电火花线切割加工技术在模具加工中的应用

HEATS

　　在模具加工中，电火花线切割加工技术得到了广泛的应用，但在线切割加工过程中，模具易产生变形和产生裂纹，造成零件的报废，使得成本增加等问题屡屡发生。所以，线切割加工中模具的变形和开裂问题，也越来越引起人们的关注，多年来，人们对线切割加工的变形和开裂认识不够，往往造成线切割加工部门与来料加工者之间相互推脱责任，产生矛盾。其实，变形和开裂的原因是多方面的，如材料问题、热处理问题、结构设计问题、工艺安排问题及线切割时工件的装夹和切割线路选择的问题等等。在这诸多因素中，能否找到线切割加工变形和开裂规律呢？笔者通过多年的深入研究，提出了以下防止变形和开裂的措施。1产生变形及裂纹的主要因素

2 v/ n6 N; P! ^; u& k

　　在生产实践中，作者经过大量的实例分析，发现线切割加工产生变形和裂纹与下列因素有关。1.1与零件的结构有关

% ]! ]: M, v1 z) D# n8 ~

　　1)凡窄长形状的凹模、凸模易产生变形，其变形量的大小与形状复杂程度、长宽比、型腔与边框的宽度比有关。形状越复杂，长宽比及型腔与边框宽度比越大，其模具变形量越大。变形的规律是型腔中部瘪入，凸模通常是翘曲；

　　2)凡是形状复杂清角的淬火型腔，在尖角处极易产生裂纹，甚至易出现炸裂现象。其出现的频率与材料的成分、热处理工艺等有关；

8 {" R. y. L" J8 b. j

　　3)圆筒形壁厚较簿零件，若在内壁进行切割，易产生变形，一般由圆形变为椭圆形。若将其切割缺口，在即将切透时易产生炸裂现象；

　　4)由零件外部切入的较深槽口，易产生变形，变形的规律为口部内收，变形量的大小与槽口的深度及材料性质有关。1.2与热加工工艺有关

7 T& f4 K- q& r% ?( M7 q* ^0 B: ]9 [/ ~ $ t8 c7 X% R( n3 ~) D

　　1)模具毛坯在锻造时始锻温度过高或过低，终锻温度偏低的零件；

) y% J( G- W1 G, P

　　2)终锻温度过高，晶粒长大，终锻后冷却速度过慢，有网状碳化物析出的模坯；

　　3)锻坯退火没有按照球化退火工艺进行，球化珠光体超过5级的零件；

8 s$ e4 a3 J. L M" l6 c, c. B

　　4)淬火加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性；

　　5)淬火工件未及时回火和回火不充分的零件。1.3与机械加工工艺有关

　　1)面积较大的凹模，中间大面积切除而又事先未挖空，因切去框内较大的体积，框形尺寸将产生一定的变形；

) }! [; t& `- E( x

　　2)凡坯料中无外形起点穿丝孔，不得不从坯料外切入的，不论其凸模回火和形状如何，一般容易产生变形，尤其是淬火件变形严重，甚至在切割中产生裂纹；

; ] A$ h* I: i: H

　　3)对热处理后的磨削零件，无砂轮粒度、进刀量、冷却方式等工艺要求，磨削后表面有烧伤及微裂纹等疵病的零件。1.4与材料有关

　　1)原材料存在严重的碳化物偏析；

# N* Z5 i( O- A; i7 {5 i

　　2)淬透性差、易变形的材料，如T10A、T8A等。1.5与线切割工艺有关

x2 c9 N9 H+ ~1 j& o) A5 v $ J( Z* @- t. N* w$ f4 r8 p

　　1)线切割路径选择不当，易产生变形；

9 c0 C0 o3 Q# _# m

　　2)工件的夹压方式不可靠、夹压点的选择不当，均易产生变形；

# x [5 r/ r6 B8 u1 Y, L

　　3)电规准选择不当，易产生裂纹。2防止变形和开裂的措施

　　找到了变形和开裂的原因，即可对症下药采取相应的措施予以避免，防止变形、开裂。具体的措施可以从以下几个方面入手：2.1选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺

