模具變形的原因分析

2017-04-17 by:CAE仿真在線來源:互聯網

模具變形的原因分析機械設計圖例圖片1

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。

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。

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。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。

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