工程师论文发表模具热处理过程中存在的主要问题

所属栏目:工业设计论文 发布日期:2015-03-21 16:11 热度:

   摘要:在生产实践中发现,模具产品的质量和使用寿命直接受模具的热处理工艺的影响,这与模具热处理过程中其组织转化及温度变化的不均匀性有关。模具热处理会产生一系列问题,严重影响模具的质量和使用寿命。为此,围绕热应力和热变形两个主要问题,分析了模具热变形的原因及变形规律,并从材料选择、结构设计方面给出若干对策。

  关键词:工程师论文发表,模具,热处理,主要问题,组织转化,温度变化,变形规律

  模具工业在快速发展中,它是世界工业发展的基础。据统计,生活、生产中的75%零件或产品均要通过模具来完成,其中在汽车、电器、建筑等行业最为突出。模具虽是小批量产品,但更新换代快,精度要求较高,它的技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要指标。在生产实践中发现,模具产品的质量和使用寿命直接受模具的热处理工艺的影响,这与模具热处理过程中其组织转化及温度变化的不均匀性有关。高效、高质量的模具热处理工艺是广大模具从业人员和科研工作者研究的重要课题。本文将就模具热处理过程产生的主要问题进行探讨,并给出相应的对策。

  1 热应力与热变形

  1.1 热应力

  在热处理过程中,模具的各部分若不能在升温和降温时做到自由的伸缩,在热处理过程中或热处理后模具内部就会有应力存在,这种应力称为热应力。产生热应力的原因可以概括为以下三种:(1)模具零件在热处理炉里堆放时相互挤压,受到这种约束,相应部分不能自由伸缩;(2)由于炉膛空间和模具零件大小的限制,不可能保证模具各部分完全均匀受热与冷却,导致模具的中心与边缘、厚处与薄处的伸缩量不同;(3)如果模具本身材质不均匀,在受热与冷却时,不同的组织所在的部分伸缩量也不相同,从而导致相应部分不能自由伸缩。因为存在热应力,零件实际产生的热变形是指它受约束限制之后的热变形,因此与热应力的关系密不可分。

  1.2 热变形

  1.2.1 热变形形成机理。由于热处理过程中热应力的存在,模具在热处理过程中或在模具热处理后产生的几何形状上的变形,甚至是破坏,可称之为热变形。

  在模具热处理过程中,模具零件存在热应力的部分表现出不同比例的伸缩量,从而直接导致整个模具零件的变形。若变形部分同存在于塑性变形区或弹性变形区,变形最终会随热处理过程的结束而逐渐消失,但若一部分处在塑性变形区,而另一部分处于弹性变形区,这种变形将在模具上保留下来。更为严重的是,若模具零件的局部的热应力超过材料的抗拉强度或因外力产生的应力与热应力叠加在一起超过材料的抗拉强度,相应部分会产生破坏性的后果,表现为裂纹或断裂等。

  模具热处理后,模具仍会继续变形,这主要是模具中残余的热应力导致的。自然界存在能力最低原理,存在残余应力时处于一种高能量,这种能量必须释放出来,和热处理过程一样,能量的释放伴随着结构形状上的调整。这对因材料、结构方面容易产残余应力的模具表现更为突出。

  1.2.2 热变形的一般规律。模具的热变形与模具材料、热处理工艺及模具自身的结构等多因素均有关系,因而模具的热变形表现出复杂性。但实践中发现仍存在一般的规律,理论上也可以解释。

  以圆柱形的模具零件为例,棱角处首先冷却,因其处于散热有利位置,热收缩在此部位快速发生,而其芯部因来不及冷却则会限制其表面的收缩,这样圆柱形的零件的表层表现为拉应力,其中心却表现为压应力,因此产生为棱边收缩、中心突出的现象,表现为长度缩短而直径增大。以普通的钢制模具的淬火处理为例,因为模具的不同部分冷速不同,钢件会表现出不同的变形形式,而且这种冷却速度的差别越大,变形量也就越大,冷却速度的差异是产生这种变形的根本原因。当模具零件的一个表面因冷速大产生凹形陷入时,而另一个相对表面因冷速小产生鼓形凸起时,模具就会有产生弯曲类变形的倾向。当模具的一个端面因冷速大产生向内的凹入,而另一端面因冷速小产生向外的凸出时,模具就有会产生旋转类变形的倾向。在模具的制造或应用过程中往往是多种变形的综合,在分析变形倾向时应作全面分析。一般钢制模具淬火过程中的变形规律可以概括为:初期,因为淬火介质与模具的温差大,冷却速度大的部位表现出表面积缩小的趋势,而随着淬火过程的进行,冷却速度逐渐减小,导致工件表面积缩小的趋势就减小。少数情况下,慢冷部位还表现出表面积略微增大的趋势。在这里要特别强调一点:热应力的存在也不一定总是坏事,在某些工艺处理的情况下,若模具零件的变形超过了一定的差值,可以利用热应力对模具产品的调整作用进行补救,以解决工艺中的矛盾。

