李繼高　-趙力

摘要：在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，模具產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命直接受模具的熱處理工藝的影響，這與模具熱處理過(guò)程中其組織轉(zhuǎn)化及溫度變化的不均勻性有關(guān)。模具熱處理會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響模具的質(zhì)量和使用壽命。為此，圍繞熱應(yīng)力和熱變形兩個(gè)主要問(wèn)題，分析了模具熱變形的原因及變形規(guī)律，并從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面給出若干對(duì)策。

關(guān)鍵詞：模具；熱處理；主要問(wèn)題；組織轉(zhuǎn)化；溫度變化；變形規(guī)律 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG155 文章編號(hào)：1009-2374（2015）06-0088-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0471模具工業(yè)在快速發(fā)展中，它是世界工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生活、生產(chǎn)中的75%零件或產(chǎn)品均要通過(guò)模具來(lái)完成，其中在汽車、電器、建筑等行業(yè)最為突出。模具雖是小批量產(chǎn)品，但更新?lián)Q代快，精度要求較高，它的技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，模具產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命直接受模具的熱處理工藝的影響，這與模具熱處理過(guò)程中其組織轉(zhuǎn)化及溫度變化的不均勻性有關(guān)。高效、高質(zhì)量的模具熱處理工藝是廣大模具從業(yè)人員和科研工作者研究的重要課題。本文將就模具熱處理過(guò)程產(chǎn)生的主要問(wèn)題進(jìn)行探討，并給出相應(yīng)的對(duì)策。

1 熱應(yīng)力與熱變形

1.1 熱應(yīng)力

在熱處理過(guò)程中，模具的各部分若不能在升溫和降溫時(shí)做到自由的伸縮，在熱處理過(guò)程中或熱處理后模具內(nèi)部就會(huì)有應(yīng)力存在，這種應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因可以概括為以下三種：（1）模具零件在熱處理爐里堆放時(shí)相互擠壓，受到這種約束，相應(yīng)部分不能自由伸縮；（2）由于爐膛空間和模具零件大小的限制，不可能保證模具各部分完全均勻受熱與冷卻，導(dǎo)致模具的中心與邊緣、厚處與薄處的伸縮量不同；（3）如果模具本身材質(zhì)不均勻，在受熱與冷卻時(shí)，不同的組織所在的部分伸縮量也不相同，從而導(dǎo)致相應(yīng)部分不能自由伸縮。因?yàn)榇嬖跓釕?yīng)力，零件實(shí)際產(chǎn)生的熱變形是指它受約束限制之后的熱變形，因此與熱應(yīng)力的關(guān)系密不可分。

1.2 熱變形

1.2.1 熱變形形成機(jī)理。由于熱處理過(guò)程中熱應(yīng)力的存在，模具在熱處理過(guò)程中或在模具熱處理后產(chǎn)生的幾何形狀上的變形，甚至是破壞，可稱之為熱變形。

在模具熱處理過(guò)程中，模具零件存在熱應(yīng)力的部分表現(xiàn)出不同比例的伸縮量，從而直接導(dǎo)致整個(gè)模具零件的變形。若變形部分同存在于塑性變形區(qū)或彈性變形區(qū)，變形最終會(huì)隨熱處理過(guò)程的結(jié)束而逐漸消失，但若一部分處在塑性變形區(qū)，而另一部分處于彈性變形區(qū)，這種變形將在模具上保留下來(lái)。更為嚴(yán)重的是，若模具零件的局部的熱應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度或因外力產(chǎn)生的應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加在一起超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，相應(yīng)部分會(huì)產(chǎn)生破壞性的后果，表現(xiàn)為裂紋或斷裂等。

模具熱處理后，模具仍會(huì)繼續(xù)變形，這主要是模具中殘余的熱應(yīng)力導(dǎo)致的。自然界存在能力最低原理，存在殘余應(yīng)力時(shí)處于一種高能量，這種能量必須釋放出來(lái)，和熱處理過(guò)程一樣，能量的釋放伴隨著結(jié)構(gòu)形狀上的調(diào)整。這對(duì)因材料、結(jié)構(gòu)方面容易產(chǎn)殘余應(yīng)力的模具表現(xiàn)更為突出。

1.2.2 熱變形的一般規(guī)律。模具的熱變形與模具材料、熱處理工藝及模具自身的結(jié)構(gòu)等多因素均有關(guān)系，因而模具的熱變形表現(xiàn)出復(fù)雜性。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)仍存在一般的規(guī)律，理論上也可以解釋。

