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線切割裂紋的分析與對策6 Y" o( N+ A+ i5 B! `; d
河南科技學院 (新鄉(xiāng) 453000 ) 聶福全
4 g( o7 e: F8 P% H* t) J4 b( a 中南民族大學 (湖北武漢 430030) 聶 怡
) d6 u1 K: W, D; F" t) t: s2 I$ | 洛陽水資源勘察設計院 (河南 471000) 楊 晨
3 H8 ?# k$ }7 Z 線切割一些形狀較為復雜的凹模時,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,嚴重影響了生產(chǎn)進度和產(chǎn)品質(zhì)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。+ P2 Q$ `8 M2 z8 v t+ W1 {, n
2 W$ Y, u) `. k# R5 r3 d. S8 i 一、造成工件開裂的原因分析
( J, V* {* p2 {1 |8 \8 S9 a8 u 1、切割厚度較大# s& L; T, p3 z& M$ p @
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,熱應力和組織應力殘留在鋼的內(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(tài)。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(nèi)部應力釋放,體積重新分布,當釋放的內(nèi)應力大于材料強度時,工件被拉裂,從而產(chǎn)生裂紋。3 J+ l4 }: J9 Q, D7 N7 k
2.預先沒有開腔
" s R7 s. z' B! v 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(nèi)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(chǎn)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(xiàn)裂紋。 B7 Y" g ?4 k
3.材料組織成分差
! o3 W' Z i/ O' y/ n 經(jīng)對產(chǎn)生開裂模具進行的金相檢驗,發(fā)現(xiàn)材料組織成分較差,存在明顯的碳化物偏析,由于偏析嚴重,破壞了零件材料基體組織的連續(xù)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(qū)域的應力集中,從而在應力集中部位產(chǎn)生開裂。% `. z+ p0 Z5 H5 i3 m
4.材料淬透性差" G3 W2 I% ]3 Z
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。
' F6 p; ]% ]9 e; m3 ~# Q+ f 5.回火溫度和次數(shù)難以消除殘余應力影響
8 }' o& W8 G4 Q' E 由于淬火后凹模內(nèi)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(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。: a r u: k' m8 y" d
6.加工工藝的影響
1 d3 I7 d1 X o" l 磨削兩平面時由于工藝參數(shù)、砂輪等選擇不當,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)生擴展,從而造成線切割開裂。. L$ R+ ^; k/ S. d/ S
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(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(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)應力,使工件始終保持高的拉應力狀態(tài),在放置和使用中也會造成開裂。
4 N- ?- X8 t" m0 p% u 二、改進措施
: f! d" ~* P3 M 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。
2 c: b& N. `& u/ f 1.制定合理的工件硬度) ^8 i( A6 z( y4 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(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(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?shù)拇胧?有效降低淬火后工件的應力,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。8 B4 S6 p8 X/ P+ D. ]+ T+ O
2.改進模具材料
7 B. t! C! H& T7 `3 W$ R z 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(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(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格,
( j7 b! @* S9 ?: q+ S0 Q0 S8 Q9 z/ j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)應力。
& v4 G. |3 R' `/ a- Q 3.淬火前預先開腔) p! P6 y4 r: b1 n6 I" t7 w
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(nèi)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。
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, }6 Q: a7 C# o) j 4.改進設計結(jié)構(gòu),避免尖角
) v; K, h, p% f& v% P' O' Y" | 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力集中,易導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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5.選擇合適的引絲工藝孔位置( ^( a+ e% [. h( H0 A, r7 ]
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(fā)現(xiàn),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(fā)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(chǎn)生此變形,將淬火前預開腔結(jié)構(gòu)改為如圖3所示結(jié)構(gòu),* Y/ ] B. k: X6 F( n' V# s
在預開腔內(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)。4 T' J3 o- T( R; E) Z4 Z6 n
6.精選材料. J) H Z# Y; d; S7 R/ g# Z$ e
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(zhì)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。
7 i1 N) E) ]$ C% X 7.改進熱處理工藝; R7 p/ B6 [# P6 I
模具在粗加工后,精加工前增加調(diào)質(zhì)預處理工序,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備。同時調(diào)質(zhì)處理可消除粗加工產(chǎn)生的機械應力,對減小最終熱處理的變形也有好處。
y3 g8 P! j% I2 w0 D 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。+ X7 Q: ~- t) B: J
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(xiàn)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(fā)生殘留奧氏體轉(zhuǎn)變引起的。一般情況下,當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℃。若凹模型孔特別復雜,還應采用增加回火次數(shù)的方法來充分消除淬火應力,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)部淬火殘余應力,回火后的硬度為60~61HRC,可以滿足設計要求。% j/ G2 J& P3 j0 A$ V. p
T" ^; g, Q; }7 l9 b) S5 g2 D0 t 9.改進加工工藝7 j) s1 |( L8 W( {. C
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)應力而出現(xiàn)裂紋。
- [( [& f/ G! ?8 w9 s4 U 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力,防止裂紋的產(chǎn)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(nèi)應力,確保滿足工件的質(zhì)量要求。
' _0 h4 G q: ^: n# P& w8 \ 三、效果5 R- q* u8 f! f1 H3 e
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(zhì)量。 |
樓主: 萬山用戶
發(fā)表于 2010-10-13 15:06:13
