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摘要：近年来，我国模具工业的发展很快，模具水平也在不断提高。本文介绍了当前我国模具材料的先进选择方法及热处理工艺的发展状况，并预测未来模具的发展方向。
关键词：模具；材料选择；热处理；方向
0 引言
模具是工业生产的基础工艺装备，被称为"工业之母"。75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成型，绝大部分塑料制品也由模具成型。作为国民经济的基础工业，模具涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业，应用范围十分广泛[1]。中国的模具工业正步入了高速发展时期，模具材料的选择及热处理工艺作为模具工业两个关键环节，在模具工业中起着越来越重要的作用。
1 模具材料选用原则
模具的选材过程是一个系统工程，它的影响因素很多。一般来说，在选材过程中，模具材料应能达到使用性能足够、工艺性能良好、经济性合理的要求[2]。
1.1 满足使用性能要求
模具材料的使用性能包括耐磨性、强韧性、疲劳断裂性能、高温性能、耐冷热疲劳性能、耐蚀性等性能。在选材过程中首先要考虑的便是材料的使用性能要求，它模具材料的选用原则中是最基本的，也是最重要的。
1.2 满足工艺性能要求
模具材料的工艺性能包括可锻性、退火工艺性、切削加工性、氧化脱碳敏感性、淬硬性、淬透性、淬火变形开裂倾向以及可磨削性能等。材料的工艺性能决定了材料在加工过程的难易程度以及热处理性质等。对模具材料的选择具有重要的决定作用，同时也是模具材料的选用原则中是最基本的要求。
1.3 满足经济性要求
在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能和工艺性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。
2 模具材料选用方法
在以往的模具设计过程中，设计者往往根据自己的经验判断。对模具设计者而言，要想获得最佳的选材方案，则应该对材料性能有综合的把握能力并具有丰富的选材经验。即便如此，在实际操作中仍有可能出现偏差。针对此种状况，近年来国内外许多专家针对模具材料选择，采用各种方法开发出一系列的材料选择系统，并应用于实际生产中。哈尔滨工业大学现代技术研究中心曾将神经网络应用到注塑制品的材料选择中[3]；广东工业大学采用基于规则为主的推理方法。进行了热作模具、塑料件模具等材料选择专家系统的开发[4]；南京航空航天大学CAD/CAM 工程研究中心建立了采用模糊理论的模具材料选择决策系统[5]。
2.1 基于神经网络的注塑模具材料选择系统
该系统主要针对注塑制品模具而提出的，通过分析模具材料与注塑件之间的相互作用关系，采用模糊数学方法即Sigmoid 函数，提出了一种基于人工神经网络的注塑模具材料选择方法。其中对于函数域值的选取需要设计者对于材料的物理性质的把握和设计经验。
该系统具有如下特点：（1）选材系统对候选材料的各项指标数据作了较系统的整理，吸收了大量的选材知识，在设计模具时可以避免大量地查阅手册方面的工，对设计人员的选材经验要求较低。（2）选材系统输出的材料选定度较好地反映了对材料的倾向程度，能够得出正确的材料选择方案。
此方法通过建立样本与训练网络和选材网络样本的学习，在数据库和数学函数的帮助下，可以很快捷的选出最佳材料。
2.2 复合材料构件模具材料选择模糊决策研究
复合材料因其独特的性能[6]，如质量轻、比强度高、耐热性好、性能可设计性好等，日益受到各行各业的高度重视。采用复合材料容易成型复杂形状的构件，可有效减少零件数，提高结构的整体性。因此，复合材料技术的研发得到快速发展。
复合材料构件成型固化后，应在几乎不作任何加工的条件下满足其力学性能、表面质量、尺寸精度等设计要求，因此，模具材料的选择直接关系到模具设计的很多方面，对复合材料构件的质量和成本等有很大的影响。
本方法是在分析研究复合材料构件模具材料选择的知识和经验的基础上，运用加权多因素模糊模式识别技术，采用加权Hamming贴近度的方法，同时结合基于规则的推理（RBR）技术和权重动态调整技术，实现了具有一定自适应功能的复合材料构件模具材料选择模糊决策方法。
2.3 基于事例推理的模具材料选择
前两种方法一定程度上实现了模具材料的智能选择，但从整体来看，模具材料选择依然是一个经验性很强的系统工程，经验在选材过程中依然是其重要的依据。
对于冲模、锻模、铸模等目前还没有上述智能选择的模具，采用基于事例推理的方法。提出两步检索、逐步求精的思想实现模具材料选择：第一步检索模具材料选择事例库，得到比较准确的模具材料设计要求；第二步检索模具材料知识库，得到最符合設计要求的模具材料。
