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V8 o) @( N- J4 U% b 請LZ一定要為你所說的老師傅討還公道，否則以后的師傅們不會告訴你“你認(rèn)為不可能"的事；; t3 s5 F3 f9 m' |) ^
線切割裂紋的分析與對策; T) t( n% [3 P* {6 `
河南科技學(xué)院 (新鄉(xiāng) 453000 ) 聶福全% S! C% y9 E( _; `3 o; F; p: ]" |8 q
中南民族大學(xué) (湖北武漢 430030) 聶 怡$ k; n. J; g, ^2 I
洛陽水資源勘察設(shè)計院 (河南 471000) 楊 晨
1 Z/ c. ]! e( z8 W$ d6 R) a/ F 線切割一些形狀較為復(fù)雜的凹模時,凹模的刃口容易出現(xiàn)開裂的情況,以圖1所示的扇形孔板凹模為例,該凹模材料采用T8鋼,厚度25mm,硬度要求為58~62HRC,淬火后,采用磨削加工上下兩平面,然后采用線切割的方法加工如圖所示的扇形腔。在實(shí)際生產(chǎn)中,我們發(fā)現(xiàn)采用線切割加工扇形腔時凹模經(jīng)常出現(xiàn)開裂的情況,造成大量廢品的產(chǎn)生,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。本文以圖1為例,對線切割開裂原因進(jìn)行分析并提出一些改進(jìn)措施。
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一、造成工件開裂的原因分析3 X) {3 T' L! q; x
1、切割厚度較大; e: x) u' N; S
由于該零件厚度為25mm,淬火時,中間部位難以淬透,表面被淬硬后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,由于馬氏體質(zhì)量體積大,表層引起體積膨脹。而中心冷卻速度較慢,塑性好,因而產(chǎn)生塑性收縮,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力殘留在鋼的內(nèi)部。因此,在同一截面上會出現(xiàn)不同組織的質(zhì)量體積差,會在兩個不同組織交界附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力。工件表面不可避免地受壓應(yīng)力,心部受拉應(yīng)力,使整個模具應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。當(dāng)線切割時,中心部位應(yīng)力崩潰,應(yīng)力平衡遭到破壞,淬硬層得到脹大的機(jī)會,中心部位強(qiáng)度減弱,趨向收縮,內(nèi)部應(yīng)力釋放,體積重新分布,當(dāng)釋放的內(nèi)應(yīng)力大于材料強(qiáng)度時,工件被拉裂,從而產(chǎn)生裂紋。
4 l$ O8 Z6 w" K* d# O: Z 2.預(yù)先沒有開腔 R! u4 Z k# q' C* x! r; |
切割前毛坯為整塊鋼板淬火,沒有在型孔部分預(yù)開腔,淬火時由于模具體積較大,造成淬火時表里溫差較大,不利于冷卻,淬硬層深度較淺,一些部位硬度不足,內(nèi)應(yīng)力分布不均勻。在線切割時,由于切割應(yīng)力和切割作用使熱處理后工件應(yīng)力平衡遭到破壞,應(yīng)力重新分布,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中,當(dāng)集中的應(yīng)力與線切割產(chǎn)生的附加應(yīng)力相疊加超過了材料的抗拉強(qiáng)度時,切割部位就會出現(xiàn)裂紋。
( u2 u" \: F1 O3 g/ D 3.材料組織成分差 h' e+ \6 |" p. P
經(jīng)對產(chǎn)生開裂模具進(jìn)行的金相檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)材料組織成分較差,存在明顯的碳化物偏析,由于偏析嚴(yán)重,破壞了零件材料基體組織的連續(xù)性,形成不均勻的應(yīng)力分布,激化了零件一些部位的應(yīng)力集中,線切割時進(jìn)一步加大了這些區(qū)域的應(yīng)力集中,從而在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生開裂。- p1 B6 H' w0 G9 {
4.材料淬透性差; F' K0 m4 G) u" K8 `! |" |
該工件原淬火工藝為將工件在鹽浴爐中加熱至760~780℃ ,保溫15~18min后,浸人自來水槽中冷卻。由于T8鋼淬透性較差,淬火易變形,淬火溫度和冷卻介質(zhì)溫度高時會造成淬火后零件內(nèi)部組織晶粒粗大,降低了鋼材的韌性,增加了脆性,從而加大了線切割時出現(xiàn)裂紋的可能性。% t( i! \" A) r1 u) N; `! {
5.回火溫度和次數(shù)難以消除殘余應(yīng)力影響
7 p& r! d+ Q6 k8 \ 由于淬火后凹模內(nèi)部存在著較大的殘余應(yīng)力,為保證該模具的硬度要求,淬火后采用了160℃低溫回火工藝,回火次數(shù)為一次。由于回火溫度較低,很難大幅度消除零件淬火后的殘余應(yīng)力,再加上零件淬火后硬度高,脆性大,容易造成線切割時產(chǎn)生裂紋。
