提高线切割模具寿命的方法

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1 引言

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    目前电火花线切割机已被广泛应用于模具加工。由于线切割机床加工一般都是在热处理后进行，从而避免了热处理变形、表面脱碳等弊病。 有很多模具制造单位，往往是线切割后，稍加研磨就装配使用。还有的不经研磨就直接装配使用，结果经常出现崩刃、折断、碎裂现象，即使不出现上述现象，冲模的刃磨寿命也不长。
   
    本文就线切割后模块表面的应力状态及消除应力、提高其表面质量的方法，作初步探讨。

2 线切割后零件表面的应力状态

    目前，很多模具都采用快走丝线割机加工，线切割后的工件表面粗糙度Ra≥2.5μm，硬度分布和内应力状态都很差。

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    线切割机加工时，放电区电流密度高达10000A/mm2，温度高达10000℃～12000℃，加注的介质液急剧冷却，致使切割面表层硬度仅20HRC左右，而内部淬火层硬度却高达70HRC以上，其后为热影响区，再后才是原硬度区。尤为严重的是原材料内部因为淬火呈拉应力状态，线切割所产生的热应力也是拉应力，两种应力叠加的结果很容易达到材料的强度极限而产生微裂纹，从而大大缩短冲模寿命，因此线切割不能作为凸模、凹模的最终加工工序。从图1可以看出，CrWMn材料线切割后切口断面硬度分布及回火、时效后的硬度变化情况。

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3 消除线切割产生应力的措施

    3.1 研磨去掉白层
   
    目前，多数模具加工单位是在线切割后，用研磨的办法去掉表层20HRC的灰白层(即白层) 后便进行装配使用。这样做虽然可以去掉硬度低的白层，但没有改变线切割造成的应力区的应力状态，即使增大线切割后的研磨余量，但因高硬层硬度高(达70HRC) ，研磨困难，过大的研磨量容易破坏零件几何形状。故线切割产生的高硬度层并不能提高冲模寿命，因为其脆性大是产生裂纹、崩刃的根本原因。
 
    3.2 回火处理

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    在线切割后，研磨去零件表面的白层，再在160℃～180℃回火2h ， 则白层下面的高硬层可降低5HRC～6HRC，线切割产生的热应力亦有所下降，从而提高了冲模的韧性，延长了使用寿命。但是由于回火时间短，热应力消除不彻底，冲模寿命并不十分理想。

    3.3 磨削加工

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    线切割后磨削加工，可去掉低硬度的白层和高硬层，提高冲模寿命。因为磨削时产生的热应力也是拉应力，与线切割产生的热应力叠加，无疑也会加剧冲模损坏。若在磨削后，再进行低温时效处理，则可消除应力影响，显著提高冲模韧性，使冲模寿命提高。因为几何形状复杂的冲模大多数是采用线切割加工，所以磨削形状复杂的冲模必须采用价格昂贵的坐标磨床和光学曲线磨床，而这两种设备一般厂家都不具备， 故推广困难。

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    3.4 喷丸处理后再低温回火

   喷丸处理可使线切割切口的残余奥氏体转变为马氏体，提高冲模的强度和硬度，使表面层应力状态发生变化，拉应力降低，甚至变为压应力状态，使裂纹萌生和扩展困难，再结合低温回火，消除淬火层内拉应力，可使冲模寿命提高10～20倍。
   
    喷丸处理受设备条件和冲模零件形状(内表面) 限制，难以普遍应用。
   
    3.5 研磨后再低温时效处理
   
    线切割表面经研磨后，高硬层已基本去掉，再进行120℃～150℃×5～10h低温时效处理(亦称低温回火处理) ，亦可经过160℃～180℃×4～6h 低温回火处理。这样可消除淬火层内部拉应力，而硬度降低甚微(后者硬度降低稍大)，却大大提高了韧性，降低了脆性，冲模寿命可提高2倍以上。这一方法简便易行，效果十分明显，易于推广。

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   冷镦模和冷挤模在压制若干零件之后，模具内部的应力已经积聚很高，亦可用此方法消除应力，提高韧性，使寿命提高。

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4 应用举例
   
    某单位曾用材料为CrWMn的冲模，线切割后分别做如下试验，其寿命差异非常大。

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    (1) 直接用于冲裁，刃磨寿命10742次。

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    (2) 160℃回火2h，刃磨寿命11180次。

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    (3) 研磨去白层，刃磨寿命仅4860次。

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    (4) 研磨去白层，160℃×2h回火，刃磨寿命为7450次。

    (5) 磨削，刃磨寿命28743次。

    (6) 喷丸后经160℃×2h回火， 刃磨寿命达到220000次。

    用Cr12材料加工镦台模(如图2所示) ，被镦压工件材料为σb= 800MPa的可伐合金，原工艺为960℃～980℃油淬+160℃～180℃×2h回火，线切割后，经钳工研磨，直接压制，寿命仅数十件就断裂。

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    若经线切割后研磨，再进行160℃～180℃×2h回火，寿命达数百件，依然断裂。
   
    采用线切割后研磨，再进行120℃～150℃×6～10h低温时效处理， 寿命超过3000件，目前仍在使用。

5 有关研磨问题

    从图3 中可以看出凸、凹模的磨损是沿侧面(线切割表面) 和端面(刃磨表面) 两个方向同时发生的，前者磨损略大于后者。凸、凹模表面粗糙度值越低，耐疲劳强度越高，粗糙度值每降低1级，寿命可提高1倍。因此， 研磨凸、凹模时，必须两者兼顾。

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    有人曾做过这样的实验，把两组结构完全相同的凸、凹模，用来冲制同一材料。其中一组只研磨凸、凹模侧面、磨削端面， 另一组则是研磨侧面、端面磨削后再研磨， 实验结果，后者的寿命竟比前者高出近1倍。

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    上述实验结果不难理解，因为板料在冲裁时，随着凸模进入板料深度的增加，材料向凸、凹模刃口流动，直到凸模刃口和凹模刃口之间产生的裂纹重合时为止。在材料流动时，凸、凹模端面产生很大的摩擦力，摩擦力大小在很大程度上取决于凸、凹模端面粗糙度的高低，因此，研磨凸、凹模端面有利于提高冲模寿命，特别是形状复杂而精度要求高的中小型冲模。
   
6 结束语
   
    凸、凹模在线切割后的加工方法，对冲模的寿命影响极大。如何消除线切割加工产生的脆性，提高韧性，最佳方法是喷丸+ 低温回火，其次是磨削后+ 研磨+ 低温回火，再次是研磨+ 低温时效处理，各单位可根据自己的具体情况选择。