（材料加工工程专业论文）基于cs的塑料模具材料数据库系统的开发与应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 2 0 世纪末，随着计算机、网络等技术的不断发展，计算技术也逐渐从集中式 环境向分布式环境发展。在众多分布式计算模式中，多层分布式c l i e n t s e r v e r 结构 模式已经越来越多的被应用在各种大型分布式应用系统的设计和开发中。本文利 用d e l p h i 支持c l i e n t s e r v e r 技术的特点，开发了一个不仅能为模具新材料的研制开 发提供某些原始依据，而且能为模具设计者和模具制造者提供必要技术支持的数 据库系统。 文中结合国内模具设计与制造现状，研究了模具材料及工艺性能的分类方法、 相关数据规范与组织的基本途径，根据在使用中模具材料的化学成分、热处理手 段不同，将其分为非合金、预硬化型、渗碳型、时效硬化型、耐腐蚀型、淬硬型 和非调制型7 种类型。并且总结了塑料模具材料选择的选材原则及影响因素，使 工程人员在选材过程中，可根据使用性能、工艺性能、经济性等选材原则，结合 考虑塑料种类、成型方法、生产批量、塑料复杂程度、尺寸精度及表面粗糙度等 具体因素，从可供选择的材料中选定最佳材料。 在塑料模具材料数据库系统开发过程中遵循实用性、先进性、可扩充性原则， 利用d e l p h i7 0 建立了一个基于c l i e n t s e r v e r 能系统地、有条理地、科学地储存和 管理模具材料种类、牌号、成分、物理性能、力学性能、主要性能用途、热处理 工艺等常用材料信息，包含模具选材、热处理工艺、数据库维护、用户管理和系 统帮助5 大模块，能实现按用途查询、按牌号查询、复合查询、按力学性能查询 和按生产批量查询，且易于扩充和维护的高性能开放性数据库应用系统。模具选 材模块中的精确查询、模糊查询、定量查询等功能可帮助用户方便快捷地找到所 需的材料，数据库维护模块中的数据插入、修改、删除等功能，使得数据库可对 相关材料信息进行实时更新。用户管理模块将用户分为管理员和一般用户，使数 据库的安全有了保障。开发的塑料模具材料数据库系统具有界面友好、操作简单、 查询直观准确和实用性较强的特点，该系统的应用有助于模具制造工作者合理选 择模具材料，在保证模具寿命的d u 提下， 关键词：塑料模具材料，数据库，选材， 尽量降低模具材料成本。 系统开发，c l i e n t s e r v e r ，d e l p h i7 0 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tt h ee n do f 舻c e n t u r y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n d n e t w o r k , c o m p u t i n ge n v i r o n m e n tw a st r e n d i n gt o w a r d sd i s t r i b u t e df r o mc e n t r a l i z i n g a m o n g t h e s em o d e s m u l t i t i e rd i s t r i b u t ec l i e n t s e r v e rs t r u c t u r em o d eh a sb e e nw i d e l y a d o p t e di nt h el a r g e s c a l ea p p l i c a t i o ns y s t e m sd e s i g na n de x p l o r a t i o n u s i n gt h e t e c h n o l o g yf e a t u r e so fd e l p h is u p p o r tc l i e n t s e r v e r , ad a t a b a s eh a sb e e nd e v e l o p e d t h a tc a np r o v i d es o m ei n i t i a ld a t af o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p i n go fa d v a n c e dm o l d m a t e r i a l sa n dt e c h n o l o g ys u p p o a i n gf o rm o l dd e s i g n e ra n dm a n u f a c t u r e r b a s e do nt h ep r e s e n ts t a t e so fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ei nd o m e s t i cm o u l di n d n s t r y , t h i sp a p e rh a di n v e s t i g a t e dt h ec l a s s i f ym e t h o d so fm o u l dm a t e r i a l sw i t ht h e i rp r o c