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精密儀器

模具熱處理變形與開裂的預(yù)防措施




合理設(shè)計(jì)與正確選材


1、合理設(shè)計(jì)
模具主要是根據(jù)使用要求而設(shè)計(jì)的,其結(jié)構(gòu)有時往往不能做到完全合理和均勻?qū)ΨQ。這就要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)模具時,在不影響模具使用性能的前提下,采取一些有效的措施,盡量注意到制造的工藝性、結(jié)構(gòu)的合理性及幾何形狀的對稱性。


(1)盡量避免尖角和厚薄相差懸殊的截面
應(yīng)避免厚薄懸殊的截面、薄邊及尖角。在模具的厚薄交界處應(yīng)平滑過渡。這樣能有效地降低模具截面的溫差,減小熱應(yīng)力,同時也可減小截面上組織轉(zhuǎn)變的不同時性,減小組織應(yīng)力。圖1所示為模具采用過渡圓角與過渡圓錐。



(2)適當(dāng)增加工藝孔
對于有些實(shí)在無法保證截面均勻及對稱的模具,應(yīng)在不影響使用性能的前提下,變不通孔為通孔,或者適當(dāng)增加一些工藝孔。


圖3a所示為一型腔狹窄的凹模,淬火后會產(chǎn)生如虛線所示的變形。如設(shè)計(jì)時能增加2個工藝孔(如圖3b所示),則減小了淬火過程中截面的溫差,降低了熱應(yīng)力,使變形情況有了明顯的改善。

圖4所示也是增加工藝孔或變不通孔為通孔的實(shí)例,可減小因厚薄不均而增大的開裂敏感性。



(3)盡可能采用封閉及對稱結(jié)構(gòu)
模具形狀為開口或不對稱結(jié)構(gòu)時,淬火后應(yīng)力分布不均勻,極易變形。所以一般易變形的槽形模具,應(yīng)盡量在淬火前留筋,淬火后再切除,圖5所示的槽形工件,原來淬火后在R處發(fā)生變形,經(jīng)加筋(圖5中陰影線部分)后,能有效地防止淬火變形。


(4)采用組合式結(jié)構(gòu)
對于形狀復(fù)雜、尺寸>400mm的大型凹模及厚度小、長度大的凸模,最好采用組合式結(jié)構(gòu),化繁為簡,化大為小,變模具內(nèi)表面為外表面,不僅便于冷熱加工。而且能有效地減小變形與開裂。

設(shè)計(jì)組合式結(jié)構(gòu)時,一般應(yīng)在不影響配合精度的情況下按下列原則進(jìn)行分解:(1)調(diào)整厚度,使截面相差懸殊的模具在分解后截面基本均勻。(2)在容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方分解,分散其應(yīng)力,防止開裂。(3)配合工藝孔,使結(jié)構(gòu)對稱。(4)便于冷、熱加工,便于拼裝。(5)最為重要的是必須確保使用性。

如圖6所示為一大型凹模,若采用整體式結(jié)構(gòu),不但熱處理有困難,而且淬火后型腔各處收縮不一致,甚至?xí)鹑锌诎纪购推矫媾で?,且在以后的加工中難以補(bǔ)救,因此,可采用組合式結(jié)構(gòu)。按圖6中虛線分為四塊,經(jīng)熱處理后再拼裝成型并磨削再配合,這不僅使熱處理簡化,而且解決了變形問題。

2、正確選材
熱處理變形、開裂與所用鋼材及其質(zhì)量密切相關(guān),因此應(yīng)根據(jù)模具的使用性能要求。綜合考慮模具精度、結(jié)構(gòu)和尺寸大小,以及加工對象的性質(zhì)、數(shù)量和加工方式等因素合理選用。一般模具若無變形和精度要求,則從降低成本方面考慮,可采用碳素工具鋼;對于易變形、開裂件,可選用強(qiáng)度較高、臨界淬火冷卻速度較慢的合金工具鋼;圖7所示為一電子元件沖模。原用T10A鋼,水淬油冷變形較大且易開裂,堿浴淬火型腔又不易淬硬。現(xiàn)改用9Mn2V鋼或CrWMn鋼,淬火硬度和變形都能符合要求。

由此可見,當(dāng)用碳鋼制造的模具變形達(dá)不到要求時,改用9Mn2V鋼或CrWMn鋼等合金鋼,雖然材料成本稍高,但解決了變形、開裂問題,總體來說仍是合算的。

在正確選材的同時,還要加強(qiáng)對原材料的檢驗(yàn)和管理,防止因原材料缺陷而導(dǎo)致模具熱處理開裂。

3、合理制定技術(shù)條件
合理制定技術(shù)條件(包括硬度要求)是防止淬火變形、開裂的一條重要途徑。局部硬化或表面硬化就可以滿足使用要求的,盡量不要整體淬火。對于整體淬火模具,局部可放寬要求的,盡量不要強(qiáng)求一致。對于成本高或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具,當(dāng)熱處理難以達(dá)到技術(shù)要求時,應(yīng)更改技術(shù)條件,適當(dāng)放寬那些對使用壽命影響不大的要求,以免因多次返修而造成報(bào)廢。


