這三大因素是模具變形的關(guān)鍵所在
發(fā)布日期：2024-03-21
目前，在模具制造中，已開始應(yīng)用電火花加工、成型磨削、線切割等新工藝，較好地解決了復(fù)雜模具的加工和熱處理變形問題。然而，這些新工藝由于受到各種條件的限制，尚未能普遍應(yīng)用。因此，如何減少模具的熱處理變形，目前仍是一個(gè)很重要的問題。
一般模具要求精度較高，經(jīng)熱處理以后，又不便于甚至不可能再進(jìn)行加工和校正，因此，在熱處理后，即使組織性能已達(dá)到要求，但如變形超差，仍然因無法挽救而報(bào)廢，這樣不僅影響生產(chǎn)，而且還造成經(jīng)濟(jì)上的損失。
有關(guān)熱處理變形的一般規(guī)律，這里不作討論，以下針對(duì)影響模具變形的一些因素作簡(jiǎn)要的分析。
模具材料對(duì)熱處理變形的影響
材料對(duì)熱處理變形的影響，包括鋼的化學(xué)成分及原始組織兩方面的影響。
從材料本身來看，主要通過成分對(duì)淬透性、Ms點(diǎn)等的影響而影響熱處理變形。
碳素工具鋼在正常淬火溫度進(jìn)行水-油雙液淬火時(shí)，在Ms點(diǎn)以上產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力;當(dāng)冷到Ms點(diǎn)以下時(shí)，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生組織應(yīng)力，但由于碳素工具鋼淬透性差，所以組織應(yīng)力的數(shù)值不大。加上其Ms點(diǎn)不高，在發(fā)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變時(shí)，鋼的塑性已經(jīng)很差，不易發(fā)生塑性變形，因此，就保留了熱應(yīng)力作用所造成的變形特征，模具型腔趨向收縮。但若淬火溫度提高(>850℃)，也可能因組織應(yīng)力起主導(dǎo)作用，而使型腔趨向于脹大。
在用9Mn2V，9SiCr，CrWMn，GCr15鋼等低合金工具鋼制作模具時(shí)，其淬火變形規(guī)律與碳素工具鋼相似，但變形量要比碳素工具鋼要小。
對(duì)于一些高合金鋼，如Cr12MoV鋼等，由于其碳及合金元素含量較高，Ms點(diǎn)較低，因而淬火后有較多的殘余奧氏體，它對(duì)由于馬氏體而致的體積膨脹有抵消作用，因此，淬火后的變形就相當(dāng)小，一般用空冷、風(fēng)冷、硝鹽浴淬火時(shí)，模具型腔趨于微量脹大;若淬火溫度過高，則殘余奧氏體量增加，型腔也可能縮小。
若用碳素結(jié)構(gòu)鋼(如45鋼)或某些合金結(jié)構(gòu)鋼(如40Cr)制作模具，則因其Ms點(diǎn)較高，當(dāng)表面開始馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，心部溫度尚較高，屈服強(qiáng)度較低，有的塑性，表面對(duì)心部的瞬時(shí)拉伸組織應(yīng)力，易于超過心部的屈服強(qiáng)度而使型腔趨向脹大。
鋼的原始組織對(duì)淬火變形也有的影響。這里所指的“鋼的原始組織”，包括鋼中夾雜物的級(jí)別、帶狀組織級(jí)別、成份的偏析程度、游離碳化物分布的方向性等，以及由于不同的預(yù)先熱處理而得到的不同組織(如珠光體、回火索氏體、回火屈氏體等)。對(duì)模具鋼來說，主要考慮的是碳化物偏析、碳化物的形狀和分布形態(tài)。
高碳高合金鋼(如Cr12型鋼)中碳化物偏析對(duì)淬火變形的影響特別明顯。由于碳化物偏析造成鋼加熱至奧氏體狀態(tài)后的成分不均勻性，因而，不同區(qū)域的Ms點(diǎn)就會(huì)有高有低。在同樣冷卻條件下，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變就有先有后，轉(zhuǎn)變后的馬氏體就因含碳量不同而比容有大有小，甚至有一些低碳、低合金區(qū)域可能根本得不到馬氏體(而得到貝氏體、屈氏體等)，所有這些都會(huì)造成零件淬火后的不均勻變形。