  2 模具材料对热变形的影响及其对策

  模具产品本身的材料对模具的热处理工艺的质量起直接性的决定作用,进一步决定着热变形的情况。模具的选材包括两个方面:一是材料的种类;一是材质的好坏。

  2.1 模具材料种类的影响及其对策

  在热处理工艺设计的过程中,要考虑到模具材料的种类影响热处理工艺的质量、效率,当然也决定着模具本身的价格。就碳素工具钢来讲,若用其制作较复杂的模具,硬度一般可以满足要求,但因其含碳量高,热处理后的变形往往较大,严重时还使模具报废,造成巨大的经济损失。若换用合金钢时,不仅硬度可以满足要求,热处理后的变形也相对较小,但其价格相对较高。在选材时,应综合考虑质量、效率和经济性等方面,选择最佳种类的材料。一般来讲,模具的结构越复杂,热处理的难度越大,应选择易淬透的材料,如合金钢普遍优于碳素钢。在模具的钢种选择时,一定要对不同种类的钢种的性能有较全面的了解,包括其物化性质和工艺性。

  2.2 模具材质的影响及其对策

  模具材质的好坏也严重影响模具热处理后的变形,这是模具材料内部缺陷所致。   结构组织决定性能,即使是同一种的钢材,其内部的微观组织也不同。这主要与以下因素有关:(1)模具材料本身在配制过程中,对于同一型号的材料,各种成分的含量允许在一定范围内变化,因而其组成相及含量也在一定范围内变化,其最终的性能也在一定范围内变化;(2)不同厂家的工艺水平不一样,在热处理过程中若选择不同的参数,热处理过程伴随的变化也不相同;(3)不同厂家的管理水平不一样,即使是同一型号的材料,设计的是同样的工艺,但因管理水平上的差异,人为因素导致模具材料中组织上的不同。以Cr12MoV钢为例,从理论上讲其在热处理过程中的变形非常微小,但在实际生产中却经常发现,用其做成的模具往往发生较大变形。在对问题模具的深入分析时发现,问题模具材料的组织中往往存在较多非均匀分布的碳化物。这种情况的产生主要是由于在材料配制的过程中,由于工艺的原因造成的。针对这些情况,可参考下面四点原则:(1)优先选择大厂生产的材料,尤其是在制造形状复杂的模具时,更应重视材料质量的选择。大厂无论从技术,还是从管理上,都能保证材料的材质;(2)在选用材料前应进行抽检,有条件的话尽量做组织检测,在实际生产中往往只对力学性能等指标进行检测,组织上的问题不易反映出来;(3)对后期才发现问题的模具材料,可以根据材质的实际情况进行补救处理,以使其组织得以改善,如通过预处理工艺使钢中存在碳化物变得细小、均匀;(4)在设计热处理工艺时,尽量根据实际材质来确定工艺参数,而不是仅根据材料的型号来用经验法确定工艺参数。

  3 模具结构的影响及其对策

  除模具材料对热处理工艺的质量有影响外,模具的结构对其也有重要的影响。因此,在设计模具过程中,不仅要保证模具的结构在功能上的实现,也要考虑模具结构对热处理工艺质量的影响。模具结构的影响主要体现在:(1)模具体积过大,无法在炉膛中均匀处理;(2)模具结构过于复杂,各部位在热处理过程中存在较大差异;(3)模具上未设计相应的工艺结构,不能对不利的变形进行调整。在设计模具时,从保证热处理质量的角度讲,总的原则是:在不影响模具使用性能的前提下,尽量采用能保证模具热处理时均匀受热的结构。可以参考以下三点:(1)模具体积应适应热处理炉,应保证各部位在热处理时的均匀受热。在大型模具上,我采用组合式结构,以便于对模具零件的分批处理;(2)在满足使用性能要求的条件下,模具结构尽可能简单。模具结构上尽量做到对称、均匀,避免截面发生突变的设计;(3)在实际生产中发现易出现问题的部位,可设计相应的工艺结构,进行热方面的补偿,减少因热处理导致的变形。

  4 结语

  模具热处理过程中存在一系列问题,热应力和热变形是两个主要问题,其危害较大,在模具设计制造及使用的过程中必须对其成因进行分析,并积极给出对策。其中,材料的选择和模具结构的合理性是两个需要重点考虑的方面。

  参考文献

  [1] 吴满智.金属材料在热处理过程中的缺陷浅论[J].职大学报,2010,(2).

  [2] 马亚丽,吴正红.提高H13压铸模寿命的热处理工艺[J].吉林工程技术师范学院学报,2008,(6).

文章标题:工程师论文发表模具热处理过程中存在的主要问题

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