o! D/ J7 S. j) W; L1 V 6.加工工藝的影響
- ]$ ^7 J; |! |2 e 磨削兩平面時由于工藝參數(shù)、砂輪等選擇不當(dāng),容易造成磨削后凹模兩平面產(chǎn)生大量極微小的磨削裂紋,由于磨削裂紋屬于炸裂紋,發(fā)生方向一般和磨削方向垂直,很容易在線切割時使上述裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展,從而造成線切割開裂。
% G- q, q; R8 ~: p/ c 此外,線切割時裝夾定位方法不正確,沒有在余料適當(dāng)位置加工穿絲孔。為提高生產(chǎn)效率,采用了較大的電源工藝參數(shù)和走絲速度。這樣一來,切割時的瞬時高溫和工作液的急劇冷卻容易造成被加工面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,特別是采用高能量密度電脈沖線切割更容易導(dǎo)致工件在線切割時產(chǎn)生開裂。即使有的工件在線切割時未開裂,但由于不能消除線切割后所形成的高內(nèi)應(yīng)力,使工件始終保持高的拉應(yīng)力狀態(tài),在放置和使用中也會造成開裂。8 I! t: h/ E) w% G B* ^
二、改進(jìn)措施8 j- a( V) e6 a6 d h+ p# U3 @! w
通過對上述開裂原因的分析,因地制宜,制定了如下的改進(jìn)措施。
1 a1 E/ g b4 ^+ L3 ?* O 1.制定合理的工件硬度9 P' \" Z: s- [4 a0 r% m
在滿足該工件使用需要的前提下,應(yīng)適當(dāng)降低工件的硬度要求。在實(shí)際生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn),硬度要求大于60HRC以上的工件,線切割時產(chǎn)生裂紋的概率較高,而硬度要求等于或小于54~58HRC的工件,線切割卻很少出現(xiàn)裂紋。這是因?yàn)橛捕纫蟾叩墓ぜ诖慊鸷笠话悴捎玫蜏鼗鼗鸸に?160~180℃ ),一次回火很難較大幅度地消除淬火后的殘余應(yīng)力,再加上材料硬度高、脆性大,材料的抗拉強(qiáng)度低,容易造成工件線切割后產(chǎn)生裂紋。而硬度要求為54~58HRC以下的工件,其回火溫度較高,回火后的材料組織韌性較好,工件淬火后的殘余應(yīng)力消除較充分,線切割時不易產(chǎn)生裂紋。因此,在滿足工件使用的前提下,制定合理的硬度要求,可以在熱處理階段,通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?有效降低淬火后工件的應(yīng)力,防止線切割時裂紋的產(chǎn)生。根據(jù)該模具的使用情況,將其硬度要求降低為59~61HRC。
- f4 |/ d; z% _' b 2.改進(jìn)模具材料
- e$ G6 c& }9 }. I3 m9 ~: X 將模具材料由T8改為Cr12MoV鍛件。由于合金鋼具有高淬透性、高硬度、高耐磨性、淬火變形小及一定熱硬性的特點(diǎn),且Cr12MoV經(jīng)鍛造后,能保證碳化物呈小而圓的均勻分布,使鋼材纖維組織連續(xù),可有效避免碳化物析出嚴(yán)重而割裂材料組織,從而提高了工件的抗拉強(qiáng)度。同時,由于Cr12MoⅤ 淬透性好,淬火時,工件可以獲得較厚的淬硬層,在線切割時,可以使切割始終在應(yīng)力基本平衡的狀態(tài)下工作,所以不易產(chǎn)生開裂。需要注意的是模具毛坯在鍛造時溫度掌握要嚴(yán)格,
6 o0 C+ A8 V) ^( N3 M不能過高或過低,鍛造后不能空冷,以防止產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力。
9 `7 C0 E# [ I( W% K: c. i 3.淬火前預(yù)先開腔) @" y* U& n( v S, ~. Y
淬火前預(yù)先開腔可以改善淬火時的表里溫差,有利于冷卻,使切割部位有足夠的硬度,淬硬層加深,改變內(nèi)應(yīng)力分布,從而有效防止線切割時開裂。該模具預(yù)先開腔形狀如圖2中實(shí)線所示(圖中虛線為切割后輪廓),各邊留有2~3mm線切割余量。/ w! y E. q* N" U, g' P4 i. b/ A1 y
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4.改進(jìn)設(shè)計結(jié)構(gòu),避免尖角
: X$ r9 T; ?) ^& G+ [" }9 ? 原扇形腔各邊連接部位均是直角過渡,此種結(jié)構(gòu)最容易在尖角處形成應(yīng)力集中,易導(dǎo)致線切割時在此處形成開裂。新結(jié)構(gòu)將四處尖角改為R5mm的圓弧過渡,如圖3所示,從而消除了熱處理時應(yīng)力集中的現(xiàn)象,消除了淬火隱性裂紋,防止線切割時裂紋的產(chǎn)生。
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; a( Z N+ S& A% K 5.選擇合適的引絲工藝孔位置; ^4 k) @4 e! l; E
