模具線切割加工變形和開裂原因分析與對(duì)策

    在模具加工中，電火花線切割加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但在線切割加工過程中，模具易產(chǎn)生變形和產(chǎn)生裂紋，造成零件的報(bào)廢，使得成本增加等問題屢屢發(fā)生。所以，線切割加工中模具的變形和開裂問題，也越來越引起人們的關(guān)注，多年來，人們對(duì)線切割加工的變形和開裂認(rèn)識(shí)不夠，往往造成線切割加工部門與來料加工者之間相互推脫責(zé)任，產(chǎn)生矛盾。其實(shí)，變形和開裂的原因是多方面的，如材料問題、熱處理問題、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題、工藝安排問題及線切割時(shí)工件的裝夾和切割線路選擇的問題等等。在這諸多因素中，能否找到線切割加工變形和開裂規(guī)律呢？筆者通過多年的深入研究，提出了以下防止變形和開裂的措施。

1 產(chǎn)生變形及裂紋的主要因素

   在生產(chǎn)實(shí)踐中，作者經(jīng)過大量的實(shí)例分析，發(fā)現(xiàn)線切割加工產(chǎn)生變形和裂紋與下列因素有關(guān)。

1.1 與零件的結(jié)構(gòu)有關(guān)

1）凡窄長形狀的凹模、凸模易產(chǎn)生變形，其變形量的大小與形狀復(fù)雜程度、長寬比、型腔與邊框的寬度比有關(guān)。形狀越復(fù)雜，長寬比及型腔與邊框?qū)挾缺仍酱螅�其模具變形量越大。變形的�?guī)律是型腔中部癟入，凸模通常是翹曲；

2）凡是形狀復(fù)雜清角的淬火型腔，在尖角處極易產(chǎn)生裂紋，甚至易出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。其出現(xiàn)的頻率與材料的成分、熱處理工藝等有關(guān)；

3）圓筒形壁厚較簿零件，若在內(nèi)壁進(jìn)行切割，易產(chǎn)生變形，一般由圓形變?yōu)闄E圓形。若將其切割缺口，在即將切透時(shí)易產(chǎn)生炸裂現(xiàn)象；

4）由零件外部切入的較深槽口，易產(chǎn)生變形，變形的規(guī)律為口部內(nèi)收，變形量的大小與槽口的深度及材料性質(zhì)有關(guān)。

1.2 與熱加工工藝有關(guān)

1）模具毛坯在鍛造時(shí)始鍛溫度過高或過低，終鍛溫度偏低的零件；

2）終鍛溫度過高，晶粒長大，終鍛后冷卻速度過慢，有網(wǎng)狀碳化物析出的模坯；

3) 鍛坯退火沒有按照球化退火工藝進(jìn)行，球化珠光體超過5級(jí)的零件；

4）淬火加熱溫度過高，奧氏體晶粒粗大，降低材料強(qiáng)韌性，增加脆性；

5）淬火工件未及時(shí)回火和回火不充分的零件。

1.3 與機(jī)械加工工藝有關(guān)

1）面積較大的凹模，中間大面積切除而又事先未挖空，因切去框內(nèi)較大的體積，框形尺寸將產(chǎn)生一定的變形；

2）凡坯料中無外形起點(diǎn)穿絲孔，不得不從坯料外切入的，不論其凸�；鼗鸷托螤钊绾�，一般容易產(chǎn)生變形，尤其是淬火件變形嚴(yán)重，甚至在切割中產(chǎn)生裂紋；

3）對(duì)熱處理后的磨削零件，無砂輪粒度、進(jìn)刀量、冷卻方式等工藝要求，磨削后表面有燒傷及微裂紋等疵病的零件。

1.4 與材料有關(guān)

1）原材料存在嚴(yán)重的碳化物偏析；

2）淬透性差、易變形的材料，如T10A、T8A等。

1.5 與線切割工藝有關(guān)

1）線切割路徑選擇不當(dāng)，易產(chǎn)生變形；

2）工件的夾壓方式不可靠、夾壓點(diǎn)的選擇不當(dāng)，均易產(chǎn)生變形；

3）電規(guī)準(zhǔn)選擇不當(dāng)，易產(chǎn)生裂紋。

2 防止變形和開裂的措施

    找到了變形和開裂的原因，即可對(duì)癥下藥采取相應(yīng)的措施予以避免，防止變形、開裂。具體的措施可以從以下幾個(gè)方面入手：

2.1 選擇變形量較小的材料，采用正確的熱處理工藝

    為了防止和減少變形、開裂，對(duì)需要線切割加工的模具，應(yīng)對(duì)材料的選擇、熱加工、熱處理直到制成成品的各個(gè)環(huán)節(jié)都要充分關(guān)注和重視；

