1、合理设计

     模具主要是根据使用要求而设计的,其结构有时往往不能做到完全合理和均匀对称。这就要求设计师在设计模具时,在不影响模具使用性能的前提下,采取一些有效的措施,尽量注意到制造的工艺性、结构的合理性及几何形状的对称性。

(1)尽量避免尖角和厚薄相差悬殊的截面

     应避免厚薄悬殊的截面、薄边及尖角。在模具的厚薄交界处应平滑过渡。这样能有效地降低模具截面的温差,减小热应力,同时也可减小截面上组织转变的不同时性,减小组织应力。图1所示为模具采用过渡圆角与过渡圆锥。

图1

图2 凹模的合理壁厚

(2)适当增加工艺孔

     对于有些实在无法保证截面均匀及对称的模具,应在不影响使用性能的前提下,变不通孔为通孔,或者适当增加一些工艺孔。

     图3a所示为一型腔狭窄的凹模,淬火后会产生如虚线所示的变形。如设计时能增加2个工艺孔(如图3b所示),则减小了淬火过程中截面的温差,降低了热应力,使变形情况有了明显的改善。

     图4所示也是增加工艺孔或变不通孔为通孔的实例,可减小因厚薄不均而增大的开裂敏感性。

图4

(3)尽可能采用封闭及对称结构

     模具形状为开口或不对称结构时,淬火后应力分布不均匀,极易变形。所以一般易变形的槽形模具,应尽量在淬火前留筋,淬火后再切除,图5所示的槽形工件,原来淬火后在R处发生变形,经加筋(图5中阴影线部分)后,能有效地防止淬火变形。

图5

(4)采用组合式结构

     对于形状复杂、尺寸>400mm的大型凹模及厚度小、长度大的凸模,最好采用组合式结构,化繁为简,化大为小,变模具内表面为外表面,不仅便于冷热加工,而且能有效地减小变形与开裂。

     设计组合式结构时,一般应在不影响配合精度的情况下按下列原则进行分解:

   (1)调整厚度,使截面相差悬殊的模具在分解后截面基本均匀。

    (2)在容易产生应力集中的地方分解,分散其应力,防止开裂。

   (3)配合工艺孔,使结构对称。

   (4)便于冷、热加工,便于拼装。

   (5)最为重要的是必须确保使用性。

图6 大型凹模

      如图6所示为一大型凹模,若采用整体式结构,不但热处理有困难,而且淬火后型腔各处收缩不一致,甚至会引起刃口凹凸和平面扭曲,且在以后的加工中难以补救,因此,可采用组合式结构。按图6中虚线分为四块,经热处理后再拼装成型并磨削再配合,这不仅使热处理简化,而且解决了变形问题。

2、正确选材

     热处理变形、开裂与所用钢材及其质量密切相关,因此应根据模具的使用性能要求。综合考虑模具精度、结构和尺寸大小,以及加工对象的性质、数量和加工方式等因素合理选用。一般模具若无变形和精度要求,则从降低成本方面考虑,可采用碳素工具钢;对于易变形、开裂件,可选用强度较高、临界淬火冷却速度较慢的合金工具钢;图7所示为一电子元件冲模。原用T10A钢,水淬油冷变形较大且易开裂,碱浴淬火型腔又不易淬硬。现改用9Mn2V钢或CrWMn钢,淬火硬度和变形都能符合要求。

图7 电子元件冲模

      由此可见,当用碳钢制造的模具变形达不到要求时,改用9Mn2V钢或CrWMn钢等合金钢,虽然材料成本稍高,但解决了变形、开裂问题,总体来说仍是合算的。

     在正确选材的同时,还要加强对原材料的检验和管理,防止因原材料缺陷而导致模具热处理开裂。

3、合理制定技术条件

     合理制定技术条件(包括硬度要求)是防止淬火变形、开裂的一条重要途径。局部硬化或表面硬化就可以满足使用要求的,尽量不要整体淬火。对于整体淬火模具,局部可放宽要求的,尽量不要强求一致。对于成本高或结构复杂的模具,当热处理难以达到技术要求时,应更改技术条件,适当放宽那些对使用寿命影响不大的要求,以免因多次返修而造成报废。

