模具设计时对模具钢材的选择技巧
时间:2024-11-18 11:33来源:德松官网 作者:德松模具钢
成本考察对公司或采购部门来说都是优先事项，尤其在模具报价时更是如此。因此，在进行DFM检讨时，报告中必须清楚写明一些特殊条件，以防万一出现问题，避免影响到你自己。
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1.塑料模具材料选择
塑料模具是塑料制品制造过程中的核心工具。它们必须能够精确地形成产品的形状、尺寸和纹理，同时承受高温和压力的作用。塑料模具的基本要求包括高精度、良好的耐磨性、足够的强度和韧性，以及优异的热稳定性。根据制造过程的不同，塑料模具可以分为多种类型，如塑料射出模具、热压成型模具、压缩成型模具等。每种模具类型都有其独特的设计和性能要求，这直接影响到钢材的选择。
如果工作配合的供应商是中国国内的厂商，在与厂商进行DFM检讨过程中，可能会注意到这些供应商使用的钢材名称与大陆以外地区所用的有所不同，这主要原因是因为中国模具市场大，当地材料商会开发同类替代钢材来降低成本，例如某种材料可以替代S136钢或718模具钢等。对于这种情况，我通常持开放态度。我关心的是，只要使用的材料能够满足公司的产品需求和质量要求，且不会引起任何问题，使用何种替代材料我都不会介入。毕竟，成本考察对公司或采购部门来说都是优先事项，尤其在模具报价时更是如此。因此，在进行DFM检讨时，报告中必须清楚写明一些特殊条件，以防万一出现问题，避免影响到你自己。
2.模具的分类
为了便于模具材料的选用，通常根据工作条件将模具分为冷作模具、热作模具和型腔模具三大类。
（2-1）冷作模具
根据工艺特点，可将冷作模具分为冷冲裁模具和冷变形模具两类。冷冲裁模具主要包括各种薄板冲裁模具和厚板冷冲裁模具。冷变形模具主要包括各种冷挤压模具、冷镦模具模具、冷拉伸模具和冷弯曲模具等，主要材料有SKD11模具钢和DC53模具钢等。
（2-2）热作模具
热作模具可分为热冲切模具、热变形模具和压铸模具三类。热冲切模具包括各种热切边模具和热切料模具。热变形模具包括各种锤锻模具、压力机锻模具和热挤压模具。压铸模具包括各种铝合金压铸模具、铜合金压铸模具及黑色金属（钢、铁等）压铸模具等。
（2-3）型腔模具
3.射出成型模具材料使用性能的考察
一般情况下，应根据模具加工能力和模具的服役条件，结合模具材料的性能和其他因素，来选择符合要求的模具材料。对于某一种类的模具，很多材料从基本性能上看都能符合要求，然而必须根据所制成模具的使用寿命、生产率、模具制造工艺的难易程度及成本高低来做出综合评价，这就必须同时考虑模具材料的使用性能、工艺性能和生产成本等因素。
各种模具的服役条件不同，对模具材料的性能要求也不相同。模具设计人员常要根据模具的服役条件和使用寿命要求，合理的选用模具材料及热处理工艺，使之达到主要性能最优，而其他性能损失最小的最佳状态。对各种类模具材料提出的性能要求主要包括硬度、强度、塑性、韧性等。
（3-1）材料的强度和硬度
在模具设计中，材料的强度和硬度是最基本的考虑因素之一。模具需要承受来自外界的压力和冲击，因此模具在应力的作用下，应能保持其形状和尺寸不变，必须具有足够的强度来抵抗这些力量。
（3-2）材料的高耐磨性
为了增加塑件的刚性和机械性能，在塑料配方中广泛使用玻纤，无机填料来增强，在加入了这些添加剂后，它们和熔料一起高速进入模具型腔，对模具内腔的摩擦极大，若该模具材料不耐磨，很易使型腔受到过度磨损，因此，制作这类模具的材料尤应有较好的耐磨性。
（3-3）材料的耐腐蚀性
在一些特殊的工作环境中，模具可能会受到腐蚀的影响，因此材料的耐腐蚀性也是需要考虑的因素之一。例如，在一些化学工业中，模具可能会接触到酸性或碱性塑料材料或物质，这就要求模具材料具有较好的耐腐蚀性，以保证模具的使用寿命和性能。