综合上述几种方法，无论是智能还是经验选择，都需要有数据库的帮助。因此材料数据库的建立对于模具的选材都会有非常大的帮助。同时对我国材质的标准化提出了更高的要求。
3 模具热处理工艺
不同的材质所需要的热处理工艺各不相同，每一种材质采用不同的热处理工艺将得到不同性质的产品。模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程，它对模具的制造精度、模具的强度、模具的工作寿命、模具的制造成本等性能有着直接的影响。
20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术[7]。现代模具对热处理提出了严格的要求，热处理必须对模具的加工、装配及耐用性提供保证，才能适应模具工业的发展。在模具的最初设计阶段就应考虑热处理工艺对模具加工及其性能的影响，只有这样，才能真正做到缩短产品开发周期、降低成本、稳定质量。因此模具设计应实现由串行模式向并行模式的升华。并由此产生了模具热处理工艺并行设计[8]。
3.1 真空热处理
真空热处理技术的特点有防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气、消除氢脆等，这些特点能提高提高材料的塑性、韧性和疲劳强度，同时表面硬化比较均匀、模具变形小。这些特点正好符合模具的制造需要。 国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具。目前冷作模具真空淬火技术已得到较广泛的使用[9]。
3.2 模具的表面处理
通常磨具配合面的抵抗磨损、腐蚀、疲劳等性能的改善通过单纯改进基体材质是有限的，同时也不是经济的，往往通过表面处理可以取得不错的效果。
模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。虽然提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
3.3 模具材料的预硬化
预硬化的想法国际上早在上世纪70年代就有提出，但受制于机床和刀具，其研发投入并不大。但随着机床和刀具的发展，国外预硬化技术开发明显加快，我国目前主要还是进口国外预硬化模块。
预硬化技术主要是材料生产厂家直接生产大批量的预硬化模块，模具厂商买过来直接加工成型可以简化模具制造工艺，缩短制造周期，提高模具的精度。
由此可以预见，随着机床和刀具技术的进一步提高，预硬化会得到更好的发展。
3.4 模具热处理工艺并行设计
通常热处理与其它环节处于串行状态，往往发现问题后整个设计制造过程要全部修改甚至可能出现报废。针对这种问题，上海交通大学提出模具热处理工艺并行设计的新方法。将热处理CAD/CAE集成于并行环境中，同时建立动态推理机制，使得整个模具设计制造个环节实现联动效应。
由于模具对强度、硬度、表面粗糙度及热处理过程中发生的变形等参数有特殊的要求，所以，淬火介质及温度、回火温度及次数以及是否需要表面淬火或化学热处理都由CAD来决定，以避免认为决定的各种不确定因素。
热处理CAD/CAE在并行环境中集成便于发现问题，能在统一平台下预先将问题解决，同时将信息传递给其它部门，可以降低开发周期，降低成本。
值得注意的是，国际著名的CAD/ CAM技術集团正在努力把数字化分析产品集成到CAD/ CAM平台中。字化设计的灵活性。例如，将NX Nastran集成到EDS CAE产品软件包中，将进一步加强分析驱动设计技术的重要地位，有助于用户不断开发新产品，同时降低成本，缩短将产品推向市场的时间。又如，达索集团已经将Nastran .MSC的CAE技术产品，集成到CATIA系统中，并获得了日本丰田公司的睐[10]。
4 模具未来的发展方向
通过集成多知识表达方式的知识库和规则推理（RBR）、实例推理（CBR）、人工神经网络（ANN）等集成多处理方式的多智能主体，建立全而支持CAE应用过程的智能化系统，应用人工智能与专家系统技术在数值分析结果的基础上自动对成形方案进行分析和评价，并提出方案的优化建议，是当前材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点[10]。
未来的模具发展方向应该是在此基础上，通过不断完善模具材料的数据库以及其在不同类型模具的权重调整和不断完善不同类型模具的材料成形CAE技术，结合模具CAD/CAM技术，将模具的设计与制造过程提升为一种现代数字制造技术。
参考文献：
[1] 屈伟平.我国模具制造业发展现状、存在的问题及对策[J].模具技 术，2006，（5）：59-63.
