【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 末冶金模用于粉末成型，按成型工藝分類粉末冶金模有：壓模，精整模，復(fù)壓模，熱壓模，粉漿澆注模，松裝燒結(jié)模等。模具所涉及的工藝繁多，包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造，塑料，橡膠加工，金屬材料，鑄造（凝固理論） ，塑性加工，玻璃等諸多學(xué)科和行業(yè)，是一個(gè)多學(xué)科的綜合，其復(fù)雜程度顯而易見(jiàn)。自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)逐漸起飛，也為模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的動(dòng)力。20 世紀(jì) 90 年代以后，大陸的工業(yè)發(fā)展十分迅速，模具工業(yè)的總產(chǎn)值在 1990 年僅 60 億元人民幣，1994 年增長(zhǎng)到 130 億元人民幣，1999 年已達(dá)到 245 億元人民幣，2022 年增至 260~270 億元人民幣。今后預(yù)計(jì)每年仍會(huì)以10℅~15℅的速度快速增長(zhǎng)。目前，我國(guó) 17000 多個(gè)模具生產(chǎn)廠點(diǎn)，從業(yè)人數(shù)五十多萬(wàn)。除了國(guó)有的專業(yè)模具廠外，其他所有制形式的模具廠家，包括集體企業(yè)，合資企業(yè)，獨(dú)資企業(yè)和私營(yíng)企業(yè)等，都得到了快速發(fā)展。其中，集體和私營(yíng)的模具企業(yè)在廣東和浙江等省發(fā)展得最為迅速。例如，浙江寧波和黃巖地區(qū)，從事模具制造的集體企業(yè)和私營(yíng)企業(yè)多達(dá)數(shù)千家，成為我國(guó)國(guó)內(nèi)知名的“ 模具之鄉(xiāng)” 和最具發(fā)展活力的地區(qū)之一。在廣東，一些大集團(tuán)公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，為了提高其產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，紛紛加入了對(duì)模具制造的投入。例如，科龍，美的，康佳和威力等知名集團(tuán)都建立了自己的模具制造中心。中外合資和外商獨(dú)資的模具企業(yè)則多集中于沿海工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，現(xiàn)已有幾千家。在模具工業(yè)的總產(chǎn)值中，企業(yè)自產(chǎn)自用的約占三分之二，作為商品銷售的約占三分之一。其中，沖壓模具約占 50℅（中國(guó)臺(tái)灣：40℅ ） ，塑料模具約占33℅（中國(guó)臺(tái)灣：48℅） ，壓鑄模具約占 6℅（中國(guó)臺(tái)灣： 5℅） ，其他各類模具約占 11（中國(guó)臺(tái)灣：7℅） 。中國(guó)臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)，分為萌芽期（1961―1981） ，成長(zhǎng)期（1981―1991） ，成熟期（1991―2022）三個(gè)階段。萌芽期，工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備與技術(shù)的不斷改進(jìn)。由于紡織，電子，電氣，電機(jī)和機(jī)械業(yè)等產(chǎn)品外銷表現(xiàn)暢旺，連帶使得模具制造，維修業(yè)者和周邊廠商（如熱處理產(chǎn)業(yè)等）逐年增加。在此階段的模具包括：一般民生用品模具，鑄造用模具，鍛造用模具，木模，玻璃，陶瓷用模具，以及橡膠模具等。1981 年―1991 年是臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為迅速且高度成長(zhǎng)的時(shí)期。