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模具变形的影响因素主要有哪些
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鑫隆

时间 : 2019-10-15 10:54 浏览量 : 11

  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,但如模具变形超差,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,且较显着;而垂直于纤维方向则缩小,但不显着,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,会使热应力显着增加,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。


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