要紧记:作为制造业的重要基础性工艺设备, 模具技术被认为是衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一， 我国虽已成为模具生产大国, 却远非模具制造强国,我们的路还很长。 参考文献 [1]杨俊秋.模具新材料在塑料模中的应用及展望.《模具制造》，2007 年第3 期，64-66 [2]李明亮.CAD/CAM技术在模具行业中的应用与发展趋势.《大众科技》，2007.9[97]，140-141 [3]黄毅宏，李明辉。模具制造工艺.北京:机械工业出版社，1999.6。