沖壓模具變形的原因分析及解決辦法

目前，在模具制造中，已開始應用電火花加工、成型磨削、線切割等新工藝，較好地解決了復雜模具的加工和熱處理變形問題。然而，這些新工藝由于受到各種條件的限制，尚未能普遍應用。因此，如何減少模具的熱處理變形，目前仍是一個很重要的問題。

一般模具要求精度較高，經熱處理以后，又不便于甚至不可能再進行加工和校正，因此，在熱處理后，即使組織性能已達到要求，但如變形超差，仍然因無法挽救而報廢，這樣不僅影響生產，而且還造成經濟上的損失。

有關熱處理變形的一般規律，這里不作討論，以下針對影響模具變形的一些因素作簡要的分析。

一、模具材料對熱處理變形的影響

材料對熱處理變形的影響，包括鋼的化學成分及原始組織兩方面的影響。

從材料本身來看，主要通過成分對淬透性、Ms點等的影響而影響熱處理變形。

碳素工具鋼在正常淬火溫度進行水-油雙液淬火時，在Ms點以上產生很大的熱應力;當冷到Ms點以下時，奧氏體向馬氏體轉變，產生組織應力，但由于碳素工具鋼淬透性差，所以組織應力的數值不大。加上其Ms點不高，在發生馬氏體組織轉變時，鋼的塑性已經很差，不易發生塑性變形，因此，就保留了熱應力作用所造成的變形特征，模具型腔趨向收縮。但若淬火溫度提高(>850℃)，也可能因組織應力起主導作用，而使型腔趨向于脹大。

在用9Mn2V，9SiCr，CrWMn，GCr15鋼等低合金工具鋼制作模具時，其淬火變形規律與碳素工具鋼相似，但變形量要比碳素工具鋼要小。

對于一些高合金鋼，如Cr12MoV鋼等，由于其碳及合金元素含量較高，Ms點較低，因而淬火后有較多的殘余奧氏體，它對由于馬氏體而致的體積膨脹有抵消作用，因此，淬火后的變形就相當小，一般用空冷、風冷、硝鹽浴淬火時，模具型腔趨于微量脹大;若淬火溫度過高，則殘余奧氏體量增加，型腔也可能縮小。

若用碳素結構鋼(如45鋼)或某些合金結構鋼(如40Cr)制作模具，則因其Ms點較高，當表面開始馬氏體轉變時，心部溫度尚較高，屈服強度較低，有一定的塑性，表面對心部的瞬時拉伸組織應力，易于超過心部的屈服強度而使型腔趨向脹大。

鋼的原始組織對淬火變形也有一定的影響。這里所指的“鋼的原始組織”，包括鋼中夾雜物的級別、帶狀組織級別、成份的偏析程度、游離碳化物分布的方向性等，以及由于不同的預先熱處理而得到的不同組織(如珠光體、回火索氏體、回火屈氏體等)。對模具鋼來說，主要考慮的是碳化物偏析、碳化物的形狀和分布形態。

高碳高合金鋼(如Cr12型鋼)中碳化物偏析對淬火變形的影響特別明顯。由于碳化物偏析造成鋼加熱至奧氏體狀態后的成分不均勻性，因而，不同區域的Ms點就會有高有低。在同樣冷卻條件下，奧氏體向馬氏體轉變就有先有后，轉變后的馬氏體就因含碳量不同而比容有大有小，甚至有一些低碳、低合金區域可能根本得不到馬氏體(而得到貝氏體、屈氏體等)，所有這些都會造成零件淬火后的不均勻變形。

不同的碳化物分布形態(呈顆粒狀或纖維狀分布)，對基體脹縮的影響也不同，因而也會影響熱處理后的變形，一般是順著碳化物纖維方向型腔脹大，且較顯著;而垂直于纖維方向則縮小，但不顯著，有些廠為此特作了規定，型腔所在面應與碳化物纖維方向垂直，以減小型腔的變形，當碳化物呈顆粒狀均勻分布時，則型腔表現為均勻的脹縮。

此外，最終熱處理之前的組織狀態對變形也有一定的影響，例如，原始組織為球狀珠光體的就比片狀珠光體的在淬火后變形傾向要小。所以變形要求嚴格的模具，常在粗加工后先進行一次調質處理，然后再進行精加工及最終熱處理。

二、模具幾何形狀對變形的影響

模具幾何形狀對熱處理變形的影響，實際上仍是通過熱應力、組織應力來起作用的。由于模具的形狀是多種多樣的，要從中總結出確切的變形規律，目前還很困難。

對于對稱型的模具，可根據型腔尺寸、外形尺寸及高度來考慮型腔的變形傾向。當模具的壁薄、高度小時，則較易于淬透，這時有可能是組織應力起主導作用，因此，型腔常趨向脹大。反之，壁厚、高度大，則不易淬透，此時可能是熱應力起主導作用，因此，型腔常趨向縮小。這里所說的是一般趨勢，在生產實踐中，還須結合零件的具體形狀，所采用的鋼種及熱處理工藝等來加以考慮，通過實踐不斷總結出經驗來。由于實際生產中，模具的外形尺寸往往不是主要的工作尺寸，且變形后還可通過磨加工等加以校正，所以上面分析的主要是型腔的變形趨勢。

