模具加工過程中的缺陷及其預(yù)防對(duì)策淺談

王震

摘 要：模具在工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺，而加工過程會(huì)直接決定其質(zhì)量。如果在加工過程中出現(xiàn)問題，則會(huì)使模具存在缺陷。為了提高模具質(zhì)量，在模具制造過程中，應(yīng)注重選材、制造工藝等方面的問題。分析了模具存在缺陷的原因，并提出了相應(yīng)的解決對(duì)策。

關(guān)鍵詞：模具；質(zhì)量缺陷；加工工藝；磨削加工

中圖分類號(hào)：TQ320.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.095

模具的制作過程十分復(fù)雜，包括鍛造、磨削和線切割等工序，且在加工過程中易出現(xiàn)缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致模具質(zhì)量不合格。因此，在制作模具時(shí)，相關(guān)人員必須預(yù)防可能出現(xiàn)的缺陷，從而保證模具質(zhì)量，延長(zhǎng)模具的使用壽命。

1 模具制造過程中存在的缺陷

模具選材是模具制造的基礎(chǔ)，只有選擇了合適的材料，才能制造出沒有缺陷的模具，所以說，合適的材料是制造合格模具的前提。但模具選材會(huì)受到多種因素的影響，進(jìn)而使制成的模具存在各種缺陷。在制作工藝方面，即使模具采用了精湛的制作工藝，也會(huì)存在一定的缺陷。

1.1 材料缺陷

不同模具的材料不同，比如，體積較小、對(duì)使用壽命的要求非常高的模具一般采用高碳工具鋼，對(duì)使用壽命要求比較高的模具一般采用合金工具鋼。但無論采用以上哪種鋼材，制造出的模具均會(huì)存在一定的缺陷。其中，存在缺陷較多的是碳素鋼及部分合金鋼。

1.2 機(jī)械加工工藝缺陷

模具的加工工藝主要分為機(jī)械加工和電加工。所謂“機(jī)械加工”，是指利用機(jī)械工具切削或磨削模具材料。在此過程中存在的主要問題為：①工藝技術(shù)水平較低，導(dǎo)致模具的角半徑誤差過大，造成模具投入使用后的應(yīng)力過于集中。在此情況下，模具非常容易損壞。②經(jīng)過切削后的模具表面過于粗糙，易產(chǎn)生疲勞裂紋。③無法完全去除模具制造過程中產(chǎn)生的脫碳層，導(dǎo)致模具的耐磨性變差。

磨削加工中最主要的問題是摩擦生熱，摩擦產(chǎn)生的瞬間最高溫度可達(dá)1 000 ℃以上，足以燒傷工件表層。此外，由于溫差過大，當(dāng)表層處于高溫時(shí)，次表層的溫度幾乎不變，這就抑制了受到高溫影響的表層的膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力。當(dāng)壓應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，模具材料就會(huì)發(fā)生塑性變形。此時(shí)，在相鄰的區(qū)域冷卻過程中，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致模具表面出現(xiàn)磨削裂紋，進(jìn)而大大縮短模具的使用壽命。

1.3 電加工工藝缺陷

所謂“電加工”，主要分為電火花加工和電火花線切割。模具經(jīng)過電火花加工后會(huì)產(chǎn)生異常層。運(yùn)用該加工方法時(shí)，模具放電區(qū)的電流密度非常大，加工區(qū)域的溫度可達(dá)到10 000 ℃，進(jìn)而導(dǎo)致模具的表層因高溫而熔化。但其冷卻速度非?？?，凝固后會(huì)形成白亮層，白亮層下的區(qū)域會(huì)淬火，形成淬火層。該區(qū)域的溫度隨之降低，發(fā)生回火反應(yīng)，形成回火層。這些被稱為模具的異常層，其會(huì)縮短模具的使用壽命。

電火花線切割的原理為：粒子相互碰撞后會(huì)形成一個(gè)釋放大量熱量的等離子區(qū)，進(jìn)而通過高溫熔化工件。該方法的缺陷是等離子區(qū)的溫度會(huì)快速降低，導(dǎo)致模具表面會(huì)形成變質(zhì)層。該變質(zhì)層的形狀各異。當(dāng)放電停止時(shí)，兩極間的氣相和液相的金屬會(huì)凝固成空心的小球或球形的顆粒，并附著在變質(zhì)層表面，進(jìn)而影響了模具的精度。

2 預(yù)防對(duì)策

2.1 材料缺陷的預(yù)防對(duì)策

無論制造哪種模具，只要在預(yù)算范圍內(nèi)，則應(yīng)盡可能地選用質(zhì)量好的模具材料。如果選用的材料質(zhì)量較差，則應(yīng)對(duì)材料重復(fù)加工，從而提升其質(zhì)量，避免因材料存在缺陷而影響模具質(zhì)量。在鍛造時(shí)，應(yīng)控制好加工溫度和鍛造比。只有在合理的溫度范圍內(nèi)，材料才能發(fā)揮最佳性能，因此，應(yīng)根據(jù)所用材料的特點(diǎn)和模具加工要求確定加工溫度和鍛造比。