不同的碳化物分布形態(tài)(呈顆粒狀或纖維狀分布)，對(duì)基體脹縮的影響也不同，因而也會(huì)影響熱處理后的變形，一般是順著碳化物纖維方向型腔脹大，且較顯著;而垂直于纖維方向則縮小，但不顯著，有些廠為此特作了規(guī)定，型腔所在面應(yīng)與碳化物纖維方向垂直，以減小型腔的變形，當(dāng)碳化物呈顆粒狀均勻分布時(shí)，則型腔表現(xiàn)為均勻的脹縮。
此外，熱處理之前的組織狀態(tài)對(duì)變形也有影響，例如，原始組織為球狀珠光體的就比片狀珠光體的在淬火后變形傾向要小。所以變形要求嚴(yán)格的模具，常在粗加工后先進(jìn)行一次調(diào)質(zhì)處理，然后再進(jìn)行精加工及終熱處理。
模具幾何形狀對(duì)變形的影響
模具幾何形狀對(duì)熱處理變形的影響，實(shí)際上仍是通過熱應(yīng)力、組織應(yīng)力來起作用的。由于模具的形狀是多種多樣的，要從中總結(jié)出確切的變形規(guī)律，目前還很困難。
對(duì)于對(duì)稱型的模具，可根據(jù)型腔尺寸、外形尺寸及高度來考慮型腔的變形傾向。當(dāng)模具的壁薄、高度小時(shí)，則較易于淬透，這時(shí)有可能是組織應(yīng)力起主導(dǎo)作用，因此，型腔常趨向脹大。反之，壁厚、高度大，則不易淬透，此時(shí)可能是熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用，因此，型腔常趨向縮小。這里所說的是一般趨勢(shì)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，還須結(jié)合零件的具體形狀，所采用的鋼種及熱處理工藝等來加以考慮，通過實(shí)踐不斷總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)來。由于實(shí)際生產(chǎn)中，模具的外形尺寸往往不是主要的工作尺寸，且變形后還可通過磨加工等加以校正，所以上面分析的主要是型腔的變形趨勢(shì)。
對(duì)于不對(duì)稱的模具的變形，同樣也是熱應(yīng)力、組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。例如，對(duì)薄壁薄邊的模具，由于模壁薄，淬火時(shí)內(nèi)外溫差小，因而熱應(yīng)力小;但容易淬透，組織應(yīng)力較大，所以變形趨向于型腔脹大。
為了減小模具的變形，熱處理部門應(yīng)與模具設(shè)計(jì)部門共同研究，模具設(shè)計(jì)，如盡可能避免截面大小相差懸殊的模具結(jié)構(gòu)、模具形狀力求對(duì)稱、復(fù)雜模具用拼合結(jié)構(gòu)等。
當(dāng)不能改變模具形狀時(shí)，為了減小變形，還可以采取一些其它的措施。這些措施總的考慮是冷卻條件，使各部分得以均勻冷卻;此外，也可以輔助以各種強(qiáng)制措施，以限制零件的淬火變形。例如，增加工藝孔，就是使各部分均勻冷卻的一個(gè)措施，即在模具某些部分開孔，使模具各個(gè)部分得以均勻地冷卻以減小變形。也可在淬火后容易脹大的模具外圍用石棉包住，以增大內(nèi)孔與外層的冷卻差異，使型腔收縮。在模具上留筋或加筋是減少變形的又一種強(qiáng)制措施，它特別適用于型腔脹大的凹模，及槽口易脹大或縮小的模具。
熱處理工藝對(duì)模具變形的影響
1、加熱速度的影響
一般來說，淬火加熱時(shí)，加熱速度越快，則模具中產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大，易于造成模具的變形開裂，尤其對(duì)于合金鋼及高合金鋼，因其導(dǎo)熱性差，尤需注意進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)于一些形狀復(fù)雜的高合金模具，還需采取多次分級(jí)預(yù)熱。但在個(gè)別情況下，采用快速加熱有時(shí)反而可以減少變形，這時(shí)僅加熱模具的表面，而中心還保持“冷態(tài)”，所以相應(yīng)地減少了組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，且心部變形抗力較大，從而減少了淬火變形，根據(jù)一些工廠經(jīng)驗(yàn)，用于解決孔距變形方面有 效果。