1）嚴(yán)格檢查原材料化學(xué)成分、金相組織和探傷，對(duì)于不合格原材料和粗晶粒鋼材及有害雜質(zhì)含量超標(biāo)鋼材不宜選用；

2）盡量選用真空冶煉、爐外精煉或電渣重熔鋼材；

3）避免選用淬透性差、易變形材料；

4）坯料應(yīng)合理鍛造，遵守鐓粗、拔長、鍛壓比等鍛造守則，原材料長度與直徑之比即鍛造比最好選在2-3之間；

5） 改進(jìn)熱處理工藝，采用真空加熱、保護(hù)氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分級(jí)淬火、等溫淬火；

6）選擇理想的冷卻速度和冷卻介質(zhì)；

7）淬火鋼應(yīng)及時(shí)回火，盡量消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性；

8）用較長時(shí)間回火，提高模具抗斷裂韌性值；

9）充分回火，得到穩(wěn)定組織性能；

10）多次回火使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變充分和消除新的應(yīng)力；

11）對(duì)于有第二類回火脆性模具鋼高溫回火后應(yīng)快冷(水冷或油冷)，可消除二類回火脆性；

12）模具鋼化學(xué)處理之前進(jìn)行擴(kuò)散退火、球化退火、調(diào)質(zhì)處理，充分細(xì)化原始組織。

2.2 合理安排機(jī)械加工工藝

1）線切割工件坯料的大小，要根據(jù)零件的大小確定，不宜太小。一般情況下，圖形應(yīng)位于坯料中部或離毛坯邊緣較遠(yuǎn)而不易產(chǎn)生變形的位置上，通常應(yīng)取圖形到坯料邊距大于10mm；

2）凡較大的型腔或窄長而復(fù)雜的凸模，配制坯料時(shí)要改變傳統(tǒng)的實(shí)心板料習(xí)慣。大框型腔、窄長型腔等易變形零件，其中間部位應(yīng)鏤空。這樣淬火時(shí)表里狀況得以改善，溫差小，產(chǎn)生的應(yīng)力小，同時(shí)切割時(shí)切除的體積也就小，應(yīng)力達(dá)到平衡也就不至受破壞；

3）在模具使用允許的情況下，大框形型腔零件的清角處，應(yīng)適當(dāng)增加工藝圓角R，或在線切割之前將清角處鉆空，以緩解應(yīng)力集中的現(xiàn)象；

4）對(duì)凸模零件，在淬火之前應(yīng)在凸塊坯料中鉆外形起點(diǎn)的穿絲孔，使工件在切割時(shí)保持內(nèi)應(yīng)力平衡且不被破壞，以免從材料外切入引起開裂變形。

2.3 優(yōu)化線切割加工的工藝方案，選擇合理的工藝參數(shù)

2.3.1該進(jìn)切割方法

1）改變一次切割到位的傳統(tǒng)習(xí)慣為粗、精二次切割，以便第一次粗切割后的變形量在精切割時(shí)及時(shí)地被修正。一般精切割時(shí)的切割量應(yīng)根據(jù)第一次切割后的變形量大小而定，一般取0.5mm左右即可。這種辦法常應(yīng)用于形狀復(fù)雜而勢(shì)必產(chǎn)生變形的零件或要求精度較高、配合間隙較小的模具；

2）改變兩點(diǎn)夾壓的習(xí)慣為單點(diǎn)夾壓，以便切割過程中的變形能自由伸張，防止兩點(diǎn)夾壓對(duì)變形的干涉，但要注意，單點(diǎn)夾壓的合理部位通常在末尾程序處。這樣所產(chǎn)生的變形只影響廢料部分，避免了對(duì)成型部分的影響；

3）對(duì)易變形的切割零件，要根據(jù)零件形狀特征統(tǒng)籌安排切割的起始點(diǎn)、程序走向及夾壓位置，以減少變形量。一般應(yīng)選擇較平坦、已精加工或?qū)�工件性能影響不大的部位設(shè)置線切割的起始點(diǎn)。

2.3.2選擇合理的工藝參數(shù)

1）采用高峰值窄脈沖電參數(shù)，使工件材料以氣相拋出，氣化溫度大大高于融化溫度，以帶走大部分熱量，避免工件表面過熱而產(chǎn)生變形；

2）有效地進(jìn)行逐個(gè)脈沖檢測，控制好集中放電脈沖串的長度，也可解決局部過熱問題，消除裂紋的產(chǎn)生；

3）脈沖能量對(duì)裂紋的影響極其明顯，能量越大，裂紋則越寬越深；脈沖能量很小時(shí)，例如采用精加工電規(guī)準(zhǔn)，表面粗糙度值＜Ra1.25μm,一般不易出現(xiàn)裂紋