2.2 切削加工缺陷的預(yù)防對(duì)策

在模具加工過程中，必須確保模具各部位接觸面的光滑度，盡可能地不在模具上留下加工痕跡，并減小熱應(yīng)力。為了有效避免模具淬火變形現(xiàn)象的發(fā)生，需要采取一些限制熱處理變形的措施。根據(jù)模具的加工要求，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募庸ぞ?。如果未選擇合適的加工精度，則會(huì)造成模具表面粗糙，進(jìn)而無法完全去除脫碳層，且可能使模具在熱處理過程中生成不均勻的硬化層，進(jìn)而使模具的耐磨性變差。在加工即將完成時(shí)，必須對(duì)模具進(jìn)行補(bǔ)焊處理，從而避免加工過程中的余量過小，但如果余量過大，則會(huì)使淬火難度加大。因此，在加工過程中不可使模具表面過于粗糙。在加工淬硬模具時(shí)，需要采取高速加工的方式來保證模具的高精度和互換性。高速加工具有速度快、精度高的特點(diǎn)，其工作效率要高于普通加工數(shù)倍，且生產(chǎn)出的模具硬度大、表面光滑，不需要重復(fù)加工。

2.3 磨削加工缺陷的預(yù)防對(duì)策

在磨削加工中，需要改進(jìn)其加工工藝，從而更好地控制模具的加工余量。比如，可適當(dāng)減小徑向進(jìn)給量、降低砂輪的轉(zhuǎn)速、加大軸向的進(jìn)給量；通過調(diào)整速效砂輪與工件的接觸面積，可達(dá)到改善散熱條件和控制表層溫度的目的。

相關(guān)人員應(yīng)合理選擇修整砂輪，比如，GD單晶剛玉砂輪適用于高釩高鉬材料，金剛石砂輪適用于硬質(zhì)合金和高硬度淬火材料。

在磨削過程中，必須隨時(shí)修整砂輪，保證砂輪處于銳利狀態(tài)。如果砂輪變鈍，則會(huì)導(dǎo)致工件表面因過度摩擦而燒傷，進(jìn)而降低了模具強(qiáng)度；適時(shí)使用冷卻潤(rùn)滑液，保證工件溫度在允許范圍內(nèi)，從而避免工價(jià)出現(xiàn)熱變形。在高精度模具加工中，必須及時(shí)消除殘余應(yīng)力，防止其影響模具精度。因此，在模具加工完成后，必須對(duì)其進(jìn)行低溫處理，從而提高其韌性；冷卻完成后，為了防止模具收縮開裂，還應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行回火處理。

2.4 電火花加工缺陷的預(yù)防對(duì)策

在電火花加工過程中，首先要設(shè)定好相關(guān)參數(shù)。一般情況下，多采用小電流加工法，這樣能保證產(chǎn)出高精度的模具，但該方法的缺點(diǎn)是加工效率低。加工完成后，可采用電解拋光或超聲波拋光等方法除去模具表面的白亮層或顯微裂紋，并進(jìn)行低溫回火，從而穩(wěn)固凝固層，防止白亮層的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。值得注意的是，回火溫度需要保持在480～520 ℃，回火時(shí)間為2～3 h。如果模具對(duì)硬度、精度和復(fù)雜程度的要求相對(duì)較高，則可采用半精加工的方式，并使用軌跡坐標(biāo)磨對(duì)模具進(jìn)行精磨加工，從而達(dá)到消除異常層的目的。

2.5 線切割加工缺陷的預(yù)防對(duì)策

如果選擇了合理的模具加工參數(shù)和加工工藝，則可有效消

除放電過程中存在的各種不利影響。線切割過程中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，其大小與材料自身的性質(zhì)、脈沖能量有關(guān)。脈沖能量越大，則殘余拉應(yīng)力越大，熱導(dǎo)系數(shù)越小。當(dāng)脈沖能量逐漸減少時(shí)，變質(zhì)層的狀態(tài)會(huì)隨之變化，模具的硬度也會(huì)隨之增大，殘余拉應(yīng)力也會(huì)隨之減小，從而延長(zhǎng)了模具的使用壽命。此外，迅速發(fā)散放電時(shí)所產(chǎn)生的熱量可有效減小殘余拉應(yīng)力，而改善模具變質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和性能可有效延長(zhǎng)模具的使用壽命。

在線切割加工過程中，還應(yīng)盡量選用一些淬透性較好的材料，以保證模具組織的均勻性，從而減小淬火過程中的殘余拉應(yīng)力；慎重選擇加熱方式和加熱溫度，且應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行充分的回火和冷處理；必須保證工件的穩(wěn)定性，裝夾時(shí)應(yīng)避免造成工件變形。

3 結(jié)束語

在整個(gè)模具加工過程中，每一個(gè)步驟都很重要。在材料選擇方面，如果原材料出現(xiàn)問題，則在后續(xù)的加工中就會(huì)存在先天性缺陷。比如，在磨削加工中，如果原材料存在缺陷，則會(huì)使模具產(chǎn)生裂紋。因此，必須科學(xué)、合理地選擇模具材料。此外，如果模具的加工方法選擇不當(dāng)或操作存在問題，則會(huì)產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致模具開裂或變形。因此，在模具加工過程中，一定要選用合理的加工工藝和加工參數(shù)，從而保證模具的質(zhì)量。

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〔編輯：張思楠〕