很多塑料的添加剂，如阻燃剂等，甚至熔料本身的化学作用都会腐蚀模具型腔。当塑料原料中混有含磨料的填充剂和增强材料时，更易加剧模具的损坏，对此，最好使用耐蚀钢，或对模具进行表面电镀处理，镀铬或镀镍。
（3-4）材料的导热性和导电性
在一些需要进行热处理或电加热的模具设计中，材料的导热性和导电性也是需要考虑的因素。良好的导热性可以保证模具在加热过程中温度的均匀分布，从而提高加工效率和产品品质。而导电性则可以保证电加热的效果和稳定性。
在射出成型时，良好的模温控制对塑件质量影响很大，特别是在加工半结晶性热塑性塑料时更显重要。通常，铜合金比合金钢的导热性要好得多，但它的弹性模量、硬度和耐用度较低。钢材的导热性不足可用冷却系统来补偿。
（3-5）良好的尺寸稳定性
射出模在成型操作时，模具型腔的温度要达到300℃以上，温差这么大，易使型腔结构产生微观变化，从而造成模具尺寸变化，使得塑件尺寸不稳定，为此，可选用适当回火处理的工具钢，即热处理钢。为了提高硬度和耐磨性，一般对模具都要进行热处理。但应使这种热处理对模具的尺寸影响最小，可采用能切削加工的预硬化钢，这种钢材在机械加工后无需热处理。
（3-6）材料的加工性能
模具零件多为金属材料制成，有的结构形状还很复杂，为了缩短生产周期、提高效率，要求模具材料易于加工成图纸所要求的形状和精度。
材料的加工性能也是需要考虑的因素之一。不同的模具设计可能需要进行不同的加工工艺，例如铣削、车削、磨削等。因此，选择具有良好加工性能的材料可以提高模具的加工效率和质量，并降低生产成本。
（3-7）材料的成本
最后，材料的成本也是需要考虑的因素之一。不同的材料价格不同，而且随着市场供需的变化，价格也可能会有所波动。因此，在进行模具设计时，需要综合考虑材料的性能和成本，以找到一个性价比最高的材料。
综上所述，模具设计中的材料选择是一个复杂而重要的问题。设计师需要综合考虑材料的强度、硬度、耐腐蚀性、导热性、导电性、加工性能和成本等因素，以找到一个最合适的材料。只有选择合适的材料，才能保证模具的寿命、精度和成本的最优化。因此，对于模具设计师来说，掌握材料选择技巧是非常重要的。通过不断学习和实践，设计师可以不断提高自己的技术水准。
4.射出成型模具钢材的分类
（4-1）非成型零部件材料选用
（4-1-1）模座材质
在参照模座（模架）标准的前提下一般会选择S50C（50钢），在国内，除了上述材料外，也会使用SM45作为模座（架）材料。这些材料需具备180 HB至240 HB的布氏硬度，确保硬度分布均匀并且内部应力较小，这样可以降低材料变形的风险。至于导柱的材质，通常使用GCr15钢、SUJ2钢，其硬度需达到56~ HRC的洛氏硬度。同时，导套、推板导柱、推板导套等材质也可以是GCr15或SUJ2，硬度同样为56-62HRC。
（4-1-2）模具中的结构用件
在模具的常规结构部件中，像是顶出定位圈、支撑柱、顶出限位块和锁模组件等，由于对硬度和耐磨性没有特殊的要求，一般可以选用S45C钢。
（4-1-3）需要高强度的模具结构用件
在模具制造中，对于那些对硬度、强度和耐磨性有较高要求的部件，如浇口套、楔紧块、耐磨块和滑块压板等，建议选用碳素工具钢或高品质碳素工具钢，例如材SKS3钢、H13模具钢、T8A钢等质。使用这些钢材的时候，必须进行淬火处理，以此来增强其硬度和耐磨性能。
（4-2）成型零部件材料选用
成型零部件指与塑料直接接触而成型制品的模具零部件，如型腔、型芯、滑块、镶件、斜顶等。成型零部件的材质直接关系到模具的质量、寿命，决定着所成型塑料制品的外观及内在质量，必须十分慎重，一般要在合同规定及客户要求的基础上，根据制品和模具的要求及特点选用。
（4-2-1）塑料模具材料选用原则
成型零部件材料的选用原则是：根据所成型塑料的种类、制品的形状、尺寸精度、制品的外观质量及使用要求、生产批量大小等，兼顾材料的切削、抛光、焊接、蚀纹、变形、耐磨等各项性能，同时考虑经济性以及模具的制造条件和加工方法，以选用不同类型的钢材。