      对于所选用的钢种,不能以其所能达到的最高硬度作为设计时规定的技术条件。因为最高硬度往往是用尺寸有限的小试样测得的,与实际尺寸较大的模具所能达到的硬度相差很大。由于追求最高硬度往往需要提高淬火冷却速度,从而增大淬火变形与开裂倾向,所以用较高的硬度作为技术条件,即使尺寸较小的模具也会给热处理操作带来一定的困难。总之,设计者应根据使用性能和选定的钢种,合理地制定切实可行的技术条件。此外,在对所选定的钢种提出硬度要求时,还应避开产生回火脆性的硬度范围。

     正确处理机械加工与热处理之间的关系,合理安排工艺流程,使冷、热加工密切配合是减小模具热处理变形的有效措施。

1、合理安排工艺流程的关键

     有些模具的变形,单从热处理的角度来考虑是无法解决问题的,但如转换思维方式,从整个工艺流程着手,往往能收到意想不到的效果。图8所示是一半圆形模具,由于形状不对称,淬火时会产生显著的扭曲变形。如在淬火前加工成整体的圆环,等热处理后再用锯片砂轮将其切成两件,则不但降低成本,还可以减少变形。

图8 半圆形模具

2、根据特点预留加工余量

      热处理时难免会有变形,如能掌握其变形特点,合理地预留加工余量,不但可简化热处理操作,还能减少随后的机械加工,特别是磨削加工的工作量。图9所示为一个45钢的成型模,热处理后内孔会趋向胀大,故机械加工时,应预先留出负公差,使热处理后符合设计要求。

     对于那些事先无法预料变形大小和方向的模具,则可在型腔未加工到设计尺寸前,进行一次试淬,根据其变形特点,留出相应的机械加工余量。

图9 成型模

3、必要的去应力退火或时效处理

     对于精密模具,因其切削加工或磨削加工产生的应力会引起变形与开裂,故如在工艺流程中增加去应力退火或时效处理,往往能显著减少变形并防止开裂。例如,对于细长轴类及形状复杂的模具,在粗加工成型后进行一次去应力退火,以消除切削加工应力,这对减少淬火变形十分有效。再如,对于一些需要精磨的模具,在热处理并粗磨后,可安排一道时效处理工序,用以消除磨削应力,稳定尺寸,防止发生变形及开裂。

      钢中的带状组织和成分偏析往往会造成模具的不均匀变形,淬火前的基体组织状况也会影响模具淬火前后的比体积差。在一定条件下,钢中原始组织的好坏成为影响热处理变形的主要因素。为了减小淬火变形,除了在淬火过程中采取有效的措施外,还应适当控制淬火前钢中的组织。

1、合理锻造

     实践证明,合理进行锻造是减小热处理变形,保证模具有较高寿命的关键。对合金钢(如CrWMn,Cr12和Cr12MoV钢)尤其重要。这类钢能实现低变形的前提是经充分锻造,使钢内部碳化物偏析程度达到最小,因此必须在以下5个环节中正确控制锻造过程:

