模具設(shè)計(jì)時(shí)對模具鋼材的選擇技巧
時(shí)間:2024-11-18 11:33來源:德松官網(wǎng) 作者:德松模具鋼
成本考察對公司或采購部門來說都是優(yōu)先事項(xiàng)，尤其在模具報(bào)價(jià)時(shí)更是如此。因此，在進(jìn)行DFM檢討時(shí)，報(bào)告中必須清楚寫明一些特殊條件，以防萬一出現(xiàn)問題，避免影響到你自己。
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1.塑料模具材料選擇
塑料模具是塑料制品制造過程中的核心工具。它們必須能夠精確地形成產(chǎn)品的形狀、尺寸和紋理，同時(shí)承受高溫和壓力的作用。塑料模具的基本要求包括高精度、良好的耐磨性、足夠的強(qiáng)度和韌性，以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。根據(jù)制造過程的不同，塑料模具可以分為多種類型，如塑料射出模具、熱壓成型模具、壓縮成型模具等。每種模具類型都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和性能要求，這直接影響到鋼材的選擇。
如果工作配合的供應(yīng)商是中國國內(nèi)的廠商，在與廠商進(jìn)行DFM檢討過程中，可能會(huì)注意到這些供應(yīng)商使用的鋼材名稱與大陸以外地區(qū)所用的有所不同，這主要原因是因?yàn)橹袊＞呤袌龃?，?dāng)?shù)夭牧仙虝?huì)開發(fā)同類替代鋼材來降低成本，例如某種材料可以替代S136鋼或718模具鋼等。對于這種情況，我通常持開放態(tài)度。我關(guān)心的是，只要使用的材料能夠滿足公司的產(chǎn)品需求和質(zhì)量要求，且不會(huì)引起任何問題，使用何種替代材料我都不會(huì)介入。畢竟，成本考察對公司或采購部門來說都是優(yōu)先事項(xiàng)，尤其在模具報(bào)價(jià)時(shí)更是如此。因此，在進(jìn)行DFM檢討時(shí)，報(bào)告中必須清楚寫明一些特殊條件，以防萬一出現(xiàn)問題，避免影響到你自己。
2.模具的分類
為了便于模具材料的選用，通常根據(jù)工作條件將模具分為冷作模具、熱作模具和型腔模具三大類。
（2-1）冷作模具
根據(jù)工藝特點(diǎn)，可將冷作模具分為冷沖裁模具和冷變形模具兩類。冷沖裁模具主要包括各種薄板沖裁模具和厚板冷沖裁模具。冷變形模具主要包括各種冷擠壓模具、冷鐓模具模具、冷拉伸模具和冷彎曲模具等，主要材料有SKD11模具鋼和DC53模具鋼等。
（2-2）熱作模具
熱作模具可分為熱沖切模具、熱變形模具和壓鑄模具三類。熱沖切模具包括各種熱切邊模具和熱切料模具。熱變形模具包括各種錘鍛模具、壓力機(jī)鍛模具和熱擠壓模具。壓鑄模具包括各種鋁合金壓鑄模具、銅合金壓鑄模具及黑色金屬（鋼、鐵等）壓鑄模具等。
（2-3）型腔模具
3.射出成型模具材料使用性能的考察
一般情況下，應(yīng)根據(jù)模具加工能力和模具的服役條件，結(jié)合模具材料的性能和其他因素，來選擇符合要求的模具材料。對于某一種類的模具，很多材料從基本性能上看都能符合要求，然而必須根據(jù)所制成模具的使用壽命、生產(chǎn)率、模具制造工藝的難易程度及成本高低來做出綜合評價(jià)，這就必須同時(shí)考慮模具材料的使用性能、工藝性能和生產(chǎn)成本等因素。
各種模具的服役條件不同，對模具材料的性能要求也不相同。模具設(shè)計(jì)人員常要根據(jù)模具的服役條件和使用壽命要求，合理的選用模具材料及熱處理工藝，使之達(dá)到主要性能最優(yōu)，而其他性能損失最小的最佳狀態(tài)。對各種類模具材料提出的性能要求主要包括硬度、強(qiáng)度、塑性、韌性等。
（3-1）材料的強(qiáng)度和硬度
