模具(卷名：机械工程)
die and mould
在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。模具具有特定的轮廓或内腔形状，应用具有刃口的轮廓形状可以使坯料按轮廓线形状发生分离，即进行冲裁。应用内腔形状可以使坯料获得相应的立体形状。模具一般分为两个部分：动模和定模，或凸模和凹模。它们可分可合。分开时装入坯料或取出制件，合拢时使制件与坯料分离或成形。在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、压制和压塑过程中，分离或成形所需的外力通过模具施加在坯料上。在挤压、压铸和注塑过程中，外力则由气压、柱塞、冲头等，施加在坯料上。模具承受的是坯料的胀力。模具除其本身外，还需要模座、模架、导向装置和制件顶出装置等，这些部件一般都制成通用型，适用于一定范围的不同模具。
模具的应用极为广泛。大量生产的机电产品，如汽车、自行车、缝纫机、照相机、电机、电器、仪表等，以及日用器具的制造都应用大量模具。模具基本上是单件生产的，其形状复杂，对结构强度、刚度、表面硬度、表面粗糙度和加工精度都有很高的要求，所以模具生产需要有很高的技术水平。模具的及时供应及其质量直接影响产品的质量、成本和新产品研制。模具生产的发展水平是机械制造水平的重要标志之一。
分类 加工金属的模具按所采用的加工工艺分类，常用的有:冲压模，包括冲裁模、弯曲模、拉深模、翻孔模、缩孔模、起伏模、胀形模、整形模等;锻模，包括模锻用锻模、镦锻模等；以及挤压模和压铸模。用于加工非金属和粉末冶金的模具则按加工对象命名和分类，有塑料模、橡胶模和粉末冶金模等。
冲压模 用于板料冲压成形和分离的模具。成形用的模具有型腔，分离用的模具有刃口。最常用的冲压模只有一个工位，完成一道生产工序。这种模具应用普遍，结构简单，制造容易，但生产效率低。为提高生产率，可将多道冲压工序，如落料、拉深、冲孔、切边等安排在一个模具上，使坯料在一个工位上完成多道冲压工序，这种模具称为复合模。另有将落料、弯曲、拉深、冲孔和切边等多工序安排在一个模具的不同工位上。在冲压过程中坯料依次通过多工位被连续冲压成形，至最后工位成为制件，这种模具称为级进模，又称连续模。已有的20工位、30工位的级进模，从卷料开卷、校平、冲压，直至将制件排出和叠装，已全部实现自动化，生产率获得大幅度提高。图1是电机定、转子硅钢片冲裁的6工位级进模。第1工位冲导正销孔、轴孔、键槽各两个，第2工位冲转子轴孔、22个转子槽孔，第3工位冲24个定子槽孔，第4工位转子片落料，第5工位空位，第6工位定子片落料，废料切断。
冲压模的特点是：精度高，尺寸准确，有些冲裁模的凸模与凹模的间隙近于0；冲压速度快，每分钟冲压数十次至上千次；模具寿命长，有些硅钢片冲裁模寿命在几百万次以上。
锻模 用于热态金属模锻成形的模具。模锻时，坯料往往经过多次变形才能制成锻件，这就需要在一个模块上刻有几个型腔（图2）。金属依次送至各个型腔，并在型腔内塑性流动，最后充满型腔制成锻件。在模锻成形中，坯料很难与终锻时型腔体积相等，为了避免废品，坯料选用稍大一些。为此，在终锻模的上、下模分界面的型腔四周设有飞边槽，以存贮多余的金属，成形后将飞边切去。型腔中应尽量减少尖角、深槽，以利于金属塑性流动和充填，减少模具磨损和开裂，提高模具寿命。
锻模的技术特点是:有多个形式复杂的型腔;工作条件恶劣，1000℃以上炽红的钢在模具型腔内变形和流动冲刷;模具要承受锻锤的高速冲击或重负载的压下;在使用过程中常处于急冷、急热和冷热交变状态。因此，模具材料应具有很高的强度、韧性和耐磨性，热锻时还须有高的温度强度和硬度，并经过强韧化热处理。
挤压模 用于将金属挤压成形的模具。正挤压模有一个静止的凹模和放置坯料的挤压筒和对坯料施加压力的冲头。挤压空心件时，冲头前端带有芯棒。反挤压模的挤压筒为凹模，冲头成为凸模。金属需要在很大的压强下才能从凹模挤出成形，在冷态下所需压强可高达2000千牛／毫米2（200千克／毫米2）以上。为此，挤压筒和反挤压的凹模需要有很高的强度，常采用多层预应力组合结构（图3）。冲头和凸模的工作长度宜短，避免在高的压应力下发生不稳和弯曲。
压铸模 安装在压铸机上，液态金属在高压下注入型腔、保压至金属凝固和成形的模具。它主要用于铝、锌、铜件，也可用于钢件。压铸模的结构与塑料注射模类似。它由动模与定模构成型腔，用型芯形成铸件的孔腔。金属在型腔内冷却、凝固后抽出型芯，分开模具，由顶杆推出铸件。
压铸件一般壁薄中空，有众多台、筋，形状结构复杂，尺寸要求较精确，表面较光洁，金属在熔融的高温下成形。因此压铸模需要采用耐高温的材料制造。
塑料模 用于塑料成形的模具。随着塑料工业的发展，塑料模需求量日益增多，其产量已占各类模具产量的首位。常用的塑料模有注射模、压塑模和挤塑模。
