模具變形的主要影響因素
/ 2021/6/5 10:41:06
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一般
模具要求精度較高，經(jīng)熱處理以后，又不便于甚至不可能再進(jìn)行加工和校正，因此在熱處理后，即使組織性能已達到要求，但如變形超差，仍然因無(wú)法挽救而報廢，這樣不僅影響生產(chǎn)而且還造成經(jīng)濟上的損失。
有關(guān)熱處理變形的一般規律，這里不作討論，以下針對影響模具變形的一些因素作一簡(jiǎn)要的分析。
材料對熱處理變形的影響，包括鋼的化學(xué)成分及原始組織兩方面的影響。
從材料本身來(lái)看。主要通過(guò)成分對淬透性、Ms點(diǎn)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(jìn)行水-油雙液淬火時(shí)，在Ms點(diǎn)以上產(chǎn)生很大的熱應力；當冷到Ms點(diǎn)以下時(shí)，奧氏體向馬氏體轉變，產(chǎn)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(diǎn)不高，在發(fā)生馬氏體組織轉變時(shí)，鋼的塑性已經(jīng)很差，不易發(fā)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(shí)，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(diǎn)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(fēng)冷、硝鹽浴淬火時(shí)，模具型腔趨于微量脹大；若淬火溫度過(guò)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(diǎn)較高，當表面開(kāi)始馬氏體轉變時(shí)，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(shí)拉伸組織應力，易于超過(guò)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。這里所指的“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、游離碳化物分布的方向性等，以及由于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(lái)說(shuō)，主要考慮的是碳化物偏析，碳化物的形狀和分布形態(tài)。
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(tài)后的成分不均勻性，因而不同區域的Ms點(diǎn)就會(huì )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(huì )造成零件淬火后的不均勻變形。
不同的碳化物分布形態(tài)（呈顆粒狀或纖維狀分布），對基體漲縮的影響也不同，因而也會(huì )影響熱處理后的變形，一般是順著(zhù)碳化物纖維方向型腔漲大，且較顯著(zhù)；而垂直于纖維方向則縮小，但不顯著(zhù)，有些廠(chǎng)為此特作了規定，型腔所在面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(shí)，則型腔表現為均勻的漲縮。
此外，最終熱處理之前的組織狀態(tài)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(jìn)行一次調質(zhì)處理，然后再進(jìn)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(shí)際上仍是通過(guò)熱應力、組織應力來(lái)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(chēng)型的模具，可根據型腔尺寸，外形尺寸及高度來(lái)考慮型腔的變形傾向。當模具的壁薄，高度小時(shí)，則較易于淬透，這時(shí)又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(shí)可能是熱應力起主導作用，因此型腔常趨向縮小。這里所說(shuō)的是一般趨勢，在生產(chǎn)實(shí)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(lái)加以考慮，通過(guò)實(shí)踐不斷總結出經(jīng)驗來(lái)。由于實(shí)際生產(chǎn)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(guò)磨加工等加以校正，所以上面分析的主要是型腔的變形趨勢。
