第 1 章 绪论
1.1 陶瓷模具材料的研究现状及应用
模具是现代工业生产的主要工艺设备之一，它以其特定的形状通过特定的方式(挤压、冲压等)使原材料成型，是生产各种工业产品的重要工艺设备。目前，由于出现了许多难加工成型材料以及产品零件形状的日益复杂化，对模具的强度、韧性等使用性能的要求也随之提高。模具材料包括钢、硬质合金等金属材料，以及陶瓷等非金属材料。特别对于高性能的纳米陶瓷具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特点，现在已经广泛应用于难加工材料的加工。材料研究方面，已经对各种氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、晶须或少量金属的添加技术和采用多种增韧补强机制等方法进行了研究，并最终使陶瓷材料的强度、韧性、抗冲击性能等都有了明显的提高。结构设计方面，因为陶瓷材料很脆，承拉能力差，这就要求在设计时避免陶瓷模具受拉应力的影响。另外，由于陶瓷件的生产工艺对其使用寿命影响很大，这就要求模具在结构设计方面有极大的改进。
1.1.1 陶瓷模具材料的研究现状
模具是利用其特定形状去成型相同形状和尺寸制件的工具，常见的有挤压模、冲压模、拉拔模等。挤压是利用凸模对放置在凹模型腔中的坯料进行加压，并使之产生塑性流动，最后获得对应于模具型腔或凹凸模形状的锻压方法。拉拔是用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模孔中拉出，使其断面减小而长度增加的方法。对于挤压工艺而言，通常分为以下三类：冷挤压，是指在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法；热挤压，是指坯料在金属再结晶温度以上进行的挤压；温挤压，指坯料在金属再结晶温度以下、回复温度以上进行的挤压。陶瓷材料具有极佳的热稳定性和耐磨性，是制造成型模具的理想材料，但由于其韧性差，因此直到现在还没有在模具工业方面得到广泛应用。目前，模具材料主要是各种模具钢和硬质合金。
从国外研究结果来看，陶瓷材料应用于模具领域已成为一种趋势，在日本、美国、法国等国家已经拥有了多项专利。目前常用的陶瓷模具材料主要有：金属陶瓷、PSZ、TZP/A12O3、Al2O3/Ni、Si3N4、Sialon、3Y/TZP/Al2O3、Si3N4、(Ce-TZP)/Al2O3、TZP/TiC/Al2O3、TZP 等。近些年来，对陶瓷拉丝、挤压、拉拔等模具材料的研究已经取得了一定的进展。对于拉丝模，ZrO2增韧 Al2O3基复合陶瓷 ZTA，其断裂韧性和抗弯强度分别达到了 7.2MPa•m1/2和 740MPa[15]；杨学锋[16]等采用热压法制备出的 Al2O3/TiC 复合陶瓷，其断裂韧性和抗弯强度分别达到了 850MPa 和 4.9MPa•m1/2；杨刚等所研制的 TZP(3Y-8Ce-TZP)断裂韧性、抗弯强度和硬度分别为 10MPa•m1/2、1335MPa和 15GPa；对于挤压模，沈辉等[18]所研制的 PSZ 复相陶瓷的断裂韧性、抗弯强度和硬度分别达到 10-14MPa•m1/2、650-850MPa 和大于 90HRA；刘军等选用高温性能更佳的(Ce-TZP)/Al2O3复相陶瓷其抗弯强度为 892MPa，断裂韧性为14.3MPa•m1/2，该材料具有优良的高温力学性能。对于拉拔模，罗军明等[20]采用3Y/TZP/Al2O3陶瓷材料成功研制开发了 TZP，其断裂韧性、抗弯强度和硬度分别为 10MPa•m1/2、1450-1490MPa 和 15-16.5GPa。
1.1.2 陶瓷模具材料的应用
挤压模具是挤压成形的关键零部件和易损件。目前国内用于挤压成形的模具材料主要采用高速钢或硬质合金。在恶劣的工作条件下，模具表面剧烈摩擦，温度升高，对于冷挤压模具其挤压温度甚至能达到 400℃。而对于热挤压模具由于其工作条件的恶劣，其挤压温度达到了 800℃。因此在高温、磨损及机械应力的共同作用，模具往往由于粘模、氧化甚至焊合而加剧磨损，因此严重影响了产品的质量、降低了模具使用寿命。若要使模具寿命有显著的提高，其中一个主要途径是选用硬度高、耐磨性好的模具材料。结构陶瓷具有耐高温、不粘模的特点，其耐磨性比高速钢和硬质合金好，可以作为模具的材料。在文献中列出了陶瓷与硬质合金、高速钢之间的性能比较，如表 1.1 和图 1.1 所示。
第 2 章 陶瓷-钢组合凹模的理论求解及有限元模拟
在挤压过程中，由于凹模内壁受到变形金属的径向压力，使凹模内壁处于强烈的切向受拉的应力状态。为了防止凹模的早期破裂，必须设法减少或消除切向拉应力。本章对陶瓷-钢两层和三层组合凹模的理论求解做了进一步的推导，对陶瓷凹模的切向正应力和过盈量进行了计算。
2.1 陶瓷-钢组合凹模切向正应力和过盈量的计算
2.1.1 切向正应力的计算
挤压过程中凹模所受到的压力很大并且分布不均匀，设计凹模时必须计算凹模内壁的切向拉应力。为了防止陶瓷凹模内壁因切向拉应力过大而出现纵向开裂，对传统的 Lame 公式做了进一步推导。以陶瓷凹模拉应力为零、外层钢圈正好屈服为目标函数，对陶瓷-钢组合预紧组合凹模理论求解做了进一步的推导。