e s s p l a na n dp e r f o r m a n c e , a sw e l la st h eb a s i cw a y so fs p e c i f y i n ga n do r g a n i z i n gr e l a t i v e d a t a a c c o r d i n gt od i v e r s i t yi nc h e m i c a lc o n s t i t u t i o na n dh e a tp r o c e s s i n go fm o u l d m a t e r i a lu n d e rw o r k i n g , i tw a sd i v i d e di n t os e v e nc l a s s e s ，i n c l u d i n gu n a l l o y e d ， p r e - h a r d e n i n g , e a s e - h a r d e n e d ，a g e - h a r d e n i n g , c o r r o s i o nr e s i s t a n t ，q u e n c h - h a r d e n i n ga n d n o nh a r d e n e da n dt e m p e r e d i na d d i t i o n , t h es e l e c ts u i t a b l em a t e r i a lp r i n c i p l e sa n d i n f l u e n c i n gf a c t o r so f p l a s t i cm o u l dm a t e r i a lw e r es u m m a r i z e d e n g i n e e rc o u l dt a k ei i i l o a c c o u n tt h ep r i n c i p l eo fs e r v i c ep e r f o r m a n c e ，p r o c e s s i n gp r o p e r t y e c o n o m i c a lp r o p e r t y a n ds oo n ，a n dc o n s i d e r a t et h es p e c i e s ，m o l d i n gm e t h o d s ，o u t p u to r d e r , c o m p l e x i t y , d i m e n s i o n a lp r e c i s i o n ，s u r f a c er o u g h n a s sa n ds oo n ，a n ds e l e c to p t i m u mm a t e r i a lf o r m s e l e c t a b l em a t e r i a le v e n t u a l l y i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f p l a s t i cm o u l dm a t e r i a ld a t a b a s es y s t e m ，t h ep r i n c i p l e o fp r a c t i c a b i l i t y , a d v a n c ea n de x p a n d a b i l i t yh a db e e na b i d e db y o nt h eb a s i so ft h i s ，a d a t a b a s ef o rm o u l dm a t e r i a l ，p r o c e s sp l a na n dp e r f o r m a n c ew a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e d a t ai n c l u d e ss p e c i e s ，t r a d e m a r k s ，c o m p o n e n t s ，p h y s i c a lp r o p e r t y ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , h e a tt r e a t m e n tm e t h o d s ，m a j o ra p p l i c a t i o n so ft h em a t e r i a l sa n ds oo n ，w h i c hw a ss t o r e d a n dm a n a g e ds y s t e m a t i c a l l ya n ds c i e n t i f i c a l l yb a s e do nc l i e n t s e r v e rs t m c t u r ea n d d e v e l o p e db yd e l p h i7 0s o f t w a r e i th a sf i v em o d u l e si n c l u d i n gs e l e c ts u i t a b l em a t e