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模具线切割加工变形和开裂原因分析与对策
已阅[3119]次[2010/7/3]

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

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

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;
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

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;
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;
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;
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。

1.4 与材料有关

1)原材料存在严重的碳化物偏析;
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

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。

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

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;

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;
2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔钢材;
3)避免选用淬透性差、易变形材料;
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;
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;
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;
8)用较长时间回火,提高模具抗断裂韧性值;
9)充分回火,得到稳定组织性能;
10)多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力;
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。

2.2 合理安排机械加工工艺

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)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;
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;
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;
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;
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。

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