) k7 u2 L" n5 r1 p

　　为了防止和减少变形、开裂，对需要线切割加工的模具，应对材料的选择、热加工、热处理直到制成成品的各个环节都要充分关注和重视；

5 [3 j# K( L# s9 r2 c 3 ~3 U1 l- p, L" L

　　1)严格检查原材料化学成分、金相组织和探伤，对于不合格原材料和粗晶粒钢材及有害杂质含量超标钢材不宜选用；

4 Q2 ~7 M; V2 m/ Q

　　2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔钢材；

2 g( ]2 j. |& w. n4 {6 f

　　3)避免选用淬透性差、易变形材料；

4 ]4 f1 V K: i9 a9 H) ]' J

　　4)坯料应合理锻造，遵守镦粗、拔长、锻压比等锻造守则，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2-3之间；

! t' ^+ l; i4 y* `7 X3 O; t& G : R* |7 }+ j" b6 ]% j/ D- r

　　5)改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；

5 z7 K3 Q6 {* q$ Q+ g9 g$ i4 M # W. S# R! }0 @0 V! J, ^/ u1 U

　　6)选择理想的冷却速度和冷却介质；

* k/ W% D- U! e7 M* ?& C8 A7 D) k B7 x$ n. z1 ?0 s2 Q6 W( W

　　7)淬火钢应及时回火，尽量消除淬火内应力，降低脆性；

: F3 r# A1 T- K

　　8)用较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值；

) ]. |) E E* J+ |) j) f' Y

　　9)充分回火，得到稳定组织性能；

$ ^# I" q/ p/ g 8 S; v; _5 d1 P& A- _/ W! l2 L

　　10)多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力；

) Q- N* U$ B) t/ A6 n

　　11)对于有第二类回火脆性模具钢高温回火后应快冷(水冷或油冷)，可消除二类回火脆性；

1 S# y! z$ ~9 V* t5 v , |) v' r5 y( f* j8 C" l

　　12)模具钢化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始组织。2.2合理安排机械加工工艺

1 ^/ ?6 u4 Q8 c: q! O' S & p/ T9 p. d. I/ X: T! s

　　1)线切割工件坯料的大小，要根据零件的大小确定，不宜太小。一般情况下，图形应位于坯料中部或离毛坯边缘较远而不易产生变形的位置上，通常应取图形到坯料边距大于10mm；

2 { b3 u' V/ T

　　2)凡较大的型腔或窄长而复杂的凸模，配制坯料时要改变传统的实心板料习惯。大框型腔、窄长型腔等易变形零件，其中间部位应镂空。这样淬火时表里状况得以改善，温差小，产生的应力小，同时切割时切除的体积也就小，应力达到平衡也就不至受破坏；

　　3)在模具使用允许的情况下，大框形型腔零件的清角处，应适当增加工艺圆角R，或在线切割之前将清角处钻空，以缓解应力集中的现象；

w2 V$ M: a0 p4 G8 _. G h7 z: J

　　4)对凸模零件，在淬火之前应在凸块坯料中钻外形起点的穿丝孔，使工件在切割时保持内应力平衡且不被破坏，以免从材料外切入引起开裂变形。2.3优化线切割加工的工艺方案，选择合理的工艺参数2.3.1该进切割方法

　　1)改变一次切割到位的传统习惯为粗、精二次切割，以便第一次粗切割后的变形量在精切割时及时地被修正。一般精切割时的切割量应根据第一次切割后的变形量大小而定，一般取0.5mm左右即可。这种办法常应用于形状复杂而势必产生变形的零件或要求精度较高、配合间隙较小的模具；

, W) ?. y5 Y/ V/ `2 l+ r% d! m

　　2)改变两点夹压的习惯为单点夹压，以便切割过程中的变形能自由伸张，防止两点夹压对变形的干涉，但要注意，单点夹压的合理部位通常在末尾程序处。这样所产生的变形只影响废料部分，避免了对成型部分的影响；

　　3)对易变形的切割零件，要根据零件形状特征统筹安排切割的起始点、程序走向及夹压位置，以减少变形量。一般应选择较平坦、已精加工或对工件性能影响不大的部位设置线切割的起始点。2.3.2选择合理的工艺参数

　　1)采用高峰值窄脉冲电参数，使工件材料以气相抛出，气化温度大大高于融化温度，以带走大部分热量，避免工件表面过热而产生变形；

# | K7 w5 F- g" v" ?( Q9 o! t

　　2)有效地进行逐个脉冲检测，控制好集中放电脉冲串的长度，也可解决局部过热问题，消除裂纹的产生；

b) P1 [2 M# c& X- w 8 O6 o) G) D! W0 c* P0 g' H

　　3)脉冲能量对裂纹的影响极其明显，能量越大，裂纹则越宽越深；脉冲能量很小时，例如采用精加工电规准，表面粗糙度值＜Ra1.25μm,一般不易出现裂纹。【MechNet】