r i a l ， h e a tt r e a t m e n t ，d a t a b a s em a i n t e n a n c e ，u s e rm a n a g e m e n ta n ds y s t e m h e l p ah i g h n 江苏大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c ea n do p e n i n gd a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e dw h i c hd a t ag a l lb e s e a r c h e dc o n v e n i e n t l y , a n dt h es y s t e mc a nb ee x t e n d e da n dm a i n t a i n e de a s i l y f u r t h e r m o r e t h ed a t a b a s ec a np e r f o r mq u e r yo fm a j o ra p p l i c a t i o n , t r a d e m a r k , c o m p o u n d , m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，a n do u t p u to r d e r a c c u r a t eq u e r y , f u z z yq u e r ya n dq u a n t i t a t i v e q u e r yc o u l dh e l pu s e rf i n d i n gt h ei n f o r m a t i o ni nd e m a n de a s f l y t h ef u n c t i o n so fd a t a i n s e r t , m o d i f y a n dd e l e t em a k et h er e l a t i v ei n f o r m a t i o no fm a t e r i a lo fd a t a b a s ec a nb e u p d a t e dr e a lt i m e t h em o d u l eo fu s e rm a n a g e m e n tw a sd i v i d e di n t oa d m i n i s t r a t o ra n d g e n e r a lu s e rf o rs a f e t yo fd a t a t h ed e v e l o p e dp l a s t i cm 咖l dm a t e r i a ld a t a b a s es y s t e m h a st h ef e a t u r e sw h i c hi n t e r f a c ef r i e n d l y , o p e r a t i o ne a s i l y ，v i s u a la n da c c u r a t eq u e r y , a n dp r e f e r a b l ep r a c t i c a l i t y t h ea p p l i c a t i o no fp l a s t i cm o u l dm a t e r i a ld a t a b a s es y s t e m c o u l dh e l pm a n u f a c t u r e rt os e l e c tr e a s o n a b l em o u l dm a t e r i a la n dd e c r e a s ec o s tu n d e r a s s u r i n gt h es e r v i c el i f eo fm o u l d k e yw o r d s ：p l a s t i cm o u l dm a t e r i a l ，d a t a b a s e ，s e l e c ts u i t a b l em a t e r i a l ， d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n ss y s t e m s ，c l i e n t s e r v e r ，d e l p h i7 0 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中已注明引用的内容 以外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 江莶太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名：荔饬细生 签名日期：扣亏年伽乃雏f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江蒸太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权江蒸太堂可以将学位论文 的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文属于 保密口在年解密后适用本授权书 不保密函 学位论文作者签名：蒡够勿彩 签字日期：扣 年月呼日 导师签名 2 毋 签字日期纠年岬月z y 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 近年来，随着我国塑料工业的迅猛发展，塑料模具材料的需求量也急剧增加。 