對于所選用的鋼種,不能以其所能達(dá)到的最高硬度作為設(shè)計(jì)時規(guī)定的技術(shù)條件。因?yàn)樽罡哂捕韧怯贸叽缬邢薜男≡嚇訙y得的,與實(shí)際尺寸較大的模具所能達(dá)到的硬度相差很大。由于追求最高硬度往往需要提高淬火冷卻速度,從而增大淬火變形與開裂傾向,所以用較高的硬度作為技術(shù)條件,即使尺寸較小的模具也會給熱處理操作帶來一定的困難??傊O(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)使用性能和選定的鋼種,合理地制定切實(shí)可行的技術(shù)條件。此外,在對所選定的鋼種提出硬度要求時,還應(yīng)避開產(chǎn)生回火脆性的硬度范圍。






合理安排工藝流程


正確處理機(jī)械加工與熱處理之間的關(guān)系,合理安排工藝流程,使冷、熱加工密切配合是減小模具熱處理變形的有效措施。

1、合理安排工藝流程的關(guān)鍵
有些模具的變形,單從熱處理的角度來考慮是無法解決問題的,但如轉(zhuǎn)換思維方式,從整個工藝流程著手,往往能收到意想不到的效果。圖8所示是一半圓形模具,由于形狀不對稱,淬火時會產(chǎn)生顯著的扭曲變形。如在淬火前加工成整體的圓環(huán),等熱處理后再用鋸片砂輪將其切成兩件,則不但降低成本,還可以減少變形。

2、根據(jù)特點(diǎn)預(yù)留加工余量
熱處理時難免會有變形,如能掌握其變形特點(diǎn),合理地預(yù)留加工余量,不但可簡化熱處理操作,還能減少隨后的機(jī)械加工,特別是磨削加工的工作量。圖9所示為一個45鋼的成型模,熱處理后內(nèi)孔會趨向脹大,故機(jī)械加工時,應(yīng)預(yù)先留出負(fù)公差,使熱處理后符合設(shè)計(jì)要求。

對于那些事先無法預(yù)料變形大小和方向的模具,則可在型腔未加工到設(shè)計(jì)尺寸前,進(jìn)行一次試淬,根據(jù)其變形特點(diǎn),留出相應(yīng)的機(jī)械加工余量。

3、必要的去應(yīng)力退火或時效處理
對于精密模具,因其切削加工或磨削加工產(chǎn)生的應(yīng)力會引起變形與開裂,故如在工藝流程中增加去應(yīng)力退火或時效處理,往往能顯著減少變形并防止開裂。例如,對于細(xì)長軸類及形狀復(fù)雜的模具,在粗加工成型后進(jìn)行一次去應(yīng)力退火,以消除切削加工應(yīng)力,這對減少淬火變形十分有效。再如,對于一些需要精磨的模具,在熱處理并粗磨后,可安排一道時效處理工序,用以消除磨削應(yīng)力,穩(wěn)定尺寸,防止發(fā)生變形及開裂。






合理進(jìn)行鍛造和預(yù)先熱處理


鋼中的帶狀組織和成分偏析往往會造成模具的不均勻變形,淬火前的基體組織狀況也會影響模具淬火前后的比體積差。在一定條件下,鋼中原始組織的好壞成為影響熱處理變形的主要因素。為了減小淬火變形,除了在淬火過程中采取有效的措施外,還應(yīng)適當(dāng)控制淬火前鋼中的組織。


1、合理鍛造
實(shí)踐證明,合理進(jìn)行鍛造是減小熱處理變形,保證模具有較高壽命的關(guān)鍵。對合金鋼(如CrWMn,Cr12和Cr12MoV鋼)尤其重要。這類鋼能實(shí)現(xiàn)低變形的前提是經(jīng)充分鍛造,使鋼內(nèi)部碳化物偏析程度達(dá)到最小,因此必須在以下5個環(huán)節(jié)中正確控制鍛造過程:

(1)鍛造方法 需經(jīng)多次鍛造后成形,一般高合金鋼不少于三次,以保證碳化物破碎并均勻分布。(2)鍛造比 要有一定的鍛造比,如高合金鋼總鍛造比一般為8-10.(3)加熱速度 緩慢升溫到800℃左右,而后再緩慢加熱到1100-1150℃。在加熱過程中,應(yīng)將毛坯經(jīng)常翻轉(zhuǎn),力求加熱均勻、燒透。(4)控制終鍛溫度 終鍛溫度過高,晶粒易長大,性能變差(終鍛溫度過低,塑性降低,易形成帶狀組織,還易斷裂。

