分享模具线切割加工变形和开裂原因分析与对策

小黄豆

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。
　　产生变形及裂纹的主要因素
% M9 V2 [- e2 u4 n3 |, u3 d- Y9 K( |& e　　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。
! l- G9 R$ S7 j! y. ]1 j- i　　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；
% Z$ N; t3 r6 m+ m5 h" f$ E　　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；
: K0 X1 z2 G, Y! M5 A/ m$ R　　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。
; c. ^0 S/ ^9 H& ^: D　　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；
  F5 L  p# U1 l! u: i$ |% r　　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。
　　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；
  ~8 M" g  W7 M4 o0 H- v　　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 k7 [# V' r4 M+ C9 o+ u　　与材料有关：
　　1）原材料存在严重的碳化物偏析；
* t8 e$ S6 m9 k" r) L$ o　　2）淬透性差、易变形的材料，如T10A、T8A等。
　　与线切割工艺有关：
' d- y" S; h$ p1 s/ U" \- O　　1）线切割路径选择不当，易产生变形；
5 K4 t7 ^. R" Y9 [  L　　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；
　　.）电规准选择不当，易产生裂纹。
4 g2 D/ T) \9 c, R: R　　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：
" z' f4 N6 N! A& D2 m" O. |　　选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺：
　　0）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；
. P6 t: h2 K: v( X- c　　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；
: g3 L, t- v1 [+ f　　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；
) _" o6 v( F1 @4 l! Z　　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；
3 i8 ~& c" o" B- I0 I　　10）多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力；
7 D2 g. R7 m" t8 D% g, X　　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。
　　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；
0 h6 b& p# y/ c/ T1 w　　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；
+ O8 y. h  }8 R# E3 h' T0 X　　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。
　　优化线切割加工的工艺方案，选择合理的工艺参数
　　改进切割方法：
　　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。
) M' d. x# s% _2 R  k& A# W: }3 N1 p　　选择合理的工艺参数：
  x% A& F6 N4 X9 K: a　　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；
3 I( P- E, p* j* ]3 M　　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；
+ J5 J, _0 W8 R1 x　　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。
, r+ N0 C: F) E8 n4 F0 O% V3 \　　结语
　　以上是作者在多年生产实践中摸索和总结出来的经验，在实际生产中取得了较好的效果。但引起线切割变形的因素很多，在生产实践中应根据实际情况制订出最佳工艺方案，采用正确的工艺方法（尤其是热加工、热处理），严格控制每道工序并不断摸索和总结，才能更有效地防止线切割的变形和开裂的问题。

孟琪

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