在模具設(shè)計(jì)中，材料的強(qiáng)度和硬度是最基本的考慮因素之一。模具需要承受來自外界的壓力和沖擊，因此模具在應(yīng)力的作用下，應(yīng)能保持其形狀和尺寸不變，必須具有足夠的強(qiáng)度來抵抗這些力量。
（3-2）材料的高耐磨性
為了增加塑件的剛性和機(jī)械性能，在塑料配方中廣泛使用玻纖，無機(jī)填料來增強(qiáng)，在加入了這些添加劑后，它們和熔料一起高速進(jìn)入模具型腔，對模具內(nèi)腔的摩擦極大，若該模具材料不耐磨，很易使型腔受到過度磨損，因此，制作這類模具的材料尤應(yīng)有較好的耐磨性。
（3-3）材料的耐腐蝕性
在一些特殊的工作環(huán)境中，模具可能會(huì)受到腐蝕的影響，因此材料的耐腐蝕性也是需要考慮的因素之一。例如，在一些化學(xué)工業(yè)中，模具可能會(huì)接觸到酸性或堿性塑料材料或物質(zhì)，這就要求模具材料具有較好的耐腐蝕性，以保證模具的使用壽命和性能。
很多塑料的添加劑，如阻燃劑等，甚至熔料本身的化學(xué)作用都會(huì)腐蝕模具型腔。當(dāng)塑料原料中混有含磨料的填充劑和增強(qiáng)材料時(shí)，更易加劇模具的損壞，對此，最好使用耐蝕鋼，或?qū)δ＞哌M(jìn)行表面電鍍處理，鍍鉻或鍍鎳。
（3-4）材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性
在一些需要進(jìn)行熱處理或電加熱的模具設(shè)計(jì)中，材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性也是需要考慮的因素。良好的導(dǎo)熱性可以保證模具在加熱過程中溫度的均勻分布，從而提高加工效率和產(chǎn)品品質(zhì)。而導(dǎo)電性則可以保證電加熱的效果和穩(wěn)定性。
在射出成型時(shí)，良好的模溫控制對塑件質(zhì)量影響很大，特別是在加工半結(jié)晶性熱塑性塑料時(shí)更顯重要。通常，銅合金比合金鋼的導(dǎo)熱性要好得多，但它的彈性模量、硬度和耐用度較低。鋼材的導(dǎo)熱性不足可用冷卻系統(tǒng)來補(bǔ)償。
（3-5）良好的尺寸穩(wěn)定性
射出模在成型操作時(shí)，模具型腔的溫度要達(dá)到300℃以上，溫差這么大，易使型腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微觀變化，從而造成模具尺寸變化，使得塑件尺寸不穩(wěn)定，為此，可選用適當(dāng)回火處理的工具鋼，即熱處理鋼。為了提高硬度和耐磨性，一般對模具都要進(jìn)行熱處理。但應(yīng)使這種熱處理對模具的尺寸影響最小，可采用能切削加工的預(yù)硬化鋼，這種鋼材在機(jī)械加工后無需熱處理。
（3-6）材料的加工性能
模具零件多為金屬材料制成，有的結(jié)構(gòu)形狀還很復(fù)雜，為了縮短生產(chǎn)周期、提高效率，要求模具材料易于加工成圖紙所要求的形狀和精度。
材料的加工性能也是需要考慮的因素之一。不同的模具設(shè)計(jì)可能需要進(jìn)行不同的加工工藝，例如銑削、車削、磨削等。因此，選擇具有良好加工性能的材料可以提高模具的加工效率和質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。
（3-7）材料的成本
最后，材料的成本也是需要考慮的因素之一。不同的材料價(jià)格不同，而且隨著市場供需的變化，價(jià)格也可能會(huì)有所波動(dòng)。因此，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮材料的性能和成本，以找到一個(gè)性價(jià)比最高的材料。
綜上所述，模具設(shè)計(jì)中的材料選擇是一個(gè)復(fù)雜而重要的問題。設(shè)計(jì)師需要綜合考慮材料的強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、加工性能和成本等因素，以找到一個(gè)最合適的材料。只有選擇合適的材料，才能保證模具的壽命、精度和成本的最優(yōu)化。因此，對于模具設(shè)計(jì)師來說，掌握材料選擇技巧是非常重要的。通過不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，設(shè)計(jì)師可以不斷提高自己的技術(shù)水準(zhǔn)。
