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提高線切割模具壽命的方法

2013-4-6 來源：作者：

提高線切割模具壽命的方法

1 引言

目前電火花線切割機(jī)已被廣泛應(yīng)用于模具加工。由于線切割機(jī)床加工一般都是在熱處理后進(jìn)行，從而避免了熱處理變形、表面脫碳等弊病。有很多模具制造單位，往往是線切割后，稍加研磨就裝配使用。還有的不經(jīng)研磨就直接裝配使用，結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)崩刃、折斷、碎裂現(xiàn)象，即使不出現(xiàn)上述現(xiàn)象，沖模的刃磨壽命也不長。

本文就線切割后模塊表面的應(yīng)力狀態(tài)及消除應(yīng)力、提高其表面質(zhì)量的方法，作初步探討。

2 線切割后零件表面的應(yīng)力狀態(tài)

目前，很多模具都采用快走絲線割機(jī)加工，線切割后的工件表面粗糙度Ra≥2.5μm，硬度分布和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)都很差。

線切割機(jī)加工時，放電區(qū)電流密度高達(dá)10000A/mm2，溫度高達(dá)10000℃～12000℃，加注的介質(zhì)液急劇冷卻，致使切割面表層硬度僅20HRC左右，而內(nèi)部淬火層硬度卻高達(dá)70HRC以上，其后為熱影響區(qū)，再后才是原硬度區(qū)。尤為嚴(yán)重的是原材料內(nèi)部因?yàn)榇慊鸪世瓚?yīng)力狀態(tài)，線切割所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也是拉應(yīng)力，兩種應(yīng)力疊加的結(jié)果很容易達(dá)到材料的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生微裂紋，從而大大縮短沖模壽命，因此線切割不能作為凸模、凹模的最終加工工序。從圖1可以看出，CrWMn材料線切割后切口斷面硬度分布及回火、時效后的硬度變化情況。

3 消除線切割產(chǎn)生應(yīng)力的措施

3.1 研磨去掉白層

目前，多數(shù)模具加工單位是在線切割后，用研磨的辦法去掉表層20HRC的灰白層(即白層) 后便進(jìn)行裝配使用。這樣做雖然可以去掉硬度低的白層，但沒有改變線切割造成的應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，即使增大線切割后的研磨余量，但因高硬層硬度高(達(dá)70HRC) ，研磨困難，過大的研磨量容易破壞零件幾何形狀。故線切割產(chǎn)生的高硬度層并不能提高沖模壽命，因?yàn)槠浯嘈源笫钱a(chǎn)生裂紋、崩刃的根本原因。

3.2 回火處理

在線切割后，研磨去零件表面的白層，再在160℃～180℃回火2h ，則白層下面的高硬層可降低5HRC～6HRC，線切割產(chǎn)生的熱應(yīng)力亦有所下降，從而提高了沖模的韌性，延長了使用壽命。但是由于回火時間短，熱應(yīng)力消除不徹底，沖模壽命并不十分理想。

3.3 磨削加工

線切割后磨削加工，可去掉低硬度的白層和高硬層，提高沖模壽命。因?yàn)槟ハ鲿r產(chǎn)生的熱應(yīng)力也是拉應(yīng)力，與線切割產(chǎn)生的熱應(yīng)力疊加，無疑也會加劇沖模損壞。若在磨削后，再進(jìn)行低溫時效處理，則可消除應(yīng)力影響，顯著提高沖模韌性，使沖模壽命提高。因?yàn)閹缀涡螤顝?fù)雜的沖模大多數(shù)是采用線切割加工，所以磨削形狀復(fù)雜的沖模必須采用價格昂貴的坐標(biāo)磨床和光學(xué)曲線磨床，而這兩種設(shè)備一般廠家都不具備，故推廣困難。