以圓柱形的模具零件為例，棱角處首先冷卻，因其處于散熱有利位置，熱收縮在此部位快速發(fā)生，而其芯部因來(lái)不及冷卻則會(huì)限制其表面的收縮，這樣圓柱形的零件的表層表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其中心卻表現(xiàn)為壓應(yīng)力，因此產(chǎn)生為棱邊收縮、中心突出的現(xiàn)象，表現(xiàn)為長(zhǎng)度縮短而直徑增大。以普通的鋼制模具的淬火處理為例，因?yàn)槟＞叩牟煌糠掷渌俨煌?，鋼件?huì)表現(xiàn)出不同的變形形式，而且這種冷卻速度的差別越大，變形量也就越大，冷卻速度的差異是產(chǎn)生這種變形的根本原因。當(dāng)模具零件的一個(gè)表面因冷速大產(chǎn)生凹形陷入時(shí)，而另一個(gè)相對(duì)表面因冷速小產(chǎn)生鼓形凸起時(shí)，模具就會(huì)有產(chǎn)生彎曲類變形的傾向。當(dāng)模具的一個(gè)端面因冷速大產(chǎn)生向內(nèi)的凹入，而另一端面因冷速小產(chǎn)生向外的凸出時(shí)，模具就有會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)類變形的傾向。在模具的制造或應(yīng)用過(guò)程中往往是多種變形的綜合，在分析變形傾向時(shí)應(yīng)作全面分析。一般鋼制模具淬火過(guò)程中的變形規(guī)律可以概括為：初期，因?yàn)榇慊鸾橘|(zhì)與模具的溫差大，冷卻速度大的部位表現(xiàn)出表面積縮小的趨勢(shì)，而隨著淬火過(guò)程的進(jìn)行，冷卻速度逐漸減小，導(dǎo)致工件表面積縮小的趨勢(shì)就減小。少數(shù)情況下，慢冷部位還表現(xiàn)出表面積略微增大的趨勢(shì)。在這里要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：熱應(yīng)力的存在也不一定總是壞事，在某些工藝處理的情況下，若模具零件的變形超過(guò)了一定的差值，可以利用熱應(yīng)力對(duì)模具產(chǎn)品的調(diào)整作用進(jìn)行補(bǔ)救，以解決工藝中的矛盾。

2 模具材料對(duì)熱變形的影響及其對(duì)策

模具產(chǎn)品本身的材料對(duì)模具的熱處理工藝的質(zhì)量起直接性的決定作用，進(jìn)一步?jīng)Q定著熱變形的情況。模具的選材包括兩個(gè)方面：一是材料的種類；一是材質(zhì)的好壞。

2.1 模具材料種類的影響及其對(duì)策

在熱處理工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要考慮到模具材料的種類影響熱處理工藝的質(zhì)量、效率，當(dāng)然也決定著模具本身的價(jià)格。就碳素工具鋼來(lái)講，若用其制作較復(fù)雜的模具，硬度一般可以滿足要求，但因其含碳量高，熱處理后的變形往往較大，嚴(yán)重時(shí)還使模具報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。若換用合金鋼時(shí)，不僅硬度可以滿足要求，熱處理后的變形也相對(duì)較小，但其價(jià)格相對(duì)較高。在選材時(shí)，應(yīng)綜合考慮質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)性等方面，選擇最佳種類的材料。一般來(lái)講，模具的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，熱處理的難度越大，應(yīng)選擇易淬透的材料，如合金鋼普遍優(yōu)于碳素鋼。在模具的鋼種選擇時(shí)，一定要對(duì)不同種類的鋼種的性能有較全面的了解，包括其物化性質(zhì)和工藝性。