（4-2-2）透明塑料制品模具材料的选用
在制作透明塑料制品的模具选材方面，可以根据透明度以及表面平整度的需求分成两大类。采用SPI-A1标准来区分不同的材料选择策略：
（a）对于表面平整度要求不太严格以及允许有沙孔杂质点的产品时，选择适用的材料就会相对灵活。在这种情况下，模具的型腔（母模）和型芯（公模）都应该选用能够达到镜面抛光效果的钢材。一个典型的选择是使用NAK80预硬钢或者具有相同规格的钢材，这类材料的好处是不需要进行后续的热处理，可以直接使用。
（b）对于那些对透明度有着极高要求的产品，材料的选择就显得更加严格。在这种情况下，推荐使用S136高镜面抛光钢材或者具有同等性能的钢材。这种材料在粗加工之后，需要进行真空淬火和回火处理以达到最佳的物理性能，其硬度一般会落在45~52HRC之间。
这两种不同的选材方式，反映了在透明塑料制品制造过程中，对材料性能的不同需求。选择合适的钢材，不仅能够满足产品的透明度要求，同时也能保证模具的耐用性和加工效率。
（4-2-3）高品质塑料制品模具材料的选用
针对那些对于外观质量有高度要求，采用SPI-A1标准来界定选材标准，具体的材料选择原则如下所示：
（a）型腔（母模）选用具有良好镜面抛光能力的钢材。典型的选择是使用NAK80模具钢（或其他相同规格的钢材），这类材料的好处是不需要进行后续的热处理，可以直接使用。而型芯（公模）则可以使用性能介于中低等级的P20模具钢或P20+Ni系列钢材，这些钢材同样是预硬化的。我们德松模具钢有一家客户是模具厂，他们的型腔（母模）是采用了NAK80模具钢，而型芯（公模）则使用了DAC模具钢。
（b）对于那些外观质量要求极为严苛的产品，其表面质感需达到或超过SPI-A1以上的标准，这就需要采用M333模具钢（或同等规格的钢材）进行高镜面抛光处理。在粗加工完成后，这类钢材还必须经过真空淬火和回火处理，以达到一般硬度范围45-52HRC。对于型芯（公模），可以考虑使用136系列的非高镜面钢材作为材料。
★参考文章【SPI标准及抛光工艺】
★参考文章【模具抛光的方法及检验规范】
（4-2-4）一般塑料制品模具材料的选用
对于制品外观质量要求一般的模具，模具选材方面以P20或P20+Ni类钢材为代表，其成型零部件材料选择如下：
（a）大中型模具，型腔和型芯可选用P20模具钢或P20+Ni类钢材。
（4-2-5）内部结构件模具材料的选用
对无外观质量要求的内部结构件，成型材料对钢材亦无特殊要求的模具，其成型零部件材料选择如下：
（a）对于大中型模具，型腔（母模）可选用P20或P20+Ni类钢材；型芯（公模）的选用也是相同。
（b）对于小型模具，若产量较高，结构较复杂，型腔（母模）可选用P20或P20+Ni类钢材；型芯（公模）的选用也是相同。
（4-2-6）耐蚀钢模具材料的选用
在射出成型过程中，当面对含有氟、氯等腐蚀性成分或添加了阻燃剂的塑料材料时，模具的材质选择显得尤其重要。特别是对于那些对产品质量有较高要求的场合，选择耐蚀钢作为模具材料成为了一个不可或缺的条件。
耐蚀钢具有优异的抗化学侵蚀能力，能够有效抵抗含氟、氯等元素的腐蚀作用，这些元素通常会对一般的钢材造成严重损害，影响模具的寿命及最终产品的质量。因此，在涉及这些特定化学物质的塑料成型过程中，使用耐蚀钢材来制作模具，不仅可以延长模具的使用寿命，还能保证产品的高品质标准。
（4-2-7）摩擦冲击模具材料的选用
对于那些在成型过程中对金属材料造成较大摩擦和冲击的塑料材料，比如[尼龙+玻璃纤维塑料]的模具，需要选择既耐磨又具备高抗拉强度和韧性的钢材。最具代表性的是SKD61模具钢，但它耐磨性强，但不具备防腐蚀的特性。
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