3.4 噴丸處理后再低溫回火

噴丸處理可使線切割切口的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高沖模的強(qiáng)度和硬度，使表面層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，拉應(yīng)力降低，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，使裂紋萌生和擴(kuò)展困難，再結(jié)合低溫回火，消除淬火層內(nèi)拉應(yīng)力，可使沖模壽命提高10～20倍。

噴丸處理受設(shè)備條件和沖模零件形狀(內(nèi)表面) 限制，難以普遍應(yīng)用。

3.5 研磨后再低溫時效處理

線切割表面經(jīng)研磨后，高硬層已基本去掉，再進(jìn)行120℃～150℃×5～10h低溫時效處理(亦稱低溫回火處理) ，亦可經(jīng)過160℃～180℃×4～6h 低溫回火處理。這樣可消除淬火層內(nèi)部拉應(yīng)力，而硬度降低甚微(后者硬度降低稍大)，卻大大提高了韌性，降低了脆性，沖模壽命可提高2倍以上。這一方法簡便易行，效果十分明顯，易于推廣。

冷鐓模和冷擠模在壓制若干零件之后，模具內(nèi)部的應(yīng)力已經(jīng)積聚很高，亦可用此方法消除應(yīng)力，提高韌性，使壽命提高。

4 應(yīng)用舉例

某單位曾用材料為CrWMn的沖模，線切割后分別做如下試驗(yàn)，其壽命差異非常大。

(1) 直接用于沖裁，刃磨壽命10742次。

(2) 160℃回火2h，刃磨壽命11180次。

(3) 研磨去白層，刃磨壽命僅4860次。

(4) 研磨去白層，160℃×2h回火，刃磨壽命為7450次。

(5) 磨削，刃磨壽命28743次。

(6) 噴丸后經(jīng)160℃×2h回火，刃磨壽命達(dá)到220000次。

用Cr12材料加工鐓臺模(如圖2所示) ，被鐓壓工件材料為σb= 800MPa的可伐合金，原工藝為960℃～980℃油淬+160℃～180℃×2h回火，線切割后，經(jīng)鉗工研磨，直接壓制，壽命僅數(shù)十件就斷裂。

若經(jīng)線切割后研磨，再進(jìn)行160℃～180℃×2h回火，壽命達(dá)數(shù)百件，依然斷裂。

采用線切割后研磨，再進(jìn)行120℃～150℃×6～10h低溫時效處理，壽命超過3000件，目前仍在使用。

5 有關(guān)研磨問題

從圖3 中可以看出凸、凹模的磨損是沿側(cè)面(線切割表面) 和端面(刃磨表面) 兩個方向同時發(fā)生的，前者磨損略大于后者。凸、凹模表面粗糙度值越低，耐疲勞強(qiáng)度越高，粗糙度值每降低1級，壽命可提高1倍。因此，研磨凸、凹模時，必須兩者兼顧。

有人曾做過這樣的實(shí)驗(yàn)，把兩組結(jié)構(gòu)完全相同的凸、凹模，用來沖制同一材料。其中一組只研磨凸、凹模側(cè)面、磨削端面，另一組則是研磨側(cè)面、端面磨削后再研磨，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后者的壽命竟比前者高出近1倍。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難理解，因?yàn)榘辶显跊_裁時，隨著凸模進(jìn)入板料深度的增加，材料向凸、凹模刃口流動，直到凸模刃口和凹模刃口之間產(chǎn)生的裂紋重合時為止。在材料流動時，凸、凹模端面產(chǎn)生很大的摩擦力，摩擦力大小在很大程度上取決于凸、凹模端面粗糙度的高低，因此，研磨凸、凹模端面有利于提高沖模壽命，特別是形狀復(fù)雜而精度要求高的中小型沖模。

6 結(jié)束語

凸、凹模在線切割后的加工方法，對沖模的壽命影響極大。如何消除線切割加工產(chǎn)生的脆性，提高韌性，最佳方法是噴丸+ 低溫回火，其次是磨削后+ 研磨+ 低溫回火，再次是研磨+ 低溫時效處理，各單位可根據(jù)自己的具體情況選擇。

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