2.2 模具材質(zhì)的影響及其對(duì)策

模具材質(zhì)的好壞也嚴(yán)重影響模具熱處理后的變形，這是模具材料內(nèi)部缺陷所致。

結(jié)構(gòu)組織決定性能，即使是同一種的鋼材，其內(nèi)部的微觀組織也不同。這主要與以下因素有關(guān)：（1）模具材料本身在配制過(guò)程中，對(duì)于同一型號(hào)的材料，各種成分的含量允許在一定范圍內(nèi)變化，因而其組成相及含量也在一定范圍內(nèi)變化，其最終的性能也在一定范圍內(nèi)變化；（2）不同廠家的工藝水平不一樣，在熱處理過(guò)程中若選擇不同的參數(shù)，熱處理過(guò)程伴隨的變化也不相同；（3）不同廠家的管理水平不一樣，即使是同一型號(hào)的材料，設(shè)計(jì)的是同樣的工藝，但因管理水平上的差異，人為因素導(dǎo)致模具材料中組織上的不同。以Cr12MoV鋼為例，從理論上講其在熱處理過(guò)程中的變形非常微小，但在實(shí)際生產(chǎn)中卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，用其做成的模具往往發(fā)生較大變形。在對(duì)問(wèn)題模具的深入分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題模具材料的組織中往往存在較多非均勻分布的碳化物。這種情況的產(chǎn)生主要是由于在材料配制的過(guò)程中，由于工藝的原因造成的。針對(duì)這些情況，可參考下面四點(diǎn)原則：（1）優(yōu)先選擇大廠生產(chǎn)的材料，尤其是在制造形狀復(fù)雜的模具時(shí)，更應(yīng)重視材料質(zhì)量的選擇。大廠無(wú)論從技術(shù)，還是從管理上，都能保證材料的材質(zhì)；（2）在選用材料前應(yīng)進(jìn)行抽檢，有條件的話盡量做組織檢測(cè)，在實(shí)際生產(chǎn)中往往只對(duì)力學(xué)性能等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，組織上的問(wèn)題不易反映出來(lái)；（3）對(duì)后期才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的模具材料，可以根據(jù)材質(zhì)的實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)救處理，以使其組織得以改善，如通過(guò)預(yù)處理工藝使鋼中存在碳化物變得細(xì)小、均勻；（4）在設(shè)計(jì)熱處理工藝時(shí)，盡量根據(jù)實(shí)際材質(zhì)來(lái)確定工藝參數(shù)，而不是僅根據(jù)材料的型號(hào)來(lái)用經(jīng)驗(yàn)法確定工藝參數(shù)。

3 模具結(jié)構(gòu)的影響及其對(duì)策

除模具材料對(duì)熱處理工藝的質(zhì)量有影響外，模具的結(jié)構(gòu)對(duì)其也有重要的影響。因此，在設(shè)計(jì)模具過(guò)程中，不僅要保證模具的結(jié)構(gòu)在功能上的實(shí)現(xiàn)，也要考慮模具結(jié)構(gòu)對(duì)熱處理工藝質(zhì)量的影響。模具結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在：（1）模具體積過(guò)大，無(wú)法在爐膛中均勻處理；（2）模具結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，各部位在熱處理過(guò)程中存在較大差異；（3）模具上未設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)，不能對(duì)不利的變形進(jìn)行調(diào)整。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，從保證熱處理質(zhì)量的角度講，總的原則是：在不影響模具使用性能的前提下，盡量采用能保證模具熱處理時(shí)均勻受熱的結(jié)構(gòu)?？梢詤⒖家韵氯c(diǎn)：（1）模具體積應(yīng)適應(yīng)熱處理爐，應(yīng)保證各部位在熱處理時(shí)的均勻受熱。在大型模具上，我采用組合式結(jié)構(gòu)，以便于對(duì)模具零件的分批處理；（2）在滿足使用性能要求的條件下，模具結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單。模具結(jié)構(gòu)上盡量做到對(duì)稱、均勻，避免截面發(fā)生突變的設(shè)計(jì)；（3）在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)易出現(xiàn)問(wèn)題的部位，可設(shè)計(jì)相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱方面的補(bǔ)償，減少因熱處理導(dǎo)致的變形。

4 結(jié)語(yǔ)

模具熱處理過(guò)程中存在一系列問(wèn)題，熱應(yīng)力和熱變形是兩個(gè)主要問(wèn)題，其危害較大，在模具設(shè)計(jì)制造及使用的過(guò)程中必須對(duì)其成因進(jìn)行分析，并積極給出對(duì)策。其中，材料的選擇和模具結(jié)構(gòu)的合理性是兩個(gè)需要重點(diǎn)考慮的方面。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳滿智.金屬材料在熱處理過(guò)程中的缺陷淺論[J].職大學(xué)報(bào)，2010，（2）.

[2] 馬亞麗，吳正紅.提高H13壓鑄模壽命的熱處理工藝[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，（6）.

基金項(xiàng)目：湖北省教育科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目（2013B459）。

作者簡(jiǎn)介：李繼高（1973-），男，湖北紅安人，江漢大學(xué)文理學(xué)院講師，碩士，研究方向：材料加工新技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）