4.射出成型模具鋼材的分類
（4-1）非成型零部件材料選用
（4-1-1）模座材質(zhì)
在參照模座（模架）標(biāo)準(zhǔn)的前提下一般會(huì)選擇S50C（50鋼），在國內(nèi)，除了上述材料外，也會(huì)使用SM45作為模座（架）材料。這些材料需具備180 HB至240 HB的布氏硬度，確保硬度分布均勻并且內(nèi)部應(yīng)力較小，這樣可以降低材料變形的風(fēng)險(xiǎn)。至于導(dǎo)柱的材質(zhì)，通常使用GCr15鋼、SUJ2鋼，其硬度需達(dá)到56~ HRC的洛氏硬度。同時(shí)，導(dǎo)套、推板導(dǎo)柱、推板導(dǎo)套等材質(zhì)也可以是GCr15或SUJ2，硬度同樣為56-62HRC。
（4-1-2）模具中的結(jié)構(gòu)用件
在模具的常規(guī)結(jié)構(gòu)部件中，像是頂出定位圈、支撐柱、頂出限位塊和鎖模組件等，由于對硬度和耐磨性沒有特殊的要求，一般可以選用S45C鋼。
（4-1-3）需要高強(qiáng)度的模具結(jié)構(gòu)用件
在模具制造中，對于那些對硬度、強(qiáng)度和耐磨性有較高要求的部件，如澆口套、楔緊塊、耐磨塊和滑塊壓板等，建議選用碳素工具鋼或高品質(zhì)碳素工具鋼，例如材SKS3鋼、H13模具鋼、T8A鋼等質(zhì)。使用這些鋼材的時(shí)候，必須進(jìn)行淬火處理，以此來增強(qiáng)其硬度和耐磨性能。
（4-2）成型零部件材料選用
成型零部件指與塑料直接接觸而成型制品的模具零部件，如型腔、型芯、滑塊、鑲件、斜頂?shù)?。成型零部件的材質(zhì)直接關(guān)系到模具的質(zhì)量、壽命，決定著所成型塑料制品的外觀及內(nèi)在質(zhì)量，必須十分慎重，一般要在合同規(guī)定及客戶要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)制品和模具的要求及特點(diǎn)選用。
（4-2-1）塑料模具材料選用原則
成型零部件材料的選用原則是：根據(jù)所成型塑料的種類、制品的形狀、尺寸精度、制品的外觀質(zhì)量及使用要求、生產(chǎn)批量大小等，兼顧材料的切削、拋光、焊接、蝕紋、變形、耐磨等各項(xiàng)性能，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性以及模具的制造條件和加工方法，以選用不同類型的鋼材。
（4-2-2）透明塑料制品模具材料的選用
在制作透明塑料制品的模具選材方面，可以根據(jù)透明度以及表面平整度的需求分成兩大類。采用SPI-A1標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分不同的材料選擇策略：
（a）對于表面平整度要求不太嚴(yán)格以及允許有沙孔雜質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)品時(shí)，選擇適用的材料就會(huì)相對靈活。在這種情況下，模具的型腔（母模）和型芯（公模）都應(yīng)該選用能夠達(dá)到鏡面拋光效果的鋼材。一個(gè)典型的選擇是使用NAK80預(yù)硬鋼或者具有相同規(guī)格的鋼材，這類材料的好處是不需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理，可以直接使用。
（b）對于那些對透明度有著極高要求的產(chǎn)品，材料的選擇就顯得更加嚴(yán)格。在這種情況下，推薦使用S136高鏡面拋光鋼材或者具有同等性能的鋼材。這種材料在粗加工之后，需要進(jìn)行真空淬火和回火處理以達(dá)到最佳的物理性能，其硬度一般會(huì)落在45~52HRC之間。