[2] 模具材料选择原则[J].现代零部件，2008，（3）：35.
[3] 潘振鹏，王桂堂，蒋周洪.热作模具用钢选择与应用专家系统[J].中国机械工程， 1999，10（8）：903-905.
[4] 陈威，王桂堂，潘振鹏.塑料件模具材料优化专家系统的研制[J].广东工业大学学报， 2005，22（1）：20-25.
[5] 陈功，周来水，安鲁陵.复合材料构件模具材料选择模糊决策研究[J].宇航材料工艺， 2006（5）：53-57.
[6] Baillargeon Y， Vu2Khanh T. Prediction of fiber orientation and microstructure of woven fabric composites after forming. CompositeStructures， 2001，52（ 3-4）： 475-481
[7] 武兵书.模具热处理技术现状及走势[J].中国机电日报，2002-08-26.
[8] 李雄，张鸿冰，阮雪榆，罗中华.模具热处理工艺并行设计[J].华中科技大学学报（自然科学版），2004，32（6）：78-80.
[9] 阎承沛.我国真空热处理技术的现状和未来[J].热处理，2000，（2）：1-7.
[10] 李德群.模具CAD/CAM技术[J].电加工与模具，2004：11-14.
关键词：模具；材料选择；热处理；方向
0 引言
模具是工业生产的基础工艺装备，被称为"工业之母"。75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成型，绝大部分塑料制品也由模具成型。作为国民经济的基础工业，模具涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业，应用范围十分广泛[1]。中国的模具工业正步入了高速发展时期，模具材料的选择及热处理工艺作为模具工业两个关键环节，在模具工业中起着越来越重要的作用。
1 模具材料选用原则
模具的选材过程是一个系统工程，它的影响因素很多。一般来说，在选材过程中，模具材料应能达到使用性能足够、工艺性能良好、经济性合理的要求[2]。
1.1 满足使用性能要求
模具材料的使用性能包括耐磨性、强韧性、疲劳断裂性能、高温性能、耐冷热疲劳性能、耐蚀性等性能。在选材过程中首先要考虑的便是材料的使用性能要求，它模具材料的选用原则中是最基本的，也是最重要的。
1.2 满足工艺性能要求
模具材料的工艺性能包括可锻性、退火工艺性、切削加工性、氧化脱碳敏感性、淬硬性、淬透性、淬火变形开裂倾向以及可磨削性能等。材料的工艺性能决定了材料在加工过程的难易程度以及热处理性质等。对模具材料的选择具有重要的决定作用，同时也是模具材料的选用原则中是最基本的要求。
1.3 满足经济性要求
在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能和工艺性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。
2 模具材料选用方法
在以往的模具设计过程中，设计者往往根据自己的经验判断。对模具设计者而言，要想获得最佳的选材方案，则应该对材料性能有综合的把握能力并具有丰富的选材经验。即便如此，在实际操作中仍有可能出现偏差。针对此种状况，近年来国内外许多专家针对模具材料选择，采用各种方法开发出一系列的材料选择系统，并应用于实际生产中。哈尔滨工业大学现代技术研究中心曾将神经网络应用到注塑制品的材料选择中[3]；广东工业大学采用基于规则为主的推理方法。进行了热作模具、塑料件模具等材料选择专家系统的开发[4]；南京航空航天大学CAD/CAM 工程研究中心建立了采用模糊理论的模具材料选择决策系统[5]。
2.1 基于神经网络的注塑模具材料选择系统
