| 深孔的螺紋加工
河南科技學院 (新鄉(xiāng) 453000 ) 聶福全
中南民族大學 (湖北武漢 430030) 聶 怡
洛陽水資源勘察設(shè)計院 (河南 471000) 楊 晨
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。
一、造成工件開裂的原因分析
1、切割厚度較大
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會,中心部位強度減弱,趨向收縮,內(nèi)部應(yīng)力釋放,體積重新分布,當釋放的內(nèi)應(yīng)力大于材料強度時,工件被拉裂,從而產(chǎn)生裂紋。
2.預(yù)先沒有開腔
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度時,切割部位就會出現(xiàn)裂紋。
3.材料組織成分差
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(yīng)力分布,激化了零件一些部位的應(yīng)力集中,線切割時進一步加大了這些區(qū)域的應(yīng)力集中,從而在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生開裂。
4.材料淬透性差
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。
5.回火溫度和次數(shù)難以消除殘余應(yīng)力影響
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。
6.加工工藝的影響
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。
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(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。
二、改進措施
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。
1.制定合理的工件硬度
在滿足該工件使用需要的前提下,應(yīng)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(yīng)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(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?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。
2.改進模具材料
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(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格,
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。
3.淬火前預(yù)先開腔
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中實線所示(圖中虛線為切割后輪廓),各邊留有2~3mm線切割余量。
4.改進設(shè)計結(jié)構(gòu),避免尖角
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。
5.選擇合適的引絲工藝孔位置
雖然改進后扇形腔在淬火前已預(yù)先開腔并采用了圓角過渡,但是在實際應(yīng)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(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),
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)。
6.精選材料
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(yīng)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.改進熱處理工藝
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備。同時調(diào)質(zhì)處理可消除粗加工產(chǎn)生的機械應(yīng)力,對減小最終熱處理的變形也有好處。
凹模進行淬火處理時,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(shè)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(yīng)力,減小變形,且對組織成分及硬度影響較小。
淬火后應(yīng)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(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(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。
9.改進加工工藝
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(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。
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。
三、效果
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(fù)雜的凹模線切割加工,并能有效保證線切割的質(zhì)量。
編輯：[國抒云]
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