塑料成型模具由于结构复杂、尺寸精度高、加工难度大、价格相对比较昂贵，合 理地选择模具材料对保证模具质量和降低生产成本有着非常重要的影响n 棚塑 料模具材料的种类繁多、品种各异、每一种材料都有其不同的具体化学成分和各 种性能，而且材料的结构、性能还随着制各方式与处理工艺的不同而不同。由此 可见材料是一个复杂的多因素系统，所以选材过程是一个十分复杂的过程【4 ，卯 长期以来，模具工程师们在从事模具设计时除了依靠自己的经验外，主要是 通过人工查找手册的方式来选择合适的模具材料，这种选材方式不但工作量大而 且容易出错。随着计算机技术的飞速发展，将塑料模具材料信息放在网络上进行 数据共享，建立塑料模具材料数据库，实现对常用塑料模具材料等相关信息的动 态查询和更新，不但可提高查询速度，保持数据的最新和一致，而且还有利于模 具新材料、新工艺，新技术的推广应用。因此，有必要利用计算机强大的数据处 理能力和巨大的存储容量，建立一个系统地、条理地、科学地储存和管理模具材 料种类、牌号、成分、组织、性能、热处理方法及主要用途等信息，既能为模具 新材料的研制开发提供某些原始依据，又能为摸具设计者和模具制造者提供必要 技术支持的专业化、商品化的数据库平台就成为必要【6 l 。 与传统的选材方法相比，通过材料数据库选材具有如下优势1 5 】： ( 1 ) 快且准利用材料数据库选材，能按照用户的需求快速准确地查找到所需 的材料的相关信息。 ( 2 ) 全且易利用材料数据库进行选材避免了选材者四处查找手册的麻烦，一 个人机对话的、菜单式的数据系统，用户使用起来非常方便。 ( 3 ) 智且新利用材料数据库在得到最佳用材的同时，可以给出多种相近或相 似的可用推荐材料，让用户可以结合自己的实际情况进行必要的分析、判断、从 而得到最终选择，解决选材过程中答案的非惟一性问题。 模具材料数据库的建立将可快捷，全面地查阅模具材料信息，提高选材1 ：作效 江苏大学硕士学位论文 率，降低其工作强度，使其摆脱繁杂的文献查阅工作。 1 2 国内外研究现状及趋势 1 2 1 国外研究现状p - l l l 随着材料科学及电子计算机技术的发展，自7 0 年代始材料数据库在一些发 达国家相继建立，年代末逐步走向网络化和商业化，并在国民经济各领域发挥 日益重要的作用。为了推动科技数据库的发展，1 9 6 6 年在国际科学联合会( i c s u ) 领导下，设立了国际科技数据委员会( c o d a t a ) ，其中，材料数据分会是该委员 会中一个重要组成部分，其任务是在全球范围内负责组织、推动材料数据的评审、 编辑、传播、协调和指导材料数据的处理和表征，并组织制定统一标准，以提高 数据的可靠性。继1 9 8 2 年在美国田纳西州，1 9 8 4 年在荷兰p e t t e n 和1 9 8 5 年在德 国黑森林几次材料数据库国际讨论会之后，于1 9 8 7 年在美国费城召开了第一届国 际材料数据库会议。 此后国外众多从事材料数据库开发的企业和机构开发了许多专用的材料数据 库。美国是世界上数据库活动最为发达的国家，它所拥有的数据库不论在数量上 或规模上都居首位。以美国国家标准局为例，就建有数十个各类数据库。其中材 料数据库占有很大的比例，如力学性能数据库、金属弹性性能数据库、合金相图 数据库、陶瓷相图数据库、材料腐蚀数据库、材料摩擦磨损数据库等。它的许多 数据库在国内外具有很高的权威性。著名的m v i s i o n 软件是把数据库技术与结构 分析软件结合起来的商业化产品，其数据库部分包括美国军用数据手册。欧洲各 国的数据库开发情况受欧共体的推动。德国技术实验协会的金属数据库s o u 舱 有3 0 0 0 种黑色和有色金属数据2 万多条。荷兰p e t t e r 欧洲研究中心的高温材料 数据库h t - d b 收集各种金属、非金属、复合材料的力学和热力学数据。从法国1 9 8 9 年发表的法国数据库指南中可以看到，法国有4 0 多个材料数据库，内容覆盖了大 部分工业材料，如金属、陶瓷、玻璃等。英国有色金属数据中心、石油化学公司、 钢铁公司、金属研究所国家物理实验室、r o l l s r o y c e 公司等1 9 个单位建有各自的 材料性能数据库。前苏联大约有7 0 个材料数据库分布在研究室、大学、科学院和 工业部门，航空工业还有自己的结构材料数掘库。只本的数掘库多数建于8 0 年代， 江苏大学硕士学位论文 日本金属研究所、日本金属学会建有金属和复合材料力学性能数据库，包括疲劳、 断裂、腐蚀、高温长时蠕变等数据。2 0 0 0 年日本政府基本支持建立了碳环氧材料 性能及其对环境抗力设计评估数据库( c c d b ) ，这是基于1 9 9 9 年建立的基本材 料强度数据库( c m d b ) 建立的，为推广使用，还研究了在线型数据库系统的原 型。此外，日本科学技术公司开发了基于网络的支持扩散研究和材料设计的固体 扩散数据库，包括了金属和核材料例如铁基、镍基和锆基合金以及乌合金等。 