模具變形的影響因素分析及解決措施

一般模具要求精度較高,經熱處理以后,又不便于甚至不可能再進行加工和校正,因此,在熱處理后,即使組織性能已達到要求,但如變形超差,仍然因無法挽救而報廢,這樣不僅影響生產,而且還造成經濟上的損失。

有關熱處理變形的一般規律,這里不作討論,以下針對影響模具變形的一些因素作簡要的分析。

一.模具材料對熱處理變形的影響

材料對熱處理變形的影響,包括鋼的化學成分及原始組織兩方面的影響。從材料本身來看,主要通過成分對淬透性、Ms點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行水-油雙液淬火時,在Ms點以上產生很大的熱應力;當冷到Ms點以下時,奧氏體向馬氏體轉變,產生組織應力,但由于碳素工具鋼淬透性差,所以組織應力的數值不大。加上其Ms點不高,在發生馬氏體組織轉變時,鋼的塑性已經很差,不易發生塑性變形,因此,就保留了熱應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℃),也可能因組織應力起主導作用,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,其淬火變形規律與碳素工具鋼相似,但變形量要比碳素工具鋼要小。

對于一些高合金鋼,如Cr12MoV鋼等,由于其碳及合金元素含量較高,Ms點較低,因而淬火后有較多的殘余奧氏體,它對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小,一般用空冷、風冷、硝鹽浴淬火時,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。

若用碳素結構鋼(如45鋼)或某些合金結構鋼(如40Cr)制作模具,則因其Ms點較高,當表面開始馬氏體轉變時,心部溫度尚較高,屈服強度較低,有一定的塑性,表面對心部的瞬時拉伸組織應力,易于超過心部的屈服強度而使型腔趨向脹大。

鋼的原始組織對淬火變形也有一定的影響。這里所指的“鋼的原始組織”,包括鋼中夾雜物的級別、帶狀組織級別、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。

高碳高合金鋼(如Cr12型鋼)中碳化物偏析對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后的成分不均勻性,因而,不同區域的Ms點就會有高有低。在同樣冷卻條件下,奧氏體向馬氏體轉變就有先有后,轉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),所有這些都會造成零件淬火后的不均勻變形。

不同的碳化物分布形態(呈顆粒狀或纖維狀分布),對基體脹縮的影響也不同,因而也會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定,型腔所在面應與碳化物纖維方向垂直,以減小型腔的變形,當碳化物呈顆粒狀均勻分布時,則型腔表現為均勻的脹縮。

此外,最終熱處理之前的組織狀態對變形也有一定的影響,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,變形要求嚴格的模具,常在粗加工后先進行一次調質處理,然后再進行精加工及最終熱處理。

二.模具幾何形狀對變形的影響

模具幾何形狀對熱處理變形的影響,實際上仍是通過熱應力、組織應力來起作用的。由于模具的形狀是多種多樣的,要從中總結出確切的變形規律,目前還很困難。

對于對稱型的模具,可根據型腔尺寸、外形尺寸及高度來考慮型腔的變形傾向。當模具的壁薄、高度小時,則較易于淬透,這時有可能是組織應力起主導作用,因此,型腔常趨向脹大。反之,壁厚、高度大,則不易淬透,此時可能是熱應力起主導作用,因此,型腔常趨向縮小。這里所說的是一般趨勢,在生產實踐中,還須結合零件的具體形狀,所采用的鋼種及熱處理工藝等來加以考慮,通過實踐不斷總結出經驗來。由于實際生產中,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削加工等加以校正,所以上面分析的主要是型腔的變形趨勢。

對于不對稱的模具的變形,同樣也是熱應力、組織應力綜合作用的結果。例如,對薄壁薄邊的模具,由于模壁薄,淬火時內外溫差小,因而熱應力小;但容易淬透,組織應力較大,所以變形趨向于型腔脹大。

為了減小模具的變形,熱處理部門應與模具設計部門共同研究,改善模具設計,如盡可能避免截面大小相差懸殊的模具結構、模具形狀力求對稱、復雜模具用拼合結構等。

當不能改變模具形狀時,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改善冷卻條件,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措施,即在模具某些部分開孔,使模具各個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。

三.熱處理工藝對模具變形的影響

1.加熱速度的影響

一般來說,淬火加熱時,加熱速度越快,則模具中產生的熱應力越大,易于造成模具的變形開裂,尤其對于合金鋼及高合金鋼,因其導熱性差,尤需注意進行預熱,對于一些形狀復雜的高合金模具,還需采取多次分級預熱。但在個別情況下,采用快速加熱有時反而可以減少變形,這時僅加熱模具的表面,而中心還保持“冷態”,所以相應地減少了組織應力和熱應力,且心部變形抗力較大,從而減少了淬火變形,根據一些工廠經驗,用于解決孔距變形方面有一定效果。

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,同時對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,將使熱應力增大,但同時使淬透性增高,因此組織應力也增大,并逐漸占主導地位。例如:碳素工具鋼T8、T10、T12等,在一般淬火溫度淬火時,內徑表現為縮的傾向,但若提高淬火溫度到≥850℃時,則由于淬透性增大,組織應力逐漸占主導地位,因而內徑可能表現為脹的傾向。

(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Ms點影響細看,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。但對一些淬火后有較多殘余奧氏體的鋼號(如Cr12MoV等),也可通過調整加熱溫度,改變殘余奧氏體量,以調節模具的變形。

3.淬火冷卻速度的影響

總的來說,在Ms點以上增大冷速,會使熱應力顯著增加,結果使熱應力引起的變形趨向增大;在Ms點以下增大冷速,則主要使組織應力引起的變形趨向增大。

對于不同的鋼種,由于Ms點的高低不同,因而在采用同一淬火介質時,有不同的變形趨向。同一鋼種如采用不同的淬火介質,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點比較低,因而采用水冷時,熱應力的影響往往占上風;而采用由冷時,則可能是組織應力占上風。

在實際生產中,模具常采用分級或分級-等溫淬火時,通常均未完全淬透,故往往以熱應力的作用為主,使型腔趨于收縮,不過由于這時熱應力不是很大,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,引起的熱應力較大,型腔收縮量將增大。

4.回火溫度的影響

回火溫度對變形的影響,主要是由于回火過程中的組織轉變所引起的。若在回火過程中產生“二次淬火”現象,殘余奧氏體轉變為馬氏體,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;對一些高合金工具鋼如Cr12MoV等,當以要求紅硬性為主而采用高溫淬火,多次回火時,每回一次火,體積就脹大一次。若在其他溫度區域回火,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)轉變,比容減小,因而,型腔趨向于收縮。

另外,回火時,模具中的殘余應力的松弛,對變形也有影響。模具淬火后,若表面處于拉應力狀態,回火后尺寸將增大;反之,若表面處于壓應力狀態,則產生收縮。但組織轉變及應力松弛兩項影響中,前者是主要的原因。

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