①注射模：主要用于热塑性塑料制品的成形，也可用于热固性塑料制品的成形。模具分为动模与定模，注射时动模与定模闭合，构成型腔和浇注系统。融熔态的热塑性塑料通过浇注系统充满温度较低的型腔，经短时间保压、冷却后固化成形。开模时动模与定模分离，由推杆将制品顶出（图4）。
②压塑模：用于热固性塑料制品的成形。将经预热的塑料粉加入热的型腔内，经闭模、加压、加热（一般近180℃），塑料逐渐软化、熔融，充满型腔，最后固化成形。
③挤塑模：用于热固性塑料成形或封装电器元件等。加料和成形前先闭模，然后将塑料粉放入加料室内加热，成为融熔状态，再在压力作用下通过注射系统以高速挤入型腔内硬化成型。挤塑模适用于嵌件较多和精度较高、形状复杂的制品。
塑料模工作时，所承受的压力、温度都不高，但制件数量很大，表面要求特别光洁。为此，模具材料可选用预淬硬钢，即先对模具进行热处理，达到一定硬度后再进行切削加工，以防止热处理后变形，最后再进行抛磨加工，以提高表面质量。
橡胶模 用于轮胎、汽车蓄电池壳、鞋底等橡胶产品成形的模具。一般是将橡胶材料夹入模具内，经蒸汽加热成形。也有与塑料注射模相似的橡胶注射模。
粉末冶金模 将固体金属粉末压制成形的模具。将金属粉末定量地倒入下模，然后上模压下、闭合、成形，再用顶料装置顶出预制坯。将预制坯送入烧结炉内烧结，遂制成粉末冶金零件。
一般粉末冶金件的空隙很大，占总体积的15％左右，成形压力不大，模具结构较简单，精度、表面粗糙度要求一般，所以对模具无特殊要求。为了减少空隙、提高密度和强度，对烧结后的坯件，再进行一次热锻，通称粉末锻造。所用的模具与模锻模相似。
模具设计 对模具的要求是：尺寸精确、表面光洁；结构合理、生产效率高、易于自动化；制造容易、寿命高、成本低；设计符合工艺需要，经济合理。
模具结构设计和参数选择须考虑刚性、导向性、卸料机构、定位方法、间隙大小等因素。模具上的易损件应容易更换。对于塑料模和压铸模，还需要考虑合理的浇注系统、熔融塑料或金属流动状态、进入型腔的位置与方向。为了提高生产率、减少流道浇注损失，可采用多型腔模具，在一模具内能同时完成多个相同或不同的制品。在大批量生产中应采用高效率、高精度、高寿命的模具。冲压模应采用多工位级进模，可采用硬质合金镶块级进模，以提高寿命。在小批量生产和新产品试制中，应采用结构简单、制造快、成本低的简易模具，如组合冲模、薄板冲模、聚氨酯橡胶模、低熔点合金模、锌合金模、超塑性合金模等。
模具已开始采用计算机辅助设计(CAD)，即通过以计算机为中心的一整套系统对模具进行最优化设计。这是模具设计的发展方向。
模具制造 按结构特点，模具分为平面的冲裁模和具有空间的型腔模。冲裁模利用凸模与凹模的尺寸精确配合，有的甚至是无间隙配合。其他锻模如冷挤压模、压铸模、粉末冶金模、塑料模、橡胶模等都属于型腔模，用于成形立体形状的工件。型腔模在长、宽、高 3个方向都有尺寸要求，形状复杂，制造困难。模具生产一般为单件、小批生产，制造要求严格、精确，多采用精密的加工设备和测量装置。
平面冲裁模可用电火花加工初成形，再用成形磨削，坐标磨削等方法进一步提高精度。成形磨削可用光学投影曲线磨床，或带有缩仿、修打砂轮机构的平面磨床，也可在精密平面磨床上采用专用成形磨削工具磨削。坐标磨床可用于模具的精密定位，以保证精密孔径和孔距。也可用计算机数控 (CNC)连续轨迹坐标磨床磨削任何曲线形状的凸模和凹模。
型腔模多用仿形铣床加工、电火花加工和电解加工。将仿形铣加工与数控联合应用和在电火花加工中增加三向平动头装置，都可提高型腔的加工质量。电解加工中增加充气电解可提高生产效率。
计算机数控多轴铣床加工、坐标磨削和加工中心机床，是型腔模加工的重要设备。型腔的表面研磨和抛光一般采用电动或风动工具，配以各种研磨、抛光轮和研磨膏粉，也可采用超声波研磨、挤压珩磨、化学抛光等方法。三坐标测量机和光学投影比较仪是模具制造中常用的精密测量设备。
模具寿命 模具是精密工具，价格昂贵，必须尽量提高使用寿命。模具的正常失效形式主要有磨损、塌陷、断裂、粘合等。不同用途的模具失效形式也各不相同。提高模具寿命的途径主要是根据应用条件合理选用模具钢和确定热处理规范。选用在使用温度下强度高的材料可防止塌陷。提高模具硬度可以减少磨损。较高的韧性和抗疲劳性能以及消除电加工的硬化层及加工残余应力，可以阻碍裂纹的产生和发展，防止裂断。表面处理，润滑和选用抗粘合性能好的模具材料，是延长模具寿命的重要措施。模具工作表面和基体的要求差异很大，很难用一种材料完全合理地满足，但可以在工作部位用镶块、堆焊、喷镀和局部强化的办法提高其综合性能。此外，合理的操作使用，是消除非正常失效、减缓正常失效的另一途径。
参考书目
万战胜等编：《冲压模具设计》，中国铁道出版社，北京，1983。