国际上数据库技术的一个发展特点是国际合作与联网。如美国金属学会与英 国金属学会合作开发金属数据文档库，美、英、法、德、意大利、加拿大等7 国 联合开发数据库计划( v a m a s ) ，前苏联与东欧国家联合开发c o m e c o m 计划 等。 国外材料科学数据库系统己经成为新型材料开发和现代产品设计的支柱。其 种类较多，可分为文献型和数值型，也可分为在线型和离线型。文献数据库主要 以在线方式服务，而数值型数据库则主要在离线方式下使用。信息传播媒体有数 据网、计算机网络和电子出版物，服务范围包括文献索引、实验数据、生产标准、 商业信息、用于c a d c a e 的各种数据信息等。 1 2 2 国内研究现状1 1 0 q 2 1 在世界上各工业发达国家积极建立各种材料数据库的同时，发展中国家也把 建立自己的材料数据库看作是自己的标志。2 0 世纪7 0 年代中期，数据库技术开 始传入我国，1 9 7 7 年n 月召开了第一次全国数据库学术会议，对我国开展数据 库技术的研究和应用起到了推动作用。我国于1 9 8 4 年正式加入c o d a t a 组织， 并成立了c o d a t a 中国委员会，挂靠在中国科学院，委员会下设9 个数据组，材 料数据组是其中之一。在c o d a t a 中国委员会的推动下，“七五”和“八五”期间， 国内科研单位，高等院校和工业部门，相继建立了不同类型的材料数据库。 据不完全统计，目前我国已建和在建的材料科学数据库有2 5 个，分布在个行 业的科研、高校和工厂等单位，以工业部门工程材料科学数据库最多。建立较早， 较完善的有：上海材料研究所等单位建立的机械工程材料数据库、郑州机械研究 所建立的机械强度数据库、北京科技大学等单位建立的材料自然腐蚀数据库、武 汉材料保护研究所建立的腐蚀数据库和摩擦磨损数据库、北京机电研究所建立的 江苏大学硕士学位论文 材料热处理数据库航空航天工业部建立和机械电子工业部建立的机械强度数据 库、中科院长春应用化学所建立的稀土数据库、北京航空材料研究所建立的航空 材料数据库等。1 9 9 0 年，清华大学材料研究所等单位根据中国高科技研究发展计 划对新材料领域的要求，联合建立了新材料数据库，包括新型金属和合金、精细 陶瓷、新型高分子材料、现金复合材料和非晶材料5 个子库。为了进行高温结构 陶瓷材料的设计，清华大学还建成了一个陶瓷材料数据库和一个二氧化锆知识库。 在工模具材料方面，目前国内已有一些科研单位、大专院校和专业公司对工 模具数据库系统进行了一系列研究与开发，并相继推出了自己的研发成果。例如， 甘肃工业大学在材质零件、性能要求、结构尺寸及其它辅助参数的基础上建立了 工具钢的热处理工艺数据库；宁波高等专科学校c a d 实验室同宁波市工模具工 程技术研究中心合作开发出冷冲模具数据库应用系统，对其冷冲模材料的化学成 分、力学性能、冷、热加工工艺以及使用工况与模具寿命的关系进行了研究；郑 州工业大学橡塑模具国家工程研究中心在其塑料注塑成型模拟初始设计应用系统 中，对模具材料的物理性能和热力学性能进行了收集和整理。在模具材料选用方 面，广东工业大学开发了热作模具材料选择与应用专家系统，针对热作模具( 锤 锻模、压力机锻模、压铸模、热挤压模、热冲裁模等方面) 材料的优化选择作了 大量的工作和进行了可贵的探索。 我国材料科学数据库的主要进展和特色是：航空材料数据库向多用途、高层 次发展；c a d 的机械工程材料数据库己建成；高技术新材料数据库初步建成。 迄今为止，我国已建立了少数的材料数据库系统，但能投入实际使用的还不 多，如果引进国外一些成熟的数据库系统，将可迅速提高我国的数据库服务水平。 但是，由于各国的语言和材料标准有所不同，尤其是材料的研制、生产和使用单 位的实际条件亦存在差异，因此材料数据库完全依靠引进是不现实的。 1 2 3 发展趋势 近年来，随着i n t e r a c t 技术的迅速发展，w e b 技术已经从一种仅仅提供静态 h t m l 网页内容的站点技术发展成为一种在全球范围内进行创造、提供信息、进 行协作和商业活动的系统工具，对全球化信息资源的交流和共享起到了极大的促 进和加强作用。网络化的特点是资源共享和数据交换，它给材料数据库的应用注 4 江苏大学硕士学位论文 入了新的活力，是未来材料数据库技术发展的主要趋势之一。世界上很多国家都 开发了可在网络上直接进行查询的材料数据库。此外，随着通信技术的飞速发展， 个人还可以通过p d a ( 个人数字助理，p e r s o n a ld i g j i t a la s s i s t a n t ) 或3 g 手机无 线上网，查询材料数据信息 当今，国际上的材料科学数据库正朝着网络化、智能化、现代化和商业化以 及标准化的方向发展。 网络化是将分散的、彼此独立的数据库联成一个完整的系统，使其能为全球 范围内的研究者提供高效服务。随着计算机网络技术的发展，尤其是i n t e r n e t 的 迅猛发展，网络已成为人们获取信息和发布信息的重要途径，越来越多的数据库 正向网络化发展。当前，基于w e b 的数据服务多由专业信息机构提供，其信息 丰富、权威性高、更新及时、使用方便，大大促进了科研效率的提高和国际学术 交流的发展。 材料数据库的则使材料数据库发展成为专家系统。早期的材料科学数据库只 收录相关的数据，供数据检索、浏览等比较简单的功能。