2、預(yù)先熱處理
模具變形與開裂不僅與淬火過程中產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān),而且與淬火前的原始組織和殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。因此,必須對模具毛坯進(jìn)行必要的預(yù)先熱處理。

一般來說,用T7和T8鋼制造的尺寸較小的模具,在淬火時體積容易脹大,如預(yù)先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,獲得比體積較大的回火索氏體組織,則可減小淬火變形。而用高碳鋼T10和T12鋼等制造的尺寸較大的模具,淬火時體積容易收縮,則應(yīng)采取球化退火,可取得比調(diào)質(zhì)處理更好的效果。


對于低合金工具鋼,在機(jī)械加工后安排一次調(diào)質(zhì)處理,使合金碳化物均勻分布,對改善組織和消除鍛造及原始組織的不良影響有著較好的效果。調(diào)質(zhì)處理可得到分布均勻的碳化物和細(xì)粒狀索氏體組織,增大了原始組織的比體積,既能提高鋼的力學(xué)性能,又有利于減小變形。對于高合金工具鋼($如高鉻鋼)模具,經(jīng)過調(diào)質(zhì)后,淬火時將發(fā)生不同程度的收縮,所以如將調(diào)質(zhì)中的高溫回火改為退火處理,淬火后可獲得較好的效果。

合金結(jié)構(gòu)鋼采用預(yù)先調(diào)質(zhì)處理能得到較高的硬度,且可減小淬火時的比體積變化,有利于減小淬火變形與開裂。采用低溫退火消除模具的冷加工應(yīng)力較調(diào)質(zhì)處理簡單,周期較短,氧化少,且不同材料可采用相同的工藝處理。

為了消除因鍛造不良而產(chǎn)生的網(wǎng)狀碳化物,增加淬透層深度,可采用正火處理。

綜上所述,各種預(yù)先熱處理都應(yīng)按照模具的脹縮規(guī)律,預(yù)先調(diào)整原始組織和消除機(jī)械加工應(yīng)力,以減少變形和開裂。


70周年



采用合理的熱處理工藝


為減少及預(yù)防工件淬火變形,除了合理地設(shè)計(jì)工件、選材、制定熱處理技術(shù)要求,以及對工件毛坯正確進(jìn)行熱加工(鑄、鍛、焊)和預(yù)先熱處理外,更為重要的是在熱處理方面必須注意以下問題:

(1)合理選擇加熱溫度
在保證淬硬的前提下,一般應(yīng)盡量選擇低一些的淬火溫度。但對于一些高碳合金鋼模具(如CrWMn,Cr12Mo鋼),可通過適當(dāng)提高淬火溫度來降低Ms點(diǎn),增大殘余奧氏體量,以控制淬火變形。另外,對厚度較大的高碳鋼模具,也可適當(dāng)提高其淬火溫度來防止產(chǎn)生淬火裂紋。對易變形、開裂的模具,在淬火前還應(yīng)先進(jìn)行去應(yīng)力退火。

(2)合理進(jìn)行加熱
應(yīng)盡量做到均勻加熱,減少加熱時的熱應(yīng)力。對于大截面、形狀復(fù)雜、變形要求高的高合金鋼模具,一般都應(yīng)經(jīng)過預(yù)熱或限制加熱速度。

(3)正確選擇冷卻方式和冷卻介質(zhì)
盡可能選用預(yù)冷淬火、分級淬火和分級冷卻方式。預(yù)冷淬火對細(xì)長或薄模具的減少變形有較好的效果,對于厚薄懸殊的模具,在一定程度上可以起到減小變形的作用。對于形狀復(fù)雜、截面相差懸殊的模具,采用分級淬火較好。如高速鋼采用580-620℃分級淬火,基本上避免了淬火變形和開裂。

(4)正確掌握淬火操作方法
正確選擇工件淬入介質(zhì)的方式,保證模具得到最均勻的冷卻并沿最小阻力方向進(jìn)入冷卻介質(zhì),將冷卻最慢的面朝著液體運(yùn)動。當(dāng)模具冷卻至Ms點(diǎn)以下時,應(yīng)停止運(yùn)動。例如,厚薄不均勻的模具,應(yīng)使厚的部分先淬入;截面變化大的工件,可通過增加工藝孔、預(yù)留加強(qiáng)肋、孔中塞堵石棉等方法來減少熱處理變形;對有凹凸面或有通孔的工件,應(yīng)使凹面和孔向上淬入,以便排出通孔內(nèi)的氣泡。





結(jié)語


熱處理是模具制造過程中不可缺少的加工工藝之一,它對模具的質(zhì)量和成本有很大的影響,是提高模具使用壽命的重要措施之一。變形與開裂是模具熱處理中的兩大難題,其產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的,但是只要掌握其規(guī)律,對其進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究,對癥下藥,模具的變形是可以減少,且其開裂也是可以控制的。


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