模具线切割加工变形和开裂原因分析和对策

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

* U- n8 M1 v, I: Z6 N: I3 Y5 Q

　　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

$ B/ A4 D. G( t" E8 ^0 d

　　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；

; w Z/ s9 k- o- O' }+ H

　　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；

2 r6 _0 G2 F3 R( _! p* m6 Q $ x4 m0 o4 e+ W' H+ t U. J: S

　　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

+ J' s# q1 |: Q* s2 J5 t/ t: S

　　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；

4 L/ d9 G. F, a# X# k

　　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；

: J( V L K1 U& p1 W9 y ; I' D0 z! A7 k" O+ D3 |2 f

　　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；

　　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；

6 [( M9 ~9 ^% @9 U8 k# _ E

　　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；

　　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。

@7 z5 q& |0 y J! I( C" v 3 z4 @' A+ `( q% U) N

　　1.4与材料有关

　　1)原材料存在严重的碳化物偏析；

- ]5 q+ K8 R6 F5 S' o : j/ W9 E2 j4 D) Y

　　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

) P7 o9 I1 s4 m. H

　　1)线切割路径选择不当，易产生变形；

　　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；

　　3)电规准选择不当，易产生裂纹。

0 W1 J9 c+ u0 @/ o+ M

　　2防止变形和开裂的措施

+ {7 [5 B O/ O9 ~

　　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：

& ~) J5 ]0 n2 X' m& y8 c+ i3 N [

　　2.1选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺

- D0 N+ x$ Z( b) g 4 K8 z2 D! V5 ]& z

　　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；

8 b5 I; m8 E7 C1 ?' F7 R

　　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；

0 c# S4 u/ k2 i5 I( t ) r1 [+ A! Z% z8 |+ N, p8 P, H

　　2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔钢材；

- p' w8 `! V: Q/ J' Y# Y

　　3)避免选用淬透性差、易变形材料；

' Z# u6 q, F2 T1 a R# |, [: a/ b * b0 l0 k* y8 G7 `, v, t

　　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；

6 o3 `8 G; x! r/ A$ @ * W. Y/ i" ]9 |: b. O, u- L

　　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；

, b. S/ R+ u, S

　　6)选择理想的冷却速度和冷却介质；

　　7)淬火钢应及时回火，尽量消除淬火内应力，降低脆性；

. n( P& C, o+ @! U8 ~3 T7 j7 `

　　8)用较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值；

% U) G( H) ~' I' }

　　9)充分回火，得到稳定组织性能；

7 G0 w, @/ `) p6 S 0 Z: `- R; s2 J/ w: s) ?* m

　　10)多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力；

+ Y/ F9 K( }$ w' k& c8 a

　　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；

　　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。

8 U4 x2 X6 y- ]2 |5 b/ Y2 j) c; E- g# O

　　2.2合理安排机械加工工艺

# E; l5 d) L# H. Q ~

　　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；

1 H; @# T8 N& P( O( h# n1 Y5 X

　　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；

1 [! Q8 s6 i$ R

　　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。

0 N* T7 A; v7 S

　　2.3优化线切割加工的工艺方案，选择合理的工艺参数

1 p; V3 f: Y r/ P5 F, [

　　2.3.1该进切割方法

& R! V0 i5 i7 M. h) {

　　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；

% r: ]* L/ X2 F6 H& y1 u* ?0 k& z 2 E* F2 Y' Z! I/ A6 L# y9 |% k" W

　　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 H, U- d5 K& q0 f5 N9 k

　　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。

! t9 R7 x& ~! I" j1 M$ x+ Y

　　2.3.2选择合理的工艺参数

& v- L- C8 n8 e) Y

　　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；

7 G. {. l/ L5 Q" u4 k4 L( |5 L8 P

　　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；

v7 J8 z4 ?7 f h: q' e( ]

　　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】

) J6 l' h- k% S3 u% V8 ^ & D9 P1 s: H- b. c3 `& u