随着信息技术的发展， 数据库应用已大大超过了以上的使用范围。在材料研制、产品设计和决策咨询等 方面已取得突破性进展。计算机化的材料数据库可以与o m 、c a m 配套使用， 也可以形成知识库与人工智能技术相结合，构成材料性能预测或材料设计专家系 统。中科院上海冶金研究所以材料数据库为基础，结合图像处理、模式识别、人 工神经网络和优化决策等手段，建成用于辅助设计的智能数据库，目前已包括磁 性材料、高分子材料、钢铁和铝合金等几大类材料。日本的材料科学数据库大多 是为材料设计而建。东京大学在这方面的研究特别活跃。 材料数据库现代化和商品化是推动材料数据库研究开发及其产业化的巨大动 力，这在现代社会的进程中几乎是不言而喻的。此外，材料科学数据库的另一个 发展趋势就是材料数据库的标准化。由于不同国家地区的材料数据库系统采用的 数据标准和数据库结构不同，致使不同系统之间难于直接进行数据交换，信息共 享受到一定限制。数据库的标准化发展是突破限制、提高效率的最好途径。国际 社会对材料数据库标准化非常重视。1 9 8 8 年1 1 月在巴黎召开了“标准化专题讨 论会”，会议强调了各国数据库建立统一标准的重要性，还讨论了材料的欧洲共同 体委员会( c e c ) 材料数据库演示柠序。a s t m e 4 9 委员会在数据库的标准化方 5 江苏大学硕士学位论文 面也做了大量的工作。 1 3 课题研究的主要内容及预期目标 1 3 主要研究内容 塑料模具材料的科学分类及其主要性能用途、材料的选材原则，利用d e l p h i 软件开发一个基于c l i e n t s e r v e r 易于维护、查询快捷和的塑料模具材料数据库系 统，以及数据库系统的计算机实现，包括模糊查询、操纵主从表、图形存储等关 键技术。各章节的安排的如下： 第一章论述了本文的研究背景、目的和意义，以及国内外研究现状和趋势。 第二章叙述了塑料模具材料的七个类别及其主要性能、用途，模具材料的成 本、资源、可靠性等选材原则，此外还介绍了成本经济分析，价值工程法、目标 函数法等选材方法。 第三章分析了本系统涉及的相关数据库技术。包括数据库的简介及其建立方 法、c l i e n t s e r v e r 体系结构、数据驱动的选择等。 第四章对系统的体系结构和功能模块设计进行了阐述，并阐述了d e l p h i 开发 数据库应用程序的相关技术。 第五章通过详细介绍系统的实际应用验证了研究成果的可行性、实用性。 第六章对全文工作的总结和今后研究工作的展望。 1 3 2 预期目标 建立一个基于c s 的塑料模具材料数据库系统，该系统运行安全可靠、界面 友好、易于扩充和管理、使用方便能够进行多渠道地检索数据，使得用户可以方 便快捷地查到所需材料相关信息。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章塑料模具材料及其选择 2 1 塑料模具材料 我国过去无专用塑料模具用钢，近年来在引进国外塑料模具用钢的同时，自行 研制和开发了一批新型塑料模具专用钢。根据在使用中模具钢的化学成分、热处 理手段不同，大致可分为：非合金、预硬化型、渗碳型、时效硬化型、耐腐蚀型、 淬硬型和非调质七种类型l 埘。 2 1 1 非合金 非合金型塑料模具钢有s m 4 5 、s m 4 8 、s m 5 0 和s m 5 5 等。这类钢加工性能 好、价格便宜、来源方便，与优质碳素结构钢相比，钢中实际s 、p 含量低，钢 的纯净度好，碳含量的波动范围窄，力学性能更稳定，适于制造形状简单的小型 模具或精度要求不高、使用寿命不需要很长的模到1 4 1 。对于热塑性塑料注射模具， 一般采用含碳量为0 4 0 7 的中碳碳素模具钢制造；对于热固性塑料成型模 具，一般采用0 7 1 3 的高碳碳素塑料模具钢制造。表2 - 1 列出了常见的非合 金钢化学成分。 表2 - 1 非合金铜化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs o m eu n a l l o y e ds t e e l s ( m a s s ，) 2 1 2 预硬化型 所谓预硬化型塑料模具钢，就是钢厂供货时已预先对模具钢进行了热处理， 使之达到了模具使用时的硬度。预硬化型是在含o 3 0 5 5 c 的基础上加入适 当的c r 、m n 、n i ，m o 、v 等元素制成，为了改善切削加工性能，可加入s 、c a 等元素，预先热处理到模具所要求的硬度和使用性能，用户可使用该材料直接加 7 江苏大学硕士学位论文 工成模具。代表性钢种有3 c r 2 m o ( p 2 0 ) 钢及其改型钢，5 c r n i m n m o v s c a ( 5 n i s c a ) 钢等。这类钢的综合力学性能好、淬透性高，具有良好的切削加工性，镜面加工 性和耐蚀性。适于制造形状复杂、精密的大中型塑料模具或生产塑料制品用的批 量较大的模具l l 1 6 。4 0 c r 钢调质后具有良好的综合力学性能，比相应的碳钢强度 高2 0 左右，且有良好的低温冲击韧度和低的缺口敏感性，适于制作中型塑料模 具1 1 4 1 。此外，4 0 c r 还可以结合碳氮共渗工艺处理，进一步提高耐磨性和抗蚀性。 表2 - 2 列出了常见的预硬化钢化学成分。 