有鑒于模具產(chǎn)業(yè)對(duì)工業(yè)發(fā)展的重要性日益彰顯，自 1982 年起，臺(tái)灣地區(qū)就將模具產(chǎn)業(yè)納入“策略性工業(yè)適用范圍” ，大力推動(dòng)模具工業(yè)的發(fā)展，以配合相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的外銷策略，全力發(fā)展整體經(jīng)濟(jì)。隨著民生工業(yè)，機(jī)械五金業(yè)，汽機(jī)車及家電業(yè)發(fā)展，沖壓模具與塑料模具，逐漸形成臺(tái)灣模具工業(yè)兩大主流。從 1985 年起，模具產(chǎn)業(yè)已在推行計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)和制造等 CAD/CAM 技術(shù)，所以臺(tái)灣模具業(yè)接觸 CAD/CAM/CAE/CAT 技術(shù)的時(shí)間相當(dāng)早。成熟期，在國(guó)際化，自由化和國(guó)際分工的潮流下，1994 年，1998 年，由臺(tái)灣地區(qū)政府委托金屬中心執(zhí)行“工業(yè)用模具技術(shù)研究與發(fā)展五年計(jì)劃” 與“工業(yè)用模具技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展計(jì)劃”，以協(xié)助業(yè)界突破發(fā)展瓶頸，并支持產(chǎn)業(yè)升級(jí)，朝向開發(fā)高附加值與進(jìn)口依賴高的模具。1997 年 11 月間臺(tái)灣憑借模具產(chǎn)業(yè)的實(shí)力，獲得世界模具協(xié)會(huì)（ISTMA）認(rèn)同獲準(zhǔn)入會(huì)，正式成為世界模具協(xié)會(huì)會(huì)員。整體而言，臺(tái)灣模具產(chǎn)業(yè)在這一階段的發(fā)展，隨著機(jī)械性能，加工技術(shù)，檢測(cè)能力的提升，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，臺(tái)灣模具廠商供應(yīng)對(duì)象已由傳統(tǒng)的民用家電，五金業(yè)和汽機(jī)車運(yùn)輸工具業(yè)，提升到計(jì)算機(jī)與電子，通信與光電等精密模具，并發(fā)展出汽機(jī)車用大型鈑金沖壓，大型塑料射出及精密鍛造等模具。 沖壓工藝的分類及特點(diǎn)沖壓是靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀和尺寸的工件(沖壓件)的成形加工方法。5 / 44沖壓和鍛造同屬塑性加工(或稱壓力加工)，合稱鍛壓。沖壓的坯料主要是熱軋和冷軋的鋼板和鋼帶。全世界的鋼材中，有 60～70%是板材，其中大部分是經(jīng)過(guò)沖壓制成成品。汽車的車身、底盤、油箱、散熱器片，鍋爐的汽包、容器的殼體、電機(jī)、電器的鐵芯硅鋼片等都是沖壓加工的。儀器儀表、家用電器、自行車、辦公機(jī)械、生活器皿等產(chǎn)品中，也有大量沖壓件。 沖壓件與鑄件、鍛件相比，具有薄、勻、輕、強(qiáng)的特點(diǎn)。沖壓可制出其他方法難于制造的帶有加強(qiáng)筋、肋、起伏或翻邊的工件，以提高其剛性。由于采用精密模具，工件精度可達(dá)微米級(jí)，且重復(fù)精度高、規(guī)格一致，可以沖壓出孔窩、凸臺(tái)等。 冷沖壓件一般不再經(jīng)切削加工，或僅需要少量的切削加工。熱沖壓件精度和表面狀態(tài)低于冷沖壓件，但仍優(yōu)于鑄件、鍛件，切削加工量少。 沖壓是高效的生產(chǎn)方法，采用復(fù)合模，尤其是多工位級(jí)進(jìn)模，可在一臺(tái)壓力機(jī)上完成多道沖壓工序，實(shí)現(xiàn)由帶料開卷、矯平、沖裁到成形、精整的全自動(dòng)生產(chǎn)。生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，生產(chǎn)成本低，一般每分鐘可生產(chǎn)數(shù)百件。沖壓用材料與成形技術(shù)是沖壓加工過(guò)程的兩個(gè)重要組成部分。沖壓加工質(zhì)量不僅與沖壓工藝文案、模具結(jié)構(gòu)及制造精度有關(guān)，還受沖壓材料的直接影響而不同。