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模具線切割加工變形和開裂原因分析與對策
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在模具加工中,電火花線切割加工技術得到了廣泛的應用,但在線切割加工過程中,模具易產生變形和產生裂紋,造成零件的報廢,使得成本增加等問題屢屢發生。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注,多年來,人們對線切割加工的變形和開裂認識不夠,往往造成線切割加工部門與來料加工者之間相互推脫責任,產生矛盾。其實,變形和開裂的原因是多方面的,如材料問題、熱處理問題、結構設計問題、工藝安排問題及線切割時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 產生變形及裂紋的主要因素

在生產實踐中,作者經過大量的實例分析,發現線切割加工產生變形和裂紋與下列因素有關。

1.1 與零件的結構有關

1)凡窄長形狀的凹模、凸模易產生變形,其變形量的大小與形狀復雜程度、長寬比、型腔與邊框的寬度比有關。形狀越復雜,長寬比及型腔與邊框寬度比越大,其模具變形量越大。變形的規律是型腔中部癟入,凸模通常是翹曲;
2)凡是形狀復雜清角的淬火型腔,在尖角處極易產生裂紋,甚至易出現炸裂現象。其出現的頻率與材料的成分、熱處理工藝等有關;
3)圓筒形壁厚較簿零件,若在內壁進行切割,易產生變形,一般由圓形變為橢圓形。若將其切割缺口,在即將切透時易產生炸裂現象;
4)由零件外部切入的較深槽口,易產生變形,變形的規律為口部內收,變形量的大小與槽口的深度及材料性質有關。

1.2 與熱加工工藝有關

1)模具毛坯在鍛造時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行,球化珠光體超過5級的零件;
4)淬火加熱溫度過高,奧氏體晶粒粗大,降低材料強韌性,增加脆性;
5)淬火工件未及時回火和回火不充分的零件。

1.3 與機械加工工藝有關

1)面積較大的凹模,中間大面積切除而又事先未挖空,因切去框內較大的體積,框形尺寸將產生一定的變形;
2)凡坯料中無外形起點穿絲孔,不得不從坯料外切入的,不論其凸模回火和形狀如何,一般容易產生變形,尤其是淬火件變形嚴重,甚至在切割中產生裂紋;
3)對熱處理后的磨削零件,無砂輪粒度、進刀量、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

1)原材料存在嚴重的碳化物偏析;
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

1)線切割路徑選擇不當,易產生變形;
2)工件的夾壓方式不可靠、夾壓點的選擇不當,均易產生變形;
3)電規準選擇不當,易產生裂紋。

2 防止變形和開裂的措施

找到了變形和開裂的原因,即可對癥下藥采取相應的措施予以避免,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,對需要線切割加工的模具,應對材料的選擇、熱加工、熱處理直到制成成品的各個環節都要充分關注和重視;

1)嚴格檢查原材料化學成分、金相組織和探傷,對于不合格原材料和粗晶粒鋼材及有害雜質含量超標鋼材不宜選用;
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) 改進熱處理工藝,采用真空加熱、保護氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分級淬火、等溫淬火;
6)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質;
7)淬火鋼應及時回火,盡量消除淬火內應力,降低脆性;
8)用較長時間回火,提高模具抗斷裂韌性值;
9)充分回火,得到穩定組織性能;
10)多次回火使殘余奧氏體轉變充分和消除新的應力;
11)對于有第二類回火脆性模具鋼高溫回火后應快冷(水冷或油冷),可消除二類回火脆性;
12)模具鋼化學處理之前進行擴散退火、球化退火、調質處理,充分細化原始組織。

2.2 合理安排機械加工工藝

1)線切割工件坯料的大小,要根據零件的大小確定,不宜太小。一般情況下,圖形應位于坯料中部或離毛坯邊緣較遠而不易產生變形的位置上,通常應取圖形到坯料邊距大于10mm;
2)凡較大的型腔或窄長而復雜的凸模,配制坯料時要改變傳統的實心板料習慣。大框型腔、窄長型腔等易變形零件,其中間部位應鏤空。這樣淬火時表里狀況得以改善,溫差小,產生的應力小,同時切割時切除的體積也就小,應力達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,應適當增加工藝圓角R,或在線切割之前將清角處鉆空,以緩解應力集中的現象;
4)對凸模零件,在淬火之前應在凸塊坯料中鉆外形起點的穿絲孔,使工件在切割時保持內應力平衡且不被破壞,以免從材料外切入引起開裂變形。

2.3 優化線切割加工的工藝方案,選擇合理的工藝參數

2.3.1該進切割方法

1)改變一次切割到位的傳統習慣為粗、精二次切割,以便第一次粗切割后的變形量在精切割時及時地被修正。一般精切割時的切割量應根據第一次切割后的變形量大小而定,一般取0.5mm左右即可。這種辦法常應用于形狀復雜而勢必產生變形的零件或要求精度較高、配合間隙較小的模具;
2)改變兩點夾壓的習慣為單點夾壓,以便切割過程中的變形能自由伸張,防止兩點夾壓對變形的干涉,但要注意,單點夾壓的合理部位通常在末尾程序處。這樣所產生的變形只影響廢料部分,避免了對成型部分的影響;
3)對易變形的切割零件,要根據零件形狀特征統籌安排切割的起始點、程序走向及夾壓位置,以減少變形量。一般應選擇較平坦、已精加工或對工件性能影響不大的部位設置線切割的起始點。

2.3.2選擇合理的工藝參數

1)采用高峰值窄脈沖電參數,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生變形;
2)有效地進行逐個脈沖檢測,控制好集中放電脈沖串的長度,也可解決局部過熱問題,消除裂紋的產生;
3)脈沖能量對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,例如采用精加工電規準,表面粗糙度值<Ra1.25μm,一般不易出現裂紋。

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