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模具變形的影響因素分析及解決措施


  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麵的影響。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,但由於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,而使型腔趨向於脹大。
  在用9Mn2V,9SiCr,CrWMn,GCr15鋼等低合金工具鋼製作模具時,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。
  對於一些高合金鋼,如Cr12MoV鋼等,由於其碳及合金元素含量較高,Ms點較低,因而淬火後有較多的殘餘奧氏體,它對由於馬氏體而致的體積膨脹有抵消作用,因此,淬火後的變形就相當小,一般用空冷、風冷、硝鹽浴淬火時,模具型腔趨於微量脹大;若淬火溫度過高,則殘餘奧氏體量增加,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)製作模具,則因其Ms點較高,當表麵開始馬氏體轉變時,心部溫度尚較高,屈服強度較低,有一定的塑性,表麵對心部的瞬時拉伸組織應力,易於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。這裏所指的“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、遊離碳化物分布的方向性等,以及由於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。由於碳化物偏析造成鋼加熱至奧氏體狀態後的成分不均勻性,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後,轉變後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後的不均勻變形。
  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後的變形,一般是順著碳化物纖維方向型腔脹大,且較顯著;而垂直於纖維方向則縮小,但不顯著,有些廠為此特作了規定,型腔所在麵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後變形傾向要小。所以,變形要求嚴格的模具,常在粗加工後先進行一次調質處理,然後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
a   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。由於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。
  對於對稱型的模具,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,則較易於淬透,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。這裏所說的是一般趨勢,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。由於實際生產中,模具的外形尺寸往往不是主要的工作尺寸,且變形後還可通過磨削加工等加以校正,所以上麵分析的主要是型腔的變形趨勢。
  對於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,由於模壁薄,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,所以變形趨向於型腔脹大。
  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,如盡可能避免截麵大小相差懸殊的模具結構、模具形狀力求對稱、複雜模具用拚合結構等。
  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製措施,以限製零件的淬火變形。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。也可在淬火後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製措施,它特別適用於型腔脹大的凹模,及槽口易脹大或縮小的模具。
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