為了生產(chǎn)高質(zhì)量沖壓制件，必須正確選用合適的沖壓材料。但實(shí)際上，沖壓用材料往往是根據(jù)其使用性能及其生產(chǎn)綱領(lǐng)所選定的，這時(shí)，則要求沖壓工藝方案和模具結(jié)構(gòu)必須與選定材料相適應(yīng)。因此，必須深入了解所用沖壓材料的成形性能，才能正確制定沖壓工藝方案并合理設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的沖壓模具。金屬板料的化學(xué)成分、組織對(duì)塑性加工的影響，如隨著含碳量增高，板料變硬變脆等。沖壓主要是按工藝分類，可分為分離工序和成形工序兩大類。分離工序也稱沖裁，其目的是使沖壓件沿一定輪廓線從板料上分離，同時(shí)保證分離斷面的質(zhì)量要求。成形工序的目的是使板料在不破坯的條件下發(fā)生塑性變形，制成所需形狀和尺寸的工件。在實(shí)際生產(chǎn)中，常常是多種工序綜合應(yīng)用于一個(gè)工件。沖裁、彎曲、剪切、拉深、脹形、旋壓、矯正是幾種主要的沖壓工藝。沖壓用板料的表面和內(nèi)在性能對(duì)沖壓成品的質(zhì)量影響很大，要求沖壓材料厚度精確、均勻；表面光潔，無(wú)斑、無(wú)疤、無(wú)擦傷、無(wú)表面裂紋等；屈服強(qiáng)度均勻，無(wú)明顯方向性；均勻延伸率高；屈強(qiáng)比低；加工硬化性低。在實(shí)際生產(chǎn)中，常用與沖壓過(guò)程近似的工藝性試驗(yàn)，如拉深性能試驗(yàn)、脹形性能試驗(yàn)等檢驗(yàn)材料的沖壓性能，以保證成品質(zhì)量和高的合格率。模具的精度和結(jié)構(gòu)直接影響沖壓件的成形和精度。模具制造成本和壽命則是影響沖壓件成本和質(zhì)量的重要因素。模具設(shè)計(jì)和制造需要較多的時(shí)間，這就延長(zhǎng)了新沖壓件的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。模座、模架、導(dǎo)向件的標(biāo)準(zhǔn)化和發(fā)展簡(jiǎn)易模具(供小批量生產(chǎn))、復(fù)合模、多工位級(jí)進(jìn)模( 供大量生產(chǎn))，以及研制快速換模裝置，可減少?zèng)_壓生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量和縮短準(zhǔn)備時(shí)間，能使適用于減少?zèng)_壓生產(chǎn)準(zhǔn)備工作量和縮短準(zhǔn)備時(shí)間，能使適用于大批量生產(chǎn)的先進(jìn)沖壓技術(shù)合理地應(yīng)用于小批量多品種生產(chǎn)。沖壓設(shè)備除了厚板用水壓機(jī)成形外，一般都采用機(jī)械壓力機(jī)。以現(xiàn)代高速多工位機(jī)械壓力機(jī)為中心，配置開卷、矯平、成品收集、輸送等機(jī)械以及模具庫(kù)和快速換模裝置，并利用計(jì)算機(jī)程序控制，可組成高生產(chǎn)率的自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線。 在每分鐘生產(chǎn)數(shù)十、數(shù)百件沖壓件的情況下，在短暫時(shí)間內(nèi)完成送料、沖壓、出件、排廢料等工序，常常發(fā)生人身、設(shè)備和質(zhì)量事故。因此，沖壓中的安全生產(chǎn)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。 設(shè)計(jì)研究方案由于鎂為密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下滑移系較少，塑性變形能力差，故在塑性加工時(shí)應(yīng)采用熱加工方式。鎂合金 AZ31 的沖壓也不能在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)室已成功的拉深鎂合金 AZ31 的易拉罐，壁厚為 ，在加熱 190 度時(shí)，拉深 70mm；加熱到 250 度時(shí)，拉深 75mm，這是鎂合金 AZ31 應(yīng)用于沖壓的一個(gè)成功的試驗(yàn)，通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)可以反求得到一組有關(guān)鎂合金 AZ31 沖壓性能的數(shù)據(jù)。