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这三大因素是模具变形的关键所在

发布日期:2017-01-03来源:第一压铸编辑浏?#26469;?#25968;:2608
        目前,在模具制造中,已开始应用电火花加工、成型磨削、线切割等新工艺,较好地解决了复杂模具的加工和热处理变形问题。然而,这些新工艺由于受到各种条件的限制,?#24418;?#33021;普遍应用。因此,如何减少模具的热处理变形,目前仍是一个很重要的问题。

?#35805;?#27169;具要求精度较高,经热处理以后,又不便于甚至不可能再进行加工和校正,因此,在热处理后,即使组织性能已达到要求,但如变形超差,仍然因无法挽救而报废,这样不仅影响生产,而?#19968;?#36896;成经济上的损失。

有关热处理变形的?#35805;?#35268;律,这里不作讨论,以下针?#26434;?#21709;模具变形的一些因素作简要的分析。

模具材料对热处理变形的影响

材料对热处理变形的影响,包括钢的化学成分及原始组织两方面的影响。

从材料本身来看,主要通过成分?#28304;?#36879;性、Ms点等的影响而影响热处理变形。

碳素工具钢在正常淬火温度进行水-油双液淬火时,在Ms点以上产生很大的热应力;当冷到Ms点以下时,奥氏体向马氏体转变,产生组织应力,但由于碳素工具钢淬透性差,所以组织应力的数值不大。加上其Ms点不高,在发生马氏体组织转变时,钢的塑性已经很差,不易发生塑?#21592;?#24418;,因此,就保留了热应力作用所造成的变形特征,模具型腔趋向收缩。但若淬火温度提高(>850℃),也可能因组织应力起主导作用,而使型腔趋向于胀大。

在用9Mn2V,9SiCr,CrWMn,GCr15钢等低合金工具钢制作模具时,其淬火变形规律与碳素工具钢相似,但变形量要比碳素工具钢要小。

?#26434;?#19968;些高合金钢,如Cr12MoV钢等,由于其?#25216;?#21512;金元素含量较高,Ms点较低,因而淬火后有较多的残余奥氏体,它?#26434;?#20110;马氏体而致的体积膨胀?#26800;?#28040;作用,因此,淬火后的变形就相当小,?#35805;?#29992;空冷、风冷、硝盐浴淬火时,模具型腔趋于微量胀大;若淬火温度过高,则残余奥氏体量增加,型腔也可能缩小。

若用碳素结构钢(如45钢)或某些合金结构钢(如40Cr)制作模具,则因其Ms点较高,当表面开始马氏体转变时,心部温度尚较高,屈服强度较低,有一定的塑性,表面对心部的瞬时拉伸组织应力,易于超过心部的屈服强度而使型腔趋向胀大。

钢的原始组织?#28304;?#28779;变形也有一定的影响。这里所指的“钢的原始组织”,包括钢中夹杂物的级别、带状组织级别、成份的偏析程度、游离碳化物分布的?#36739;?#24615;等,以及由于不同的预?#28909;?#22788;理而得到的不同组织(如珠光体、回火索氏体、回火屈氏体等)。对模具钢来说,主要考虑的是碳化物偏析、碳化物的形状和分布形态。

高碳高合金钢(如Cr12型钢)中碳化物偏析?#28304;?#28779;变形的影响特别明?#28020;?#30001;于碳化物偏析造成钢加热至奥氏体状态后的成分不均匀性,因而,不同区域的Ms点就会有高?#26800;汀?#22312;同样冷却条件下,奥氏体向马氏体转变就有先有后,转变后的马氏体就因含碳量不同而?#28909;?#26377;大?#34892;。?#29978;至有一些低碳、低合金区域可能根本得不到马氏体(而得到贝氏体、屈氏体等),所有这些都会造成零件淬火后的不均匀变形。

不同的碳化物分布形态(呈颗粒状或纤维状分布),对基体胀缩的影响也不同,因而也会影响热处理后的变形,?#35805;?#26159;顺着碳化物纤维?#36739;?#22411;腔胀大,且较显着;而垂直于纤维?#36739;?#21017;缩小,但不显着,?#34892;?#21378;为此特作了规定,型腔所在面应与碳化物纤维?#36739;?#22402;?#20445;?#20197;减小型腔的变形,当碳化物呈颗粒状均匀分布时,则型腔表现为均匀的胀缩。

此外,最终热处理之前的组织状态?#21592;?#24418;也有一定的影响,例如,原始组织为球状珠光体的就比片状珠光体的在淬火后变形倾向要小。所?#21592;?#24418;要求严格的模具,常在粗加工后先进行一次调质处理,然后再进行精加工及最终热处理。

模具几何形状?#21592;?#24418;的影响

模具几何形状对热处理变形的影响,?#23548;?#19978;仍是通过热应力、组织应力来起作用的。由于模具的形状是多种多样的,要从中总结出确?#26800;?#21464;形规律,目前?#36141;?#22256;难。

?#26434;?#23545;称型的模具,可根据型腔尺寸、外形尺寸及高度来考虑型腔的变形倾向。当模具的壁薄、高度小时,则较易于淬透,这时有可能是组织应力起主导作用,因此,型腔常趋向胀大。反之,壁厚、高度大,则不易淬透,此时可能是热应力起主导作用,因此,型腔常趋向缩小。这里所说的是?#35805;?#36235;势,在生产?#23548;?#20013;,还须结合零件的具体形状,所采用的?#31181;?#21450;热处理工艺等来加以考虑,通过?#23548;?#19981;断总结出经验来。由于?#23548;?#29983;产中,模具的外形尺寸往往不是主要的工作尺寸,且变形后还可通过磨加工等加以校正,所以上面分析的主要是型腔的变形趋势。

