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模具变形的原因分析
2022/3/31 0:00:00

一.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,主要通过成分对淬透性、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,不易发生塑性变形,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。

对于一些高合金钢,如Cr12MoV钢等,由于其碳及合金元素含量较高,Ms点较低,因而淬火后有较多的残余奥氏体,它对由于马氏体而致的体积膨胀有抵消作用,因此,淬火后的变形就相当小,一般用空冷、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。

高碳高合金钢(如Cr12型钢)中碳化物偏析对淬火变形的影响特别明显。由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点就会有高有低。在同样冷却条件下,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比容有大有小,甚至有一些低碳、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。

此外,最终热处理之前的组织状态对变形也有一定的影响,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。所以变形要求严格的模具,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。

二.模具几何形状对变形的影响

模具几何形状对热处理变形的影响,实际上仍是通过热应力、组织应力来起作用的。由于模具的形状是多种多样的,要从中总结出确切的变形规律,目前还很困难。

对于对称型的模具,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。这里所说的是一般趋势,在生产实践中,还须结合零件的具体形状,所采用的钢种及热处理工艺等来加以考虑,通过实践不断总结出经验来。由于实际生产中,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削加工等加以校正,所以上面分析的主要是型腔的变形趋势。

对于不对称的模具的变形,同样也是热应力、组织应力综合作用的结果。例如,对薄壁薄边的模具,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,所以变形趋向于型腔胀大。

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。

三.热处理工艺对模具变形的影响

1.加热速度的影响

一般来说,淬火加热时,加热速度越快,则模具中产生的热应力越大,易于造成模具的变形开裂,尤其对于合金钢及高合金钢,因其导热性差,尤需注意进行预热,对于一些形状复杂的高合金模具,还需采取多次分级预热。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。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。

实践证明,模具的热加工质量对模具的性能与使用寿命影响甚大。从模具失效原因的分析统计可知,因热处理不当所引发模具失效“事故”约占40%以上。


(1)锻造工艺:这是模具工作零件制造过程中的重要环节。对于高合金工具钢的模具,通常对材料碳化物分布等金相组织提出技术要求。


(2)预备热处理:应视模具工作零件的材料和要求的不同分别采用退火、正火或调质等预备热处理工艺,以改善组织,消除锻造毛坯的组织缺陷,改善加工工艺性。高碳合金模具钢经过适当的预备热处理,可消除网状二次渗碳体或链状碳化物,使碳化物球化、细化,促进碳化物分布均匀性,这样有利于保证淬火、回火质量,提高模具寿命。


(3)淬火与回火:这是模具热处理中的关键环节。若淬火加热时产生过热,不仅会使工件造成较大的脆性,而且,在冷却时容易引起变形和开裂,严重影响模具寿命。冲模淬火加热时特别应注意防止氧化和脱碳,应严格控制热处理工艺规范,在条件允许的情况下,可采用真空热处理。淬火后应及时回火,并根据技术要求采用不同的回火工艺。


(4)消应力退火:模具工作零件在粗加工后,应进行消应力退火处理,其目的是消除粗加工所造成的内应力,以免淬火时产生过大的变形和裂纹。对于精度要求高的模具,在磨削或电加工后还需经过消应力回火处理,有利于稳定模具精度,提高使用寿命。

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