這兩種不同的選材方式，反映了在透明塑料制品制造過程中，對材料性能的不同需求。選擇合適的鋼材，不僅能夠滿足產(chǎn)品的透明度要求，同時(shí)也能保證模具的耐用性和加工效率。
（4-2-3）高品質(zhì)塑料制品模具材料的選用
針對那些對于外觀質(zhì)量有高度要求，采用SPI-A1標(biāo)準(zhǔn)來界定選材標(biāo)準(zhǔn)，具體的材料選擇原則如下所示：
（a）型腔（母模）選用具有良好鏡面拋光能力的鋼材。典型的選擇是使用NAK80模具鋼（或其他相同規(guī)格的鋼材），這類材料的好處是不需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理，可以直接使用。而型芯（公模）則可以使用性能介于中低等級的P20模具鋼或P20+Ni系列鋼材，這些鋼材同樣是預(yù)硬化的。我們德松模具鋼有一家客戶是模具廠，他們的型腔（母模）是采用了NAK80模具鋼，而型芯（公模）則使用了DAC模具鋼。
（b）對于那些外觀質(zhì)量要求極為嚴(yán)苛的產(chǎn)品，其表面質(zhì)感需達(dá)到或超過SPI-A1以上的標(biāo)準(zhǔn)，這就需要采用M333模具鋼（或同等規(guī)格的鋼材）進(jìn)行高鏡面拋光處理。在粗加工完成后，這類鋼材還必須經(jīng)過真空淬火和回火處理，以達(dá)到一般硬度范圍45-52HRC。對于型芯（公模），可以考慮使用136系列的非高鏡面鋼材作為材料。
★參考文章【SPI標(biāo)準(zhǔn)及拋光工藝】
★參考文章【模具拋光的方法及檢驗(yàn)規(guī)范】
（4-2-4）一般塑料制品模具材料的選用
對于制品外觀質(zhì)量要求一般的模具，模具選材方面以P20或P20+Ni類鋼材為代表，其成型零部件材料選擇如下：
（a）大中型模具，型腔和型芯可選用P20模具鋼或P20+Ni類鋼材。
（4-2-5）內(nèi)部結(jié)構(gòu)件模具材料的選用
對無外觀質(zhì)量要求的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，成型材料對鋼材亦無特殊要求的模具，其成型零部件材料選擇如下：
（a）對于大中型模具，型腔（母模）可選用P20或P20+Ni類鋼材；型芯（公模）的選用也是相同。
（b）對于小型模具，若產(chǎn)量較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，型腔（母模）可選用P20或P20+Ni類鋼材；型芯（公模）的選用也是相同。
（4-2-6）耐蝕鋼模具材料的選用
在射出成型過程中，當(dāng)面對含有氟、氯等腐蝕性成分或添加了阻燃劑的塑料材料時(shí)，模具的材質(zhì)選擇顯得尤其重要。特別是對于那些對產(chǎn)品質(zhì)量有較高要求的場合，選擇耐蝕鋼作為模具材料成為了一個(gè)不可或缺的條件。
耐蝕鋼具有優(yōu)異的抗化學(xué)侵蝕能力，能夠有效抵抗含氟、氯等元素的腐蝕作用，這些元素通常會(huì)對一般的鋼材造成嚴(yán)重?fù)p害，影響模具的壽命及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在涉及這些特定化學(xué)物質(zhì)的塑料成型過程中，使用耐蝕鋼材來制作模具，不僅可以延長模具的使用壽命，還能保證產(chǎn)品的高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
（4-2-7）摩擦沖擊模具材料的選用
對于那些在成型過程中對金屬材料造成較大摩擦和沖擊的塑料材料，比如[尼龍+玻璃纖維塑料]的模具，需要選擇既耐磨又具備高抗拉強(qiáng)度和韌性的鋼材。最具代表性的是SKD61模具鋼，但它耐磨性強(qiáng)，但不具備防腐蝕的特性。
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