筆記本電腦外殼屬于盒形件，本次設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)拉深過(guò)程，筆記本電腦外殼應(yīng)屬于低盒形件拉深。對(duì)于低盒形件，圓角部分的影響相對(duì)較小，圓角處的變形最大，所以防止起皺和拉裂是關(guān)鍵。通過(guò)分析筆記本電腦外殼的特性和對(duì)鎂合金 AZ31 性能的了解，初步確定工藝方案為：落料—拉深—沖孔—修邊。 本文的主要內(nèi)容1) 鎂合金的研究現(xiàn)狀；2) 沖壓件的工藝分析；3) 沖壓工藝規(guī)程的制定；4) 模具設(shè)計(jì)。7 / 44第 2 章 鎂合金的研究現(xiàn)狀鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。其具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性，同時(shí)性能良好，比強(qiáng)度和比剛度高，減震性好，切削加工和尺寸穩(wěn)定性佳，易回收，有利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21 世紀(jì)的綠色工程材料” 。在航空、汽車、電子等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。近年來(lái),鎂合金產(chǎn)量在全球的年增長(zhǎng)率高達(dá) 25％。在鎂合金材料中，大部分成品是采用鑄造的方法。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)相同的產(chǎn)品，其他材料可以使用塑性加工成型，而對(duì)于鎂合金在現(xiàn)有的水平下卻只能用鑄造的方法。鑄件由于鑄造缺陷的存在使其力學(xué)性能大打折扣。為了更廣泛地應(yīng)用鎂合金，利用各種變形方法來(lái)制造鎂合金部件成為鎂合金發(fā)展的一大趨勢(shì)。AZ31 鎂合金是目前應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表 21。表 21 鎂合金 AZ31B 化學(xué)成分元素 Mg Al Mn Zn Ca Cu成分% 余量 續(xù)表 21 鎂合金 AZ31B 化學(xué)成分元素 Ni Si Fe 其 他 雜 質(zhì)成分% AZ31 鎂合金中合金元素的作用合金元素影響鎂合金的力學(xué)物理、化學(xué)和工藝性能。大多數(shù)情況下，合金元素的作用與添加量有關(guān)，在固溶度范圍內(nèi)作用大小與添加量呈正比關(guān)系。鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料時(shí)，合金元素對(duì)加工性能的影響比對(duì)物理性能的影響重要得多。 Al 元素的影響Al 是鎂合金中最常用的合金元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化和形成沉淀析出相，提高鎂合金的強(qiáng)度和耐蝕性，降低合金的塑性。根據(jù) Mg Al 二元相圖，平衡結(jié)晶時(shí)，437 ℃發(fā)生共晶反應(yīng)：L→α（Mg）+β（Mg 17Al12） ，共晶點(diǎn) w (Al) 為%， Al 在 Mg 中的溶解度為 %。隨溫度下降溶解度降低，至 100 ℃降為 2%。 Zn 元素的影響Zn 在 Mg 中的最大溶解度為 %，隨溫度降低，其固溶度明顯減少，100 ℃時(shí)降為 2%以下。Zn 在 Mg 中的作用一方面表現(xiàn)為自身的固溶強(qiáng)化；另一方面，少量的 Zn 還可以增加 Al 在 Mg 中的固溶度，提高 Al 的固溶強(qiáng)化。 其他元素的影響Mn 通過(guò)除去鐵及其他重金屬元素避免其生成有害的晶間化合物來(lái)提高 AZ31 鎂合金的耐蝕性，此外，Mn 還可以細(xì)化晶粒，提高可焊性。