?#26434;?#19981;对称的模具的变形,同样也是热应力、组织应力综合作用的结果。例如,?#21592;?#22721;薄边的模具,由于模壁薄,淬火时内外温差小,因而热应力小;但容易淬透,组织应力较大,所?#21592;?#24418;趋向于型腔胀大。

为了减小模具的变形,热处理部门应与模具设计部门共同研究,改善模具设计,如尽可能避免截面大小相差悬殊的模具结构、模具形状力求对称、复杂模具用拼合结构等。

当不能改变模具形状时,为了减小变形,还可以采取一些其它的措施。这些措施总的考虑是改善冷却条件,使各部分得以均匀冷却;此外,也可以辅助以各种强制措施,以限制零件的淬火变形。例如,增加工艺孔,就是使各部分均匀冷却的一个措施,即在模具某些部分开孔,使模具各个部分得以均匀地冷却以减小变形。也可在淬火后容易胀大的模具外围用石棉包住,以增大内孔与外层的冷却差异,使型腔收缩。在模具上留筋或加筋是减少变形的又一种强制措施,它特别适用于型腔胀大的凹模,及槽口易胀大或缩小的模具。 

热处理工艺对模具变形的影响

1、加热速度的影响

?#35805;?#26469;说,淬火加热时,加热速?#20173;?#24555;,则模具中产生的热应力越大,易于造成模具的变形开裂,尤其?#26434;?#21512;金钢及高合金钢,因其导热性差,尤需注意进行预热,?#26434;?#19968;些形状复杂的高合金模具,还需采取多次分?#23545;?#28909;。但在个别情况下,采用快速加热有时反而可以减少变形,这时仅加热模具的表面,而中心还保持“冷态”,所以相应地减少了组织应力和热应力,且心部变形抗力较大,从而减少了淬火变形,根据一些工厂经验,用于解决孔距变形方面有一定效果。

2、加热温度的影响

淬火加热温度的高低影响材料的淬透性,同时对奥氏体的成分与晶粒大小起作用。

(1)从淬透性方面看,加热温度高,将使热应力增大,但同时使淬透性增高,因此组织应力也增大,并逐渐占主导地位。

例如。碳素工具钢T8、T10、T12等,在?#35805;?#28140;火温度淬火时,内径表现为缩的倾向,但若提高淬火温度到≥850℃时,则由于淬透性增大,组织应力逐渐占主导地位,因而内径可能表现为胀的倾向。

(2)?#24433;?#27663;体成分看,淬火温度提高使奥氏体含碳量增加,淬火后马氏体的正方?#20173;?#22823;(?#28909;?#22686;大),从而使淬火后体积增大。

(3)从对Ms点影响细看,淬火温度高,则奥氏体晶粒粗大,将使零件的变形开裂倾向增大。

综合上述,对所?#26800;母种鄭?#23588;其是某些高碳的中、高合金钢,淬火温度的高低会明?#26434;?#21709;模具的淬火变形,因此,正确选择淬火加热温度是很重要的。

?#35805;?#26469;说,选择过高的淬火加热温度?#21592;?#24418;是没有好处的。在不影响使用性能的前提下,总是采用较低的加热温度。但对一些淬火后有较多残余奥氏体的钢号(如Cr12MoV等),也可通过调整加热温度,改变残余奥氏体量,以调节模具的变形。

3、淬火冷?#27492;?#24230;的影响

总的来说,在Ms点以上增大冷速,会使热应力显着增加,结果使热应力引起的变形趋向增大;在Ms点以下增大冷速则主要使组织应力引起的变形趋向增大。

?#26434;?#19981;同的?#31181;鄭?#30001;于Ms点的高低不同,因而在采用同一淬火介质时,有不同的变形趋向。同一?#31181;?#22914;采用不同的淬火介质,由于它们的冷却能力不同,因而也有不同的变形趋向。

例如,碳素工具钢的在Ms点比较低,因而采用水冷时,热应力的影响往往占上风;而采用由冷时,则可能是组织应力占上风。

在?#23548;?#29983;产中,模具常采用分级或分级-等温淬火时,通常均未完全淬透,故往往以热应力的作用为主,使型腔趋于收缩,不过由于这时热应力不是很大,因此总的变形量是比较小的。若采用水-油双液淬火或油淬时,引起的热应力较大,型腔收缩量将增大。

4、回火温度的影响

回火温度?#21592;?#24418;的影响,主要是由于回火过程中的组织转变所引起的。若在回火过程中产生“二次淬火”现象,残余奥氏体转变为马氏体,由于生成的马氏体的?#28909;?#27604;残余奥氏体的大,将引起模具型腔的胀大;对一些高合金工具钢如Cr12MoV等,当以要求红硬性为主而采用高温淬火,多次回火时,每回一次火,体积就胀大一次。

若在其他温度区域回火,由于淬火马氏体向回火马氏体(或回火索氏体、回火屈氏体等)转变,?#28909;?#20943;小,因而,型腔趋向于收缩。

另外,回火时,模具中的残余应力的松弛,?#21592;?#24418;也有影响。模具淬火后,若表面处于拉应力状态,回火后尺寸将增大;反之,若表面处于压应力状态,则产生收缩。但组织转变及应力松弛?#36739;?#24433;响中,前者是主要的。

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