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模具变形的影响因素分析及解决措施


  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),对基体胀缩的影响也不同,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胀大,且较显著;而垂直于纤维方向则缩小,但不显著,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胀缩。
  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
a   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,这时有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削加工等加以校正,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,还可以采取一些其它的措施。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;此外,也可以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。
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