Fe 是鎂合金中的有害元素，嚴(yán)重降低抗腐蝕性能，因此，在鎂合金中w(Fe)不得超過(guò) %。 AZ31 鎂合金的組織及性能按化學(xué)成分，AZ31 鎂合金屬于 Mg Al Zn 三元系，鑄態(tài)組織由 β 呈骨骼狀分布于 α 體枝晶間和晶界處的第二相 Mg17Al12。AZ31 鎂合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐蝕綜合性能，而且價(jià)格較低。AZ31 鎂合金主要通過(guò)軋制、擠壓和鍛造等變形方式加工成型，制成各類棒、桿、型材和管材。其典型的室溫力學(xué)性能見(jiàn)表 22。表 22 室溫力學(xué)性能表產(chǎn)品 狀態(tài)抗拉強(qiáng)度/MPa拉伸屈服強(qiáng)度 /MPa壓縮屈服強(qiáng)度 /MPa伸長(zhǎng)率 /%桿、棒及型材F 260 195~200 95~105 14~17管 F 250 165 85 12鎂合金在常溫下的塑性很低，因此不適于常溫下沖壓成形。本次設(shè)計(jì)將在200℃下進(jìn)行沖壓，鎂合金板材在 200℃下的力學(xué)性能如表 23 所示：表 23 鎂合金力學(xué)性能指標(biāo)（200℃） 材料 屈服強(qiáng)度 /MPa 抗拉強(qiáng)度 /MPa 屈強(qiáng)比9 / 44AZ31B 90 AZ31 鎂合金塑性加工技術(shù)嚴(yán)格控制熔煉鑄造工藝獲得高品質(zhì)鑄錠是確保鎂合金順利進(jìn)行塑性加工成形的基礎(chǔ)。對(duì)于合格的鑄錠可以采用擠壓、鍛造、軋制等一系列壓力加工手段進(jìn)行后續(xù)變形。這些壓力加工方法與鋁合金的加工方法類似，但鎂及鎂合金材料與其他金屬材料之間在塑性成形技術(shù)上最基本的區(qū)別在于變形需在一定的溫度下進(jìn)行。AZ31 具有較好的變形能力，可以采用多種變形方法。 擠壓技術(shù)近年來(lái)，擠壓工藝不斷改進(jìn)和完善，除了傳統(tǒng)的正反擠壓外，還出現(xiàn)了許多強(qiáng)化擠壓過(guò)程的新工藝和新方法，例如，冷擠壓、穿孔擠壓、潤(rùn)滑擠壓等。目前，對(duì) AZ31 鎂合金進(jìn)行等溫?cái)D壓的研究比較多。結(jié)果顯示：通過(guò)擠壓變形 AZ31 鎂合金的晶粒得到明顯的細(xì)化，顯著提高其強(qiáng)度、硬度和伸長(zhǎng)率。 鍛造技術(shù)由于鎂合金在溫度低于 200 ℃時(shí)容易發(fā)生脆性破裂，在高于 400 ℃很容易發(fā)生腐蝕氧化以及晶粒粗大化，且鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)很大，鍛造溫度范圍也窄。AZ31B 鍛件溫度 290～345 ℃、鍛模溫度 260～ 315 ℃鍛造出來(lái)的鍛件具有較好的力學(xué)性能。但到目前為止，對(duì)鎂合金鍛造工藝研究很少，精鍛工藝更少，發(fā)展較慢。 軋制技術(shù)鎂合金板材一般采用軋制成形的方法生產(chǎn)。溫度是鎂合金軋制過(guò)程中最重要的工藝參數(shù)。低溫軋制時(shí)，高的應(yīng)力集中可導(dǎo)致孿晶形核和切變斷裂；軋制溫度過(guò)高時(shí)，晶粒容易長(zhǎng)大而使板材熱脆傾向增大。鎂合金軋制時(shí)，溫度范圍一般為 225～450 ℃。在此溫度區(qū)間和中等應(yīng)變速率下，易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而是軋制性能得到明顯改善?，F(xiàn)今對(duì) AZ31 鎂合金的軋制方式很多，如，等徑角軋制、異步軋制等。這些軋制方式均能細(xì)化鎂合金晶粒，使組織均勻，力學(xué)性能提高。 超塑性成形技術(shù)由于鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性低，其軸比（c/a）值為 ，接近理想的密排值 ，可開動(dòng)的滑移系比面心立方和體心立方金屬的少，使得鎂合金的室溫塑性較低，降低了成形