表2 - 2 预硬化钢化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s o m ep r e h a r d e n e ds t e e l s ( m a s s ，) 2 1 3 渗碳型 渗碳型塑料模具钢主要用于冷挤压成型塑料模具，一般要求含碳量较低，加 入c r 、n i 元素后可提高其淬透性。退火后的硬度较低、塑性好，具有良好的切削 加工性能；渗碳后经淬火、低温回火后具有较高的强度、心部韧性好、表面硬度 高、耐磨性好和良好的抛光性。主要用于制作要求耐磨性良好的塑料模具。其中， 碳钢用于生产型腔简单、生产批量较小的小型模具；合金钢用于生产型腔较为复 杂、承受载荷较高的大、中型模具【1 7 1 表2 - 3 列出了常见的渗碳型钢化学成分。 表2 - 3 钢化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs o m ec a s e - h a r d e n e ds t e e l s ( m a s s ，) s m l c r l 3 钢和合金结构钢1 2 c r n i 3 a 有近似的化学成分和力学性能，但是其 冶金质量高于1 2 c r n i 3 a ，抛光性和淬透性更好，在淬火、回火后具有良好的综合 力学性能和切削加工性能，该钢适宜制造要求耐磨性高，尺寸较大的塑料模具零 件。0 c r 4 n i m o v ( u ) 是国内最新研制的冷挤压成型专用钢，该钢含碳量很低， 8 江苏大学硕士学位论文 渗碳淬硬层较深，基体硬度高，具有高硬度、高耐磨性、热处理变形小等特点， u 钢用于制造要求高精度、高镜面、型腔复杂的塑料模列1 7 ，。 2 1 4 时效硬化型 此类钢的共同特点是含碳量低、并含有n i 、舢、t i 、c u 、m o 等合金元素， 经高温淬火( 固溶处理) 后，钢处于软化状态，组织为单一的过饱和固溶体但 是将此固溶体进行时效处理，固溶体中就会析出细小弥散的金属化合物，从而造 成钢的强化和硬化。使模具硬度提高到4 0 5 0 h r c ，因时效温度低，故变形很小。 时效硬化钢可分为马氏体时效钢和低镍时效钢两类，前者含镍高，价格昂贵，使 用较少，常用的是2 5 c r n d m o a i 和1 n i 3 m n 2 c u a i m o ( p m s ) 等低镍时效钢 这类钢具有良好的综合力学性能和焊接性能，耐磨性和耐蚀性优于预硬钢， 淬火与回火后有良好的切削加工性1 1 7 1 9 】，主要用于制造精密、复杂的热塑性塑料 制品用模具。表2 4 列出了常见的时效硬化钢化学成分。 表2 4 时效硬化钢化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s o m en i c k e la g eh a r d e n i n gs t e e l s ( m a s s ，) 2 1 5 耐腐蚀型 在生产会产生化学腐蚀介质的塑料制品时，模具必须具有较好的抗腐蚀性能， 而且还要求具有一定的硬度、强度和耐磨性等。常用的有2 c r l 3 、4 c r l 3 、9 c r l 8 、 1 c f l 7 n i 2 等。为提高耐腐蚀模具钢的加工精度，国内又研制了马氏体时效硬化钢 p c r ( 0 c r l 6 n i 4 c u 3 n b ) 和a f c - 7 7 ( 1 c r l 4 c 0 1 3 m 0 5 v ) 钢，这类钢适于制造要 求高耐磨、高精度和耐腐蚀的塑料模具。表2 5 列出了常见的耐腐蚀钢化学成分。 表2 - 5 耐腐蚀钢的化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 5c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s o m ec o r r o s i o nr e s i s t a n c es t e e l s ( m a s s ，) 9 ， 江苏大学硕士学位论文 4 c r l 3 属于中碳高铬型耐蚀钢，热处理后具有较高的硬度和耐磨性；9 c r l 8 属于高碳高铬型耐蚀钢，热处理后具有高的硬度和耐磨性；i c r l 7 n i 2 属于低碳铬 镍型耐蚀钢，具有较好的综合力学性能和良好的抗蚀性，缺点是有脆性倾向、热 加工工艺较复杂、焊接性能差陋1 7 1 。 2 1 6 淬硬型 通过最终热处理，可保证使用状态具有高硬度、高耐磨性、韧性和长的使用 寿命。用于压制热固性塑料、交合强化塑料( 如尼龙型强化或玻璃纤维强化塑料) 产品的模具，以及生产批量很大，要求模具使用寿命很长的塑料模具。表2 - 6 列 出了常见的淬硬型钢化学成分。 表2 - 6 淬硬型钢化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 6c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s o m eq u e n c h e ds t e e l s ( m a s s , 、 其中，碳素钢( 如t 7 a 、t 1 0 a ) 仅适于制造尺寸不大，受力较小，形状简单 以及变形要求不高的塑料模具；低合金冷作模具钢( 如c r w m n 、c r l 2 m o v ) 主 要用于制造尺寸较大、形状复杂和精度较高的塑料模具；高速钢( 如 w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ) 适于制造要求强度高和耐磨性好的塑料模具。 