该系统主要针对注塑制品模具而提出的，通过分析模具材料与注塑件之间的相互作用关系，采用模糊数学方法即Sigmoid 函数，提出了一种基于人工神经网络的注塑模具材料选择方法。其中对于函数域值的选取需要设计者对于材料的物理性质的把握和设计经验。
该系统具有如下特点：（1）选材系统对候选材料的各项指标数据作了较系统的整理，吸收了大量的选材知识，在设计模具时可以避免大量地查阅手册方面的工，对设计人员的选材经验要求较低。（2）选材系统输出的材料选定度较好地反映了对材料的倾向程度，能够得出正确的材料选择方案。
此方法通过建立样本与训练网络和选材网络样本的学习，在数据库和数学函数的帮助下，可以很快捷的选出最佳材料。
2.2 复合材料构件模具材料选择模糊决策研究
复合材料因其独特的性能[6]，如质量轻、比强度高、耐热性好、性能可设计性好等，日益受到各行各业的高度重视。采用复合材料容易成型复杂形状的构件，可有效减少零件数，提高结构的整体性。因此，复合材料技术的研发得到快速发展。
复合材料构件成型固化后，应在几乎不作任何加工的条件下满足其力学性能、表面质量、尺寸精度等设计要求，因此，模具材料的选择直接关系到模具设计的很多方面，对复合材料构件的质量和成本等有很大的影响。
本方法是在分析研究复合材料构件模具材料选择的知识和经验的基础上，运用加权多因素模糊模式识别技术，采用加权Hamming贴近度的方法，同时结合基于规则的推理（RBR）技术和权重动态调整技术，实现了具有一定自适应功能的复合材料构件模具材料选择模糊决策方法。
2.3 基于事例推理的模具材料选择
前两种方法一定程度上实现了模具材料的智能选择，但从整体来看，模具材料选择依然是一个经验性很强的系统工程，经验在选材过程中依然是其重要的依据。
对于冲模、锻模、铸模等目前还没有上述智能选择的模具，采用基于事例推理的方法。提出两步检索、逐步求精的思想实现模具材料选择：第一步检索模具材料选择事例库，得到比较准确的模具材料设计要求；第二步检索模具材料知识库，得到最符合設计要求的模具材料。
综合上述几种方法，无论是智能还是经验选择，都需要有数据库的帮助。因此材料数据库的建立对于模具的选材都会有非常大的帮助。同时对我国材质的标准化提出了更高的要求。
3 模具热处理工艺
不同的材质所需要的热处理工艺各不相同，每一种材质采用不同的热处理工艺将得到不同性质的产品。模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程，它对模具的制造精度、模具的强度、模具的工作寿命、模具的制造成本等性能有着直接的影响。
20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术[7]。现代模具对热处理提出了严格的要求，热处理必须对模具的加工、装配及耐用性提供保证，才能适应模具工业的发展。在模具的最初设计阶段就应考虑热处理工艺对模具加工及其性能的影响，只有这样，才能真正做到缩短产品开发周期、降低成本、稳定质量。因此模具设计应实现由串行模式向并行模式的升华。并由此产生了模具热处理工艺并行设计[8]。
3.1 真空热处理
真空热处理技术的特点有防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气、消除氢脆等，这些特点能提高提高材料的塑性、韧性和疲劳强度，同时表面硬化比较均匀、模具变形小。这些特点正好符合模具的制造需要。 国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具。目前冷作模具真空淬火技术已得到较广泛的使用[9]。
3.2 模具的表面处理
通常磨具配合面的抵抗磨损、腐蚀、疲劳等性能的改善通过单纯改进基体材质是有限的，同时也不是经济的，往往通过表面处理可以取得不错的效果。
模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程。虽然提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。