(1)锻造方法 

     需经多次锻造后成形,一般高合金钢不少于三次,以保证碳化物破碎并均匀分布。

(2)锻造比 

      要有一定的锻造比,如高合金钢总锻造比一般为8-10。

(3)加热速度 

      缓慢升温到800℃左右,而后再缓慢加热到1100-1150℃。在加热过程中,应将毛坯经常翻转,力求加热均匀、烧透。

(4)控制终锻温度 

     终锻温度过高,晶粒易长大,性能变差(终锻温度过低,塑性降低,易形成带状组织,还易断裂。

2、预先热处理

     模具变形与开裂不仅与淬火过程中产生的应力有关,而且与淬火前的原始组织和残余内应力有关。因此,必须对模具毛坯进行必要的预先热处理。

     一般来说,用T7和T8钢制造的尺寸较小的模具,在淬火时体积容易胀大,如预先进行调质处理,获得比体积较大的回火索氏体组织,则可减小淬火变形。而用高碳钢T10和T12钢等制造的尺寸较大的模具,淬火时体积容易收缩,则应采取球化退火,可取得比调质处理更好的效果。

     对于低合金工具钢,在机械加工后安排一次调质处理,使合金碳化物均匀分布,对改善组织和消除锻造及原始组织的不良影响有着较好的效果。调质处理可得到分布均匀的碳化物和细粒状索氏体组织,增大了原始组织的比体积,既能提高钢的力学性能,又有利于减小变形。对于高合金工具钢(如高铬钢)模具,经过调质后,淬火时将发生不同程度的收缩,所以如将调质中的高温回火改为退火处理,淬火后可获得较好的效果。

     合金结构钢采用预先调质处理能得到较高的硬度,且可减小淬火时的比体积变化,有利于减小淬火变形与开裂。采用低温退火消除模具的冷加工应力较调质处理简单,周期较短,氧化少,且不同材料可采用相同的工艺处理。
为了消除因锻造不良而产生的网状碳化物,增加淬透层深度,可采用正火处理。

     综上所述,各种预先热处理都应按照模具的胀缩规律,预先调整原始组织和消除机械加工应力,以减少变形和开裂。

     为减少及预防工件淬火变形,除了合理地设计工件、选材、制定热处理技术要求,以及对工件毛坯正确进行热加工(铸、锻、焊)和预先热处理外,更为重要的是在热处理方面必须注意以下问题:

(1)合理选择加热温度

     在保证淬硬的前提下,一般应尽量选择低一些的淬火温度。但对于一些高碳合金钢模具(如CrWMn,Cr12Mo钢),可通过适当提高淬火温度来降低Ms点,增大残余奥氏体量,以控制淬火变形。另外,对厚度较大的高碳钢模具,也可适当提高其淬火温度来防止产生淬火裂纹。对易变形、开裂的模具,在淬火前还应先进行去应力退火。

(2)合理进行加热

      应尽量做到均匀加热,减少加热时的热应力。对于大截面、形状复杂、变形要求高的高合金钢模具,一般都应经过预热或限制加热速度。

(3)正确选择冷却方式和冷却介质

     尽可能选用预冷淬火、分级淬火和分级冷却方式。预冷淬火对细长或薄模具的减少变形有较好的效果,对于厚薄悬殊的模具,在一定程度上可以起到减小变形的作用。对于形状复杂、截面相差悬殊的模具,采用分级淬火较好。如高速钢采用580-620℃分级淬火,基本上避免了淬火变形和开裂。

(4)正确掌握淬火操作方法

     正确选择工件淬入介质的方式,保证模具得到最均匀的冷却并沿最小阻力方向进入冷却介质,将冷却最慢的面朝着液体运动。当模具冷却至Ms点以下时,应停止运动。例如,厚薄不均匀的模具,应使厚的部分先淬入;截面变化大的工件,可通过增加工艺孔、预留加强肋、孔中塞堵石棉等方法来减少热处理变形;对有凹凸面或有通孔的工件,应使凹面和孔向上淬入,以便排出通孔内的气泡。

      热处理是模具制造过程中不可缺少的加工工艺之一,它对模具的质量和成本有很大的影响,是提高模具使用寿命的重要措施之一。变形与开裂是模具热处理中的两大难题,其产生的原因是复杂的,但是只要掌握其规律,对其进行认真的分析和研究,对症下药,模具的变形是可以减少,且其开裂也是可以控制的。

来源:常州精密钢管博客网