對于不對稱(chēng)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(shí)內外溫差小，因而熱應力小；但容易淬透，組織應應力較大，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(mén)應與模具設計部門(mén)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(chēng)，復雜模具用拼合結構等。
當不能改變模具形狀時(shí)，為了減小變形，還可采取一些其他措施。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，以此外也可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(gè)措施，即在模具某些部分開(kāi)孔，使模具各個(gè)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(lái)說(shuō)，淬火加熱時(shí)，加熱速度越快，則模具中產(chǎn)生的熱應力越大，易于造成模具的變形開(kāi)裂，尤其對于合金鋼及高合金鋼，因其導熱性差，尤需注意進(jìn)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(gè)別情況下，采用快速加熱有時(shí)反而可以減少變形。這時(shí)僅加熱模具的表面，而中心還保持“冷態(tài)”，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(chǎng)經(jīng)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(shí)對奧氏體的成分與晶粒大小起作用。
1）從淬透性方面看，加熱溫度高，將使熱應力增大，但同時(shí)使淬透性增高，因此組織應力也增大，并逐漸占主導地位。例如碳素工具鋼T8、T10、T12等，在一般淬火溫度淬火時(shí)，內徑表現為縮的傾向，但若提高淬火溫度到≥850℃時(shí)，則由于淬透性增大，組織應力逐漸占主導地位，因而內徑可能表現為脹得傾向。
2）從奧氏體成分看，淬火溫度提高使奧氏體含碳量增加，淬火后馬氏體的正方度增大（比容增大），從而使淬火后體積增大。
3）從對Ms點(diǎn)影響細看，淬火溫度高，則奧氏體晶粒粗大，將使零件的變形開(kāi)裂傾向增大。
綜合上述，對所有的鋼種，尤其是某些高碳的中、高合金鋼，淬火溫度的高低會(huì )明顯影響模具的淬火變形，因此正確選擇淬火加熱溫度是很重要的。
一般來(lái)說(shuō)，選擇過(guò)高的淬火加熱溫度對變形是沒(méi)有好處的。在不影響使用性能的前提下，總是采用較低的加熱溫度。但對一些淬火后有較多殘余奧氏體的鋼號（如Cr12MoV等），也可通過(guò)調整加熱溫度，改變殘余奧氏體量，以調節模具的變形。
3.淬火冷卻速度的影響
總的來(lái)說(shuō)，在Ms點(diǎn)以上增大冷速，會(huì )使熱應力顯著(zhù)增加，結果使熱應力引起的變形趨向增大；在Ms點(diǎn)以下增大冷速則主要使組織應力引起的變形趨向增大。
對于不同的鋼種，由于Ms點(diǎn)的高低不同，因而在采用同一淬火介質(zhì)時(shí)，有不同的變形趨向。同一鋼種如采用不同的淬火介質(zhì)，由于它們的冷卻能力不同，因而也有不同的變形趨向。
例如，碳素工具鋼的在Ms點(diǎn)比較低，因而采用水冷時(shí)，熱應力的影響往往占上風(fēng)；而采用由冷時(shí)，則可能是組織應力占上風(fēng)。
在實(shí)際生產(chǎn)中，模具常采用分級或分級-等溫淬火時(shí)，通常均未完全淬透，故往往以熱應力的作用為主，使型腔趨于收縮，不過(guò)由于這時(shí)熱應力不是很大，因此總的變形量是比較小的。若采用水-油雙液淬火或油淬時(shí)，引起的熱應力較大，型腔收縮量將增大。
4.回火溫度的影響
回火溫度對變形的影響，主要是由于回火過(guò)程中的組織轉變所引起的。若在回火過(guò)程中產(chǎn)生“二次淬火”現象，殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，由于生成的馬氏體的比容比殘余奧氏體的大，將引起模具型腔的脹大；對一些高合金工具鋼如Cr12MoV等，當以要求紅硬性為主而采用高溫淬火，多次回火時(shí)，每回一次火，體積就脹大一次。
若在其他溫度區域回火，由于淬火馬氏體向回火馬氏體（或回火索氏體，回火屈氏體等）轉變，比容減小，因而型腔趨向于收縮。
另外，回火時(shí)模具中的殘余應力的松弛，對變形也有影響，模具淬火后，若表面處于拉應力狀態(tài)，回火后尺寸將增大；反之，如表面處于壓應力狀態(tài)，則產(chǎn)生收縮。
但組織轉變及應力松弛兩項影響中，前者是主要的。
以上僅是從熱處理方面分析了模具變形的各個(gè)因素，這只能作為解決問(wèn)題的參考。
實(shí)際上一個(gè)模具的變形往往是多種因素綜合作用的結果。要解決一個(gè)具體的模具變形問(wèn)題就必須作詳細的調查，綜合考慮模具的設計、材料的選擇、鋼材的冶金及鍛造質(zhì)量、加工工藝流程以及本廠(chǎng)的生產(chǎn)條件等各方面的因素，針對具體情況作具體分析，只有這樣才能找到解決問(wèn)題的正確途徑。