2 1 7 非调质型 这类钢不经调质处理，通过轧制后就具有良好的综合力学性能，省去预硬化 热处理工序，有利于节约能源，降低成本，缩短生产周期。加入v 二面微合金元素 有利于提高钢的强韧性，加入c a r e 可以显著改善因硫的加入而产生的各向异性， 提高钢的横向冲击性能1 1 9 ，2 0 】。表2 7 列出了常见的非调质钢化学成分。 表2 - 7 非调质钢化学成分( 质量分数) t a b l e2 - 7c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs o m en o nh a r d e n e da n dt e m p e r e ds t e e l s ( m a s s ，) 1 0 江苏大学硕士学位论文 b 2 0 、b 2 0 h 、b 2 5 是由上海宝钢公司研制的微合金非调质钢。b 2 0 、b 2 0 h 、 b 2 5 属铁索体珠光体型非调质钢，具有良好的切削加工性能、抛光性能、耐蚀性、 焊接性能，主要用于制造要求不高的塑料模具和模架。 2 2 模具材料的选材原则及因素 一般情况下，选材时应综合分析模具的服役条件，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。如果单纯从材料的基本性能考虑，可能有 很多材料都能符合要求，需要对可供选择的材料进行筛选，对此应根据所制成模 具的寿命要求、生产率、模具制造工艺的难易程度及成本的商低，作出综合评价， 才能最终确定最佳材料，这就必须同时考虑模具材料的使用性能、工艺性能和经 济性等选材原则【5 】o 2 2 1 使用性能原则 所谓使用性能是材料在零件工作过程中所应具备的性能( 包括力学性能、物 理性能、化学性能等) ，是材料选择最主要的依据。模具服役条件不同，对模具 材料的性能要求也不相同。模具工作者常要根据模具的服役条件、失效形式、寿 命要求、可靠性的高低，来合理地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1 2 , 3 1 。对各类模具材料提出的使用性能要 求主要包括：硬度、强度、耐磨性、耐热性、韧性等【2 。 ( 1 ) 硬度硬度是模具材料的主要性能指标，模具在应力的作用下，应能保 持其形状和尺寸不变。因此，模具应具有足够的硬度，塑料模具的硬度通常要求 在4 5 6 0 h r c 范围内形状简单抛光性能要求高的，工作硬度可取高些；反之， 硬度可取低些。 ( 2 ) 耐磨性决定模具使用寿命的重要因素往往是模具材料的耐磨性。模具 在服役中承受相当大的压应力和摩擦力，模具必须在此情况下仍能保持其尺寸精 度和表面粗糙度，不至于早期失效。模具的耐磨性不仅取决于材料的成分、组织 和性能，而且与模具的工作温度、压力状态、润滑状态等因素有很大的关系。为 了改善模具材料的耐磨性，需要采取合理的生产工艺和处理工艺。 ( 3 ) 强度和韧性模具在服役中承受拉压、冲击、振动、扭转和弯曲等应力， 江苏大学硕士学位论文 重负荷的模具住住由于强度不够、韧性不足，造成模具局部塌陷、崩刃和断裂而 发生早期失效。因此，使模具材料保持足够的强度和韧性，将有利于延长模具的 服役期限。实践证明，根据服役条件和性能要求，合理地选择模具材料的化学成 分、组织状态和热处理工艺，能够得到最佳的强度和韧性配合。 ( 4 ) 耐热性在高速成型时，塑料模具型腔局部温度有时会超过4 0 0 c ，在交 变温度和交变压力作用下，模具易产生塑性变形和热疲劳。要求模具材料有良好 的耐热性、导热性和尺寸稳定性。 2 2 2 工艺性能原贝t j p , 2 a , 2 2 l 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度，任何零件都是由所选材料通过一 定的加工工艺制造出来的，因此所选材料应具有好的工艺性能，即工艺简单、加 工容易、能耗低、材料利用率高、产品质量好( 变形小、尺寸精度高、表面光洁、 组织均匀等) 。在模具生产成本中，材料费用只占1 5 左右，而机械加工、热处理、 装配和管理等费用占8 0 以上。所以，模具材料的工艺性能就成为影响模具生产成 本和制造难易的主要因素之一。模具材料的工艺性能主要有如下几种： ( 1 ) 可加工性钢材的可加工性主要包括切削、磨削、抛光、冷拔等加工性 和锻压加工性等。模具钢大多用于过共析钢和菜氏体钢，热加工性能和冷加工性 能都不太好，必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数。近年来为改善钢的切削 加工性，通常向钢中加入s 、p b 、c a 、s e 等易元素或改变钢中夹杂物的分布状态， 从而提高模具表面质量和减少刀具的磨损 ( 2 ) 淬硬性和淬透性淬硬性主要取决于钢的碳含量，淬透性主要取决于钢 的化学成分、合金元素和淬火前钢的原始组织。模具对这两种性能的要求根据其 服役条件不同各有侧重。对于要求整个截面有均匀一致性能的塑料模具，高的淬 透性显得更重要些。 ( 3 ) 饰纹加工性能不少塑料制品要求设置各种花纹