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線切割裂紋的分析與對策" D1 K) B2 o) s& W& N
河南科技學院 (新鄉 453000 ) 聶福全
7 E7 M' M* s. w( T: ` 中南民族大學 (湖北武漢 430030) 聶 怡
% D5 `- ~6 _3 g8 k 洛陽水資源勘察設計院 (河南 471000) 楊 晨
/ R% p. ]: [% S) U, f 線切割一些形狀較為復雜的凹模時,凹模的刃口容易出現開裂的情況,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。在實際生產中,我們發現采用線切割加工扇形腔時凹模經常出現開裂的情況,造成大量廢品的產生,嚴重影響了生產進度和產品質量。本文以圖1為例,對線切割開裂原因進行分析并提出一些改進措施。# {7 `7 ]5 u2 y# T/ [' d
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一、造成工件開裂的原因分析5 W) W! w! X# H3 t
1、切割厚度較大
/ o# E* [! o( }9 K8 C 由于該零件厚度為25mm,淬火時,中間部位難以淬透,表面被淬硬后轉變為馬氏體,由于馬氏體質量體積大,表層引起體積膨脹。而中心冷卻速度較慢,塑性好,因而產生塑性收縮,熱應力和組織應力殘留在鋼的內部。因此,在同一截面上會出現不同組織的質量體積差,會在兩個不同組織交界附近產生很大的應力。工件表面不可避免地受壓應力,心部受拉應力,使整個模具應力處于平衡狀態。當線切割時,中心部位應力崩潰,應力平衡遭到破壞,淬硬層得到脹大的機會,中心部位強度減弱,趨向收縮,內部應力釋放,體積重新分布,當釋放的內應力大于材料強度時,工件被拉裂,從而產生裂紋。
' R3 q) _; `7 C3 l. a 2.預先沒有開腔$ j m3 O8 i6 U" i8 ?
切割前毛坯為整塊鋼板淬火,沒有在型孔部分預開腔,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,內應力分布不均勻。在線切割時,由于切割應力和切割作用使熱處理后工件應力平衡遭到破壞,應力重新分布,導致局部應力集中,當集中的應力與線切割產生的附加應力相疊加超過了材料的抗拉強度時,切割部位就會出現裂紋。" ^/ E ~7 J- V
3.材料組織成分差
1 O& O+ H- f) J( u4 }6 b 經對產生開裂模具進行的金相檢驗,發現材料組織成分較差,存在明顯的碳化物偏析,由于偏析嚴重,破壞了零件材料基體組織的連續性,形成不均勻的應力分布,激化了零件一些部位的應力集中,線切割時進一步加大了這些區域的應力集中,從而在應力集中部位產生開裂。
/ m2 T% r* G* ~% i8 ~ 4.材料淬透性差1 q3 v, E8 d9 k( U1 o% p
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溫度高時會造成淬火后零件內部組織晶粒粗大,降低了鋼材的韌性,增加了脆性,從而加大了線切割時出現裂紋的可能性。* B: i: F$ e3 K
5.回火溫度和次數難以消除殘余應力影響. g) a9 x$ P3 n+ t! {
由于淬火后凹模內部存在著較大的殘余應力,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力,再加上零件淬火后硬度高,脆性大,容易造成線切割時產生裂紋。
; ~3 N9 G a6 v+ b; m6 y 6.加工工藝的影響
# f) V( Q4 F; X' k- L 磨削兩平面時由于工藝參數、砂輪等選擇不當,容易造成磨削后凹模兩平面產生大量極微小的磨削裂紋,由于磨削裂紋屬于炸裂紋,發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生擴展,從而造成線切割開裂。0 x# [7 p) m( {& l$ R/ m
此外,線切割時裝夾定位方法不正確,沒有在余料適當位置加工穿絲孔。為提高生產效率,采用了較大的電源工藝參數和走絲速度。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生較大的拉應力,特別是采用高能量密度電脈沖線切割更容易導致工件在線切割時產生開裂。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應力,使工件始終保持高的拉應力狀態,在放置和使用中也會造成開裂。
; V! v( B. |5 Q% A0 L9 C 二、改進措施+ b5 J! K; ^# `
通過對上述開裂原因的分析,因地制宜,制定了如下的改進措施。
" Y- ]- j$ L, K8 S1 c7 o, X 1.制定合理的工件硬度
4 ~& x" Q( d& r9 E+ G 在滿足該工件使用需要的前提下,應適當降低工件的硬度要求。在實際生產中我們發現,硬度要求大于60HRC以上的工件,線切割時產生裂紋的概率較高,而硬度要求等于或小于54~58HRC的工件,線切割卻很少出現裂紋。這是因為硬度要求高的工件在淬火后一般采用低溫回火工藝(160~180℃ ),一次回火很難較大幅度地消除淬火后的殘余應力,再加上材料硬度高、脆性大,材料的抗拉強度低,容易造成工件線切割后產生裂紋。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力消除較充分,線切割時不易產生裂紋。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,通過采取適當的措施,有效降低淬火后工件的應力,防止線切割時裂紋的產生。根據該模具的使用情況,將其硬度要求降低為59~61HRC。
: ?5 ]. |( w6 v. Y9 V 2.改進模具材料4 k* C( ~2 K. T