雖然改進(jìn)后扇形腔在淬火前已預(yù)先開腔并采用了圓角過渡,但是在實(shí)際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn),在線切割時只要無起點(diǎn)穿絲工藝孔,在線切割時,基本上都會發(fā)生一定的變形,其變形量大小隨回火程度、凹模復(fù)雜情況、型腔在料坯中的相對位置、凹模厚度的不同而不同。為防止產(chǎn)生此變形,將淬火前預(yù)開腔結(jié)構(gòu)改為如圖3所示結(jié)構(gòu),) w$ K8 `' v, I$ g; A
在預(yù)開腔內(nèi)側(cè)留一處半徑為R8mm半圓體結(jié)構(gòu),穿絲工藝孔位置如圖所示,具體尺寸以不影響切割最后輪廓為宜(圖中虛線位置)。3 }- L# t" w) c: h
6.精選材料
" \6 }; u! p" Q( w 在毛坯材料進(jìn)廠后,對毛坯組織成分進(jìn)行檢驗(yàn)和分析,確保原料組織合格。若存在碳化物嚴(yán)重析出或雜質(zhì)超標(biāo)的情況,就應(yīng)當(dāng)及時更換材料,或采取合理的鍛造工藝及鍛后球化退火工藝,使碳化物分布均勻,晶粒細(xì)化。
4 D) c$ |6 x) Q0 y& ? 7.改進(jìn)熱處理工藝
) g) r1 ?0 _: }! Y9 }7 u" y# @ 模具在粗加工后,精加工前增加調(diào)質(zhì)預(yù)處理工序,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的Cr12MoⅤ鋼制件能獲得均勻的彌散度,良好的索氏體組織,這種組織的質(zhì)量體積與淬火后的組織的質(zhì)量體積非常接近,這就可以減小由于淬火前后組織質(zhì)量體積差而產(chǎn)生的變形,為最后熱處理做好了組織準(zhǔn)備。同時調(diào)質(zhì)處理可消除粗加工產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力,對減小最終熱處理的變形也有好處。' ?. }4 w' v' k" U2 V
凹模進(jìn)行淬火處理時,在保證所需硬度要求的前提下,應(yīng)選擇合適的淬火溫度,并嚴(yán)格控制爐溫超標(biāo),爐溫的實(shí)際溫度與儀表溫度差不允許超過±5℃。由于模具材料已改為Cr12MoⅤ,且設(shè)計改進(jìn)后硬度要求降低,淬火工藝制定如下:在鹽浴爐中將凹模加熱到970~1010℃,保溫時間15~20min,出爐后空冷工藝(空淬),可以有效降低熱處理應(yīng)力,減小變形,且對組織成分及硬度影響較小。# w9 P+ D, i1 F: g" Z0 g7 g. g
淬火后應(yīng)及時對凹模進(jìn)行回火處理,這里需要注意的是,由于Cr12MoⅤ鋼(包括與該鋼類似成分及組織的鋼)在540℃ 回火比低于此溫度55~110℃ 回火后呈現(xiàn)更高的硬度,如圖4所示,這與通常所謂的二次硬化的關(guān)系相反,這是由于在接近540℃ 較高溫度回火時,發(fā)生殘留奧氏體轉(zhuǎn)變引起的。一般情況下,當(dāng)凹模可以在一個較高溫度回火,可以得到同樣硬度時,那么選用較高的溫度回火更好,這樣既可以改善韌性,又可有效防止裂紋。因此,該凹模的回火溫度定為530~540℃。若凹模型孔特別復(fù)雜,還應(yīng)采用增加回火次數(shù)的方法來充分消除淬火應(yīng)力,回火次數(shù)最好可以增加到三次,這樣既可以保證模具的硬度要求,又可以充分消除模具內(nèi)部淬火殘余應(yīng)力,回火后的硬度為60~61HRC,可以滿足設(shè)計要求。 t6 U$ C/ ]4 L: B; z
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9.改進(jìn)加工工藝
9 b) ]. d0 ?. q+ K9 C* m* k7 M: {/ | 磨削兩平面時,要想減少磨削裂紋的產(chǎn)生,一是要保證回火充分,二是砂輪不能太硬。磨削時可選擇單晶剛玉砂輪,進(jìn)刀量不能太大,一般每次為0.005~0.01mm,磨削過程中冷卻要充分,這樣才不至于在磨削過程中燒傷凹模表面,避免產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。
* I+ G* ]) M5 N$ f) T. q4 s" V 線切割時合理選用線切割加工工藝參數(shù),在滿足一定生產(chǎn)效率的前提下,盡可能采用低電流、低切割速度、小脈寬和低線速,可以有效減小線切割時的應(yīng)力,防止裂紋的產(chǎn)生。在這里需要說明的一點(diǎn)是,對于有特殊要求的模具,如高精度模具,也可以在線切割后增加一次低溫回火,這樣會更加有效地減小模具切割后的內(nèi)應(yīng)力,確保滿足工件的質(zhì)量要求。
0 X' R( O H" V: a 三、效果
* l9 D5 J! t. O 采取上述措施后,線切割加工凹模形孔時,再未出現(xiàn)過開裂的現(xiàn)象。整個工藝方法簡單、實(shí)用,可針對各種形狀復(fù)雜的凹模線切割加工,并能有效保證線切割的質(zhì)量。 |
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樓主: 萬山用戶
發(fā)表于 2010-10-13 15:06:13
