模具变形的主要影响因素
一般模具要求精度较高，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且还造成经济上的损失。 有关热处理变形的一般规律，这里不作讨论，以下针对影响模具变形的一些因素作一简要的分析。 （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。 钢的原始组织对淬火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、游离碳化物分布的方向性等，以及由于不同的预先热处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。 不同的碳化物分布形态（呈颗粒状或纤维状分布），对基体涨缩的影响也不同，因而也会影响热处理后的变形，一般是顺着碳化物纤维方向型腔涨大，且较显著；而垂直于纤维方向则缩小，但不显著，有些厂为此特作了规定，型腔所在面应与碳化物纤维方向垂直，以减小型腔的变形，当碳化物呈颗粒状均匀分布时，则型腔表现为均匀的涨缩。 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，这时又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，还可采取一些其他措施。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，以此外也可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。 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，在一般淬火温度淬火时，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得倾向。 2）从奥氏体成分看，淬火温度提高使奥氏体含碳量增加，淬火后马氏体的正方度增大（比容增大），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，对所有的钢种，尤其是某些高碳的中、高合金钢，淬火温度的高低会明显影响模具的淬火变形，因此正确选择淬火加热温度是很重要的。 一般来说，选择过高的淬火加热温度对变形是没有好处的。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.淬火冷却速度的影响 总的来说，在Ms点以上增大冷速，会使热应力显著增加，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。 对于不同的钢种，由于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。同一钢种如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。 在实际生产中，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 回火温度对变形的影响，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比容比残余奥氏体的大，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，比容减小，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，对变形也有影响，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，如表面处于压应力状态，则产生收缩。 但组织转变及应力松弛两项影响中，前者是主要的。 以上仅是从热处理方面分析了模具变形的各个因素，这只能作为解决问题的参考。 实际上一个模具的变形往往是多种因素综合作用的结果。要解决一个具体的模具变形问题就必须作详细的调查，综合考虑模具的设计、材料的选择、钢材的冶金及锻造质量、加工工艺流程以及本厂的生产条件等各方面的因素，针对具体情况作具体分析，只有这样才能找到解决问题的正确途径。
页:
[1]