2、加熱溫度的影響
淬火加熱溫度的高低影響材料的淬透性，同時(shí)對(duì)奧氏體的成分與晶粒大小起作用。
(1)從淬透性方面看，加熱溫度高，將使熱應(yīng)力增大，但同時(shí)使淬透性增高，因此組織應(yīng)力也增大，并逐漸占主導(dǎo)地位。
例如。碳素工具鋼T8、T10、T12等，在一般淬火溫度淬火時(shí)，內(nèi)徑表現(xiàn)為縮的傾向，但若提高淬火溫度到≥850℃時(shí)，則由于淬透性增大，組織應(yīng)力逐漸占主導(dǎo)地位，因而內(nèi)徑可能表現(xiàn)為脹的傾向。
(2)從奧氏體成分看，淬火溫度提高使奧氏體含碳量增加，淬火后馬氏體的正方度增大(比容增大)，從而使淬火后體積增大。
(3)從對(duì)Ms點(diǎn)影響細(xì)看，淬火溫度高，則奧氏體晶粒粗大，將使零件的變形開裂傾向增大。
綜合上述，對(duì)所有的鋼種，尤其是某些高碳的中、高合金鋼，淬火溫度的高低會(huì)明顯影響模具的淬火變形，因此，正確選擇淬火加熱溫度是很重要的。
一般來說，選擇過高的淬火加熱溫度對(duì)變形是沒有好處的。在不影響使用性能的前提下，總是采用較低的加熱溫度。但對(duì)一些淬火后有較多殘余奧氏體的鋼號(hào)(如Cr12MoV等)，也可通過調(diào)整加熱溫度，改變殘余奧氏體量，以調(diào)節(jié)模具的變形。
3、淬火冷卻速度的影響
總的來說，在Ms點(diǎn)以上增大冷速，會(huì)使熱應(yīng)力顯著增加，結(jié)果使熱應(yīng)力引起的變形趨向增大;在Ms點(diǎn)以下增大冷速則主要使組織應(yīng)力引起的變形趨向增大。
對(duì)于不同的鋼種，由于Ms點(diǎn)的高低不同，因而在采用同一淬火介質(zhì)時(shí)，有不同的變形趨向。同一鋼種如采用不同的淬火介質(zhì)，由于它們的冷卻能力不同，因而也有不同的變形趨向。
例如，碳素工具鋼的在Ms點(diǎn)比較低，因而采用水冷時(shí)，熱應(yīng)力的影響往往占上風(fēng);而采用由冷時(shí)，則可能是組織應(yīng)力占上風(fēng)。
在實(shí)際生產(chǎn)中，模具常采用分級(jí)或分級(jí)-等溫淬火時(shí)，通常均未淬透，故往往以熱應(yīng)力的作用為主，使型腔趨于收縮，不過由于這時(shí)熱應(yīng)力不是很大，因此總的變形量是比較小的。若采用水-油雙液淬火或油淬時(shí)，引起的熱應(yīng)力較大，型腔收縮量將增大。
4、回火溫度的影響
回火溫度對(duì)變形的影響，主要是由于回火過程中的組織轉(zhuǎn)變所引起的。若在回火過程中產(chǎn)生“二次淬火”現(xiàn)象，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，由于生成的馬氏體的比容比殘余奧氏體的大，將引起模具型腔的脹大;對(duì)一些高合金工具鋼如Cr12MoV等，當(dāng)以要求紅硬性為主而采用高溫淬火，多次回火時(shí)，每回一次火，體積就脹大一次。
若在其他溫度區(qū)域回火，由于淬火馬氏體向回火馬氏體(或回火索氏體、回火屈氏體等)轉(zhuǎn)變，比容減小，因而，型腔趨向于收縮。
另外，回火時(shí)，模具中的殘余應(yīng)力的松弛，對(duì)變形也有影響。模具淬火后，若表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)，回火后尺寸將增大;反之，若表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，則產(chǎn)生收縮。但組織轉(zhuǎn)變及應(yīng)力松弛兩項(xiàng)影響中，前者是主要的。
這三大因素是模具變形的關(guān)鍵所在
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