對于不對稱的模具的變形，同樣也是熱應力、組織應力綜合作用的結果。例如，對薄壁薄邊的模具，由于模壁薄，淬火時內外溫差小，因而熱應力小;但容易淬透，組織應力較大，所以變形趨向于型腔脹大。

為了減小模具的變形，熱處理部門應與模具設計部門共同研究，改善模具設計，如盡可能避免截面大小相差懸殊的模具結構、模具形狀力求對稱、復雜模具用拼合結構等。

當不能改變模具形狀時，為了減小變形，還可以采取一些其它的措施。這些措施總的考慮是改善冷卻條件，使各部分得以均勻冷卻;此外，也可以輔助以各種強制措施，以限制零件的淬火變形。例如，增加工藝孔，就是使各部分均勻冷卻的一個措施，即在模具某些部分開孔，使模具各個部分得以均勻地冷卻以減小變形。也可在淬火后容易脹大的模具外圍用石棉包住，以增大內孔與外層的冷卻差異，使型腔收縮。在模具上留筋或加筋是減少變形的又一種強制措施，它特別適用于型腔脹大的凹模，及槽口易脹大或縮小的模具。

三、熱處理工藝對模具變形的影響

1、加熱速度的影響

一般來說，淬火加熱時，加熱速度越快，則模具中產生的熱應力越大，易于造成模具的變形開裂，尤其對于合金鋼及高合金鋼，因其導熱性差，尤需注意進行預熱，對于一些形狀復雜的高合金模具，還需采取多次分級預熱。但在個別情況下，采用快速加熱有時反而可以減少變形，這時僅加熱模具的表面，而中心還保持“冷態”，所以相應地減少了組織應力和熱應力，且心部變形抗力較大，從而減少了淬火變形，根據一些工廠經驗，用于解決孔距變形方面有一定效果。

2、加熱溫度的影響

淬火加熱溫度的高低影響材料的淬透性，同時對奧氏體的成分與晶粒大小起作用。

(1)從淬透性方面看，加熱溫度高，將使熱應力增大，但同時使淬透性增高，因此組織應力也增大，并逐漸占主導地位。例如。碳素工具鋼T8、T10、T12等，在一般淬火溫度淬火時，內徑表現為縮的傾向，但若提高淬火溫度到≥850℃時，則由于淬透性增大，組織應力逐漸占主導地位，因而內徑可能表現為脹的傾向。

(2)從奧氏體成分看，淬火溫度提高使奧氏體含碳量增加，淬火后馬氏體的正方度增大(比容增大)，從而使淬火后體積增大。

(3)從對Ms點影響細看，淬火溫度高，則奧氏體晶粒粗大，將使零件的變形開裂傾向增大。

綜合上述，對所有的鋼種，尤其是某些高碳的中、高合金鋼，淬火溫度的高低會明顯影響模具的淬火變形，因此，正確選擇淬火加熱溫度是很重要的。

一般來說，選擇過高的淬火加熱溫度對變形是沒有好處的。在不影響使用性能的前提下，總是采用較低的加熱溫度。但對一些淬火后有較多殘余奧氏體的鋼號(如Cr12MoV等)，也可通過調整加熱溫度，改變殘余奧氏體量，以調節模具的變形。

3、淬火冷卻速度的影響

總的來說，在Ms點以上增大冷速，會使熱應力顯著增加，結果使熱應力引起的變形趨向增大;在Ms點以下增大冷速則主要使組織應力引起的變形趨向增大。
對于不同的鋼種，由于Ms點的高低不同，因而在采用同一淬火介質時，有不同的變形趨向。同一鋼種如采用不同的淬火介質，由于它們的冷卻能力不同，因而也有不同的變形趨向。

例如，碳素工具鋼的在Ms點比較低，因而采用水冷時，熱應力的影響往往占上風;而采用由冷時，則可能是組織應力占上風。

在實際生產中，模具常采用分級或分級-等溫淬火時，通常均未完全淬透，故往往以熱應力的作用為主，使型腔趨于收縮，不過由于這時熱應力不是很大，因此總的變形量是比較小的。若采用水-油雙液淬火或油淬時，引起的熱應力較大，型腔收縮量將增大。

4、回火溫度的影響

回火溫度對變形的影響，主要是由于回火過程中的組織轉變所引起的。若在回火過程中產生“二次淬火”現象，殘余奧氏體轉變為馬氏體，由于生成的馬氏體的比容比殘余奧氏體的大，將引起模具型腔的脹大;對一些高合金工具鋼如Cr12MoV等，當以要求紅硬性為主而采用高溫淬火，多次回火時，每回一次火，體積就脹大一次。

若在其他溫度區域回火，由于淬火馬氏體向回火馬氏體(或回火索氏體、回火屈氏體等)轉變，比容減小，因而，型腔趨向于收縮。

另外，回火時，模具中的殘余應力的松弛，對變形也有影響。模具淬火后，若表面處于拉應力狀態，回火后尺寸將增大;反之，若表面處于壓應力狀態，則產生收縮。但組織轉變及應力松弛兩項影響中，前者是主要的。