从求解的类型中可知本分析属于线弹性静态结构问题，应力与应变满足广义胡克定律，并且应变和位移是呈线性关系。现用上一节推导的理论公式对陶瓷-钢三层组合挤压凹模受内压力时的切向应力、径向应力以及径向位移进行了计算并与 ANSYS10.0 的计算结果相对比，共提取了 13 组数据，然后和 ANSYS 分析所得到的数值结果汇总成表，如表 2.2 所示。为了叙述方便，各应力位移的命名如下：SX 表示径向应力，SY 表示切向应力，UX 表示径向位移。
第3章 陶瓷-钢组合凹模的结构优化................ 35-61
3.1 冷挤压组合凹模的结构优化设计................ 35-45
3.2 冷挤压组合凹模的热应力分析 ................45-53
3.3 热挤压时组合凹模的热应力................ 53-56
3.3.1 温度场的分布................ 53-54
3.3.2 应力场的分布 ................54-56
3.4 热挤压加工过程的热应力分析 ................56-58
3.5 本章小结 ................58-61
第4章 复杂型腔陶瓷-钢组合凹模的结构................ 61-71
4.1 冷挤压组合凹模的结构优化设计................ 61-65
4.2 热挤压时组合凹模的结构优化设计 ................65-70
4.3 本章小结................ 70-71
第5章 陶瓷凹模的制造基础研究................ 71-81
5.1 陶瓷凹模的选择................ 71-72
5.1.1 正交试验 ................71
5.1.2 结果分析 ................71-72
5.2 陶瓷凹模的制造工艺................ 72-75
5.3 陶瓷凹模材料的组分设计................ 75-78
5.4 Si_3N_4 基组合凹模的结构优化................ 78-79
5.5 本章小结................ 79-81
结论
以陶瓷凹模不受拉应力为目标，对陶瓷-钢组合凹模进行了结构优化。对复杂型腔的陶瓷组合凹模进行了结构静力、热应力耦合分析，对应力集中区域和陶瓷凹模的最大拉应力区域进行了结构优化，最后利用优化的尺寸热压烧结了陶瓷凹模，所得的主要结论如下：
1. 挤压过程中，由于陶瓷凹模内壁受到变形金属的径向压力，使凹模内壁处于强烈的切向受拉的应力状态，从而出现纵向裂纹，在此基础上对两层和三层组合凹模的理论求解做了进一步的推导。
(1) 研究了两层和三层组合凹模的理论推导过程，通过计算组合凹模的切向正应力和过盈量，进一步完善组合凹模理论推导过程，为组合凹模的理论计算提供了依据。
(2) 对两种不同计算过盈量的方法进行了对比，发现以前文献在推导不考虑接触预紧力陶瓷凹模的切向正应力时，忽略了陶瓷与钢材料间弹性模量的差别从而提高了组合凹模的预紧力和陶瓷内壁的压应力。
2. 利用正交试验优化了两层和三层组合凹模的半径比及其过盈量，并对组合凹模进行了摩擦热应力分析，发现随着摩擦系数的增加，侧压力和拉应力也在不断地增加，其中侧压力和最大拉应力的增长幅度非常明显；挤压过程中发现陶瓷凹模的工作区域变形大，而陶瓷凹模的非工作区域的变形小，工作区域对非工作区域产生了拉应力，从而有可能导致陶瓷模具的早期失效。
3. 对复杂型腔陶瓷组合凹模进行了应力分析，发现陶瓷凹模受到的最大拉应力集中在工作腔与退料腔的结合处，研究表明工作腔与退料腔结合处存在着退料间隙，使侧压力作用于工作腔时，由于间隙没有得到预紧，使此处产生了过大的轴向拉应力。
参考文献
[1] 王敏杰，宋满仓．模具制造技术[M]．北京：电子工业出版社，2004
[2] 高濂，李蔚．纳米陶瓷[M]．北京：化学工业出版社，2002
[3] 肖光春，许崇海，方斌等．陶瓷模具材料的使用性能研究[J]．稀有金属材料与工程，2007，36(增刊 1)：770-773
[4] 赵诗奎，许崇海，孝煦．ZrO2-Al2O3-TiC 纳微米复合陶瓷模具材料的研究[J]．硅酸盐通报，2009，28(增刊)：118-121
[5] 王雷刚，刘全坤．陶瓷-钢组合挤压凹模的优化设计[J]．锻压机械，1997，4(4)：38-40
[6] 马明刚．拉拔工艺及模具对钢丝力学性能的影响[D]．贵州：贵州大学，2004
[7] 贾莉莉．挤压工艺及模具[M]．北京：机械工业出版社，2006
[8] 赵昌盛．国外模具材料的应用及发展[J]．模具材料及热处理技术．2004，(8)：65-67
[9] 赵昌盛，朱邦全．我国模具材料的应用发展[J]．模具材料及热处理技术，2004，(11)：61-65
[10] 高余顺．我国模具材料的现状与发展[J]．航空制造技术，2008，(8)：68-69