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,且Cr12MoV經鍛造后,能保證碳化物呈小而圓的均勻分布,使鋼材纖維組織連續,可有效避免碳化物析出嚴重而割裂材料組織,從而提高了工件的抗拉強度。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力基本平衡的狀態下工作,所以不易產生開裂。需要注意的是模具毛坯在鍛造時溫度掌握要嚴格,! t: Y( @+ v: y: S) }0 [0 ?7 F
不能過高或過低,鍛造后不能空冷,以防止產生過大的內應力。* k2 o a, f3 [/ B5 I
3.淬火前預先開腔
1 `* w; }: |8 J5 Y 淬火前預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,改變內應力分布,從而有效防止線切割時開裂。該模具預先開腔形狀如圖2中實線所示(圖中虛線為切割后輪廓),各邊留有2~3mm線切割余量。* w) @3 w6 { F( |) y0 N0 \+ s
* S% I# z( X( a3 T; S# ?: N2 Y; d 4.改進設計結構,避免尖角
: ?+ m& k0 K% h9 Y4 {$ c/ w9 y 原扇形腔各邊連接部位均是直角過渡,此種結構最容易在尖角處形成應力集中,易導致線切割時在此處形成開裂。新結構將四處尖角改為R5mm的圓弧過渡,如圖3所示,從而消除了熱處理時應力集中的現象,消除了淬火隱性裂紋,防止線切割時裂紋的產生。3 {( p" K7 |- y1 @
5 r( H4 Y4 F) N* T: m2 V 5.選擇合適的引絲工藝孔位置
( O9 n, ^0 C, c% w 雖然改進后扇形腔在淬火前已預先開腔并采用了圓角過渡,但是在實際應用時發現,在線切割時只要無起點穿絲工藝孔,在線切割時,基本上都會發生一定的變形,其變形量大小隨回火程度、凹模復雜情況、型腔在料坯中的相對位置、凹模厚度的不同而不同。為防止產生此變形,將淬火前預開腔結構改為如圖3所示結構,
4 N( `) t4 l. x/ r, Q, S 在預開腔內側留一處半徑為R8mm半圓體結構,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)。
5 m" j8 c% v) o. S 6.精選材料
0 X7 J1 X# Y: v2 K ~ 在毛坯材料進廠后,對毛坯組織成分進行檢驗和分析,確保原料組織合格。若存在碳化物嚴重析出或雜質超標的情況,就應當及時更換材料,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,晶粒細化。
* W" {4 _* a/ M7 ?- ~$ { ~ 7.改進熱處理工藝! d& J* e) `4 B M H8 P
模具在粗加工后,精加工前增加調質預處理工序,經過調質處理的Cr12MoⅤ鋼制件能獲得均勻的彌散度,良好的索氏體組織,這種組織的質量體積與淬火后的組織的質量體積非常接近,這就可以減小由于淬火前后組織質量體積差而產生的變形,為最后熱處理做好了組織準備。同時調質處理可消除粗加工產生的機械應力,對減小最終熱處理的變形也有好處。
) n& L& U. H. H x O8 w5 i 凹模進行淬火處理時,在保證所需硬度要求的前提下,應選擇合適的淬火溫度,并嚴格控制爐溫超標,爐溫的實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,且設計改進后硬度要求降低,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力,減小變形,且對組織成分及硬度影響較小。" l& z- P8 w( E$ c7 a0 k* T: y
淬火后應及時對凹模進行回火處理,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℃ 回火后呈現更高的硬度,如圖4所示,這與通常所謂的二次硬化的關系相反,這是由于在接近540℃ 較高溫度回火時,發生殘留奧氏體轉變引起的。一般情況下,當凹�？梢栽谝粋�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℃。若凹模型孔特別復雜,還應采用增加回火次數的方法來充分消除淬火應力,回火次數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部淬火殘余應力,回火后的硬度為60~61HRC,可以滿足設計要求。0 t. A/ Y$ H7 N% T. u, [! Y
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9.改進加工工藝
* @; i- j: m8 m 磨削兩平面時,要想減少磨削裂紋的產生,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,避免產生過大的內應力而出現裂紋。' R* s4 R; w0 g$ J6 Y0 H/ e$ Y; [% Y
線切割時合理選用線切割加工工藝參數,在滿足一定生產效率的前提下,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力,防止裂紋的產生。在這里需要說明的一點是,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應力,確保滿足工件的質量要求。
# h% e$ w2 Y5 j5 ^# H4 _7 y 三、效果
, _: r! t& d6 T: K' s 采取上述措施后,線切割加工凹模形孔時,再未出現過開裂的現象。整個工藝方法簡單、實用,可針對各種形狀復雜的凹模線切割加工,并能有效保證線切割的質量。 |
樓主: 萬山用戶
發表于 2010-10-13 15:06:13