3.3 模具材料的预硬化
预硬化的想法国际上早在上世纪70年代就有提出，但受制于机床和刀具，其研发投入并不大。但随着机床和刀具的发展，国外预硬化技术开发明显加快，我国目前主要还是进口国外预硬化模块。
预硬化技术主要是材料生产厂家直接生产大批量的预硬化模块，模具厂商买过来直接加工成型可以简化模具制造工艺，缩短制造周期，提高模具的精度。
由此可以预见，随着机床和刀具技术的进一步提高，预硬化会得到更好的发展。
3.4 模具热处理工艺并行设计
通常热处理与其它环节处于串行状态，往往发现问题后整个设计制造过程要全部修改甚至可能出现报废。针对这种问题，上海交通大学提出模具热处理工艺并行设计的新方法。将热处理CAD/CAE集成于并行环境中，同时建立动态推理机制，使得整个模具设计制造个环节实现联动效应。
由于模具对强度、硬度、表面粗糙度及热处理过程中发生的变形等参数有特殊的要求，所以，淬火介质及温度、回火温度及次数以及是否需要表面淬火或化学热处理都由CAD来决定，以避免认为决定的各种不确定因素。
热处理CAD/CAE在并行环境中集成便于发现问题，能在统一平台下预先将问题解决，同时将信息传递给其它部门，可以降低开发周期，降低成本。
值得注意的是，国际著名的CAD/ CAM技術集团正在努力把数字化分析产品集成到CAD/ CAM平台中。字化设计的灵活性。例如，将NX Nastran集成到EDS CAE产品软件包中，将进一步加强分析驱动设计技术的重要地位，有助于用户不断开发新产品，同时降低成本，缩短将产品推向市场的时间。又如，达索集团已经将Nastran .MSC的CAE技术产品，集成到CATIA系统中，并获得了日本丰田公司的睐[10]。
4 模具未来的发展方向
通过集成多知识表达方式的知识库和规则推理（RBR）、实例推理（CBR）、人工神经网络（ANN）等集成多处理方式的多智能主体，建立全而支持CAE应用过程的智能化系统，应用人工智能与专家系统技术在数值分析结果的基础上自动对成形方案进行分析和评价，并提出方案的优化建议，是当前材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点[10]。
未来的模具发展方向应该是在此基础上，通过不断完善模具材料的数据库以及其在不同类型模具的权重调整和不断完善不同类型模具的材料成形CAE技术，结合模具CAD/CAM技术，将模具的设计与制造过程提升为一种现代数字制造技术。
参考文献：
[1] 屈伟平.我国模具制造业发展现状、存在的问题及对策[J].模具技 术，2006，（5）：59-63.
[2] 模具材料选择原则[J].现代零部件，2008，（3）：35.
[3] 潘振鹏，王桂堂，蒋周洪.热作模具用钢选择与应用专家系统[J].中国机械工程， 1999，10（8）：903-905.
[4] 陈威，王桂堂，潘振鹏.塑料件模具材料优化专家系统的研制[J].广东工业大学学报， 2005，22（1）：20-25.
[5] 陈功，周来水，安鲁陵.复合材料构件模具材料选择模糊决策研究[J].宇航材料工艺， 2006（5）：53-57.
[6] Baillargeon Y， Vu2Khanh T. Prediction of fiber orientation and microstructure of woven fabric composites after forming. CompositeStructures， 2001，52（ 3-4）： 475-481
[7] 武兵书.模具热处理技术现状及走势[J].中国机电日报，2002-08-26.
[8] 李雄，张鸿冰，阮雪榆，罗中华.模具热处理工艺并行设计[J].华中科技大学学报（自然科学版），2004，32（6）：78-80.
[9] 阎承沛.我国真空热处理技术的现状和未来[J].热处理，2000，（2）：1-7.
[10] 李德群.模具CAD/CAM技术[J].电加工与模具，2004：11-14.