如何最小化应力

动模板侧和定模板侧的应力状态有很大的不同。对于大多数模具，型腔直接由上固定板和定模板支承。这样，型腔一般只受压力，因此很少有弯曲变形发生。然而，在动模板侧，凹处需要安放推出装置，不能提供型芯的支承。因此，型芯和支承板必须通过压缩和剪切来转移作用力，其将使模板发生明显的弯曲。

图12.2所示为在型腔承受150MPa的熔体压力时，热流道模具所受到的等效应力。等效应力一般用来预测失效，其定义为

式中，σ₁和σ₂分别是第一主应力和第二主应力。为了避免失效，等效应力应该小于指定的极限应力σ_limit。

图12.2 成型过程中的等效（Von Mises）应力

极限应力通常由两个主要因素来确定。第一个因素是应力不能太高以至于使模具发生变形。当材料受到应力时，其会变形或产生应变。对于大多数材料，其应变与应力成正比。这一比例因子与材料的弹性模量E相关，即

式中，ε是应力σ所产生的应变。在一定的应力下，弹性模量大的材料产生的应变小。

图12.3所示为两种模具常用材料P20和铝QC-7的应力应变图。P20的弹性模量比铝QC-7大，也就是在相同的应力下其形变较小。图中所示屈服强度为材料发生偏离线性行为的点。屈服强度也是材料产生塑性变形时的应力，如果应力增大，当去掉载荷时，其变形将不能恢复。一旦材料的应力超过其屈服强度，应力可以继续增大到其极限应力，直到完全破坏。

图12.3 P20和铝QC-7的应力应变行为

模具设计应使工作时的应力小于其屈服强度。关于屈服强度和极限应力的关系，有两种常用表示方法。一种是简单地设定极限应力等于屈服强度，但这要假定为负载最坏的情况。例如，模具设计者可以假定P20的极限应力等于屈服强度830MPa。为了保证在负载下模具不会屈服变形，模具设计者应对假定在最大熔体压力下模具压力有可能达到200MPa加以分析。

另一个方法是设定极限应力等于屈服强度除以一个安全因子，即(www.xing528.com)

式中，f是安全因子，其大小与不确定水平以及失效时的花费有关。一般其范围为1.5～6.0。当使用安全因子时，模具设计者在设计计算时应使用模具内的可能熔体压力，比如100MPa。为了避免设计产生较大误差，模具设计者在设计时不能总使用在最坏情形时的安全因子。

模具设计者可能认为对屈服强度使用一个比较保守的安全因子可能会安全些，然而这一做法可能导致模具在很多次成型加工后失效。原因是锁模力和型腔熔体压力的连续循环会产生交变应力，如图12.4所示。如果模具在打开和关闭的每一次应力循环中有小裂纹，就会在裂纹尖端产生导致失效的晶体。在千万次成型循环过程中，模具中的裂纹会变大且增多，如同用锤子打楔子。一旦裂纹达到临界尺寸，裂纹处将产生应力集中而使模具失效，甚至使合理设计的模具的极限应力远远小于屈服强度。模具的这种失效通常称为疲劳失效。

疲劳失效性能是一种力学性能，各种材料的疲劳失效行为已通过百万甚至更多次交变应力试验来描述。一般而言，在实际应力作用下模具所能承受的交变应力次数将减少。图12.5标出了QC-7和P20疲劳失效前所能承受的交变应力作用的次数。这一数据被称为s-n曲线，其中s是应力，n是循环作用次数。疲劳极限是材料理论上经过无限次交变应力作用而没有失效的极限应力。对于大多数钢，疲劳极限约为屈服强度的一半。例如P20，其疲劳极限约为450MPa。

图12.4 模具中的交变应力

图12.5 QC-7和P20的应力-失效（s-n）曲线

图12.5的数据显示了QC-7的疲劳极限远远低于P20的疲劳极限。QC-7和P20有两个重要的不同性质。第一，QC-7的s-n曲线有一个大的斜坡。第二，QC-7没有疲劳极限。换句话说，连续的交变应力作用在铝上都会导致铝疲劳失效。基于此，模具设计者用铝作为材料设计模具时，应根据模具所要成型加工的次数仔细选择极限应力。如果模具成型加工的次数少于1000次，模具设计者应选择其屈服强度545MPa作为极限应力。如果模具将要做约10000次成型加工，则允许的极限应力降为370MPa。如果模具的成型加工次数将达到百万次，则其极限应力应设定在170MPa。

简而言之，模具的极限应力是根据屈服还是疲劳来确定取决于模具的成型操作，即

如果模具的成型加工次数很少，其极限应力可以设定为屈服强度，可以通过用一个安全因子或按最坏情况来设计。如果模具的成型加工次数将会很多，则应使用疲劳极限作为极限应力。附录B提供了一些常用模具材料的数据。