關(guān)于熱處理工藝對(duì)工件線切割加工性能的影響分析

余海煉 孔中捷 李勇前

摘 要：慢走絲線切割加工是現(xiàn)代加工制造行業(yè)常用的加工技術(shù)，具有精度高、表面效果好且適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軍用產(chǎn)品以及模型加工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其主要是利用電火花線產(chǎn)生的高溫來進(jìn)行輪廓加工，但由于其中涉及到熱、電、磁等復(fù)雜反應(yīng)，使得其加工質(zhì)量容易受到其他因素的影響。

關(guān)鍵詞：熱處理工藝；工件線切割；加工性能

中圖分類號(hào)：TG155 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）07-0169-02

Abstract：Slow thread cutting is a common processing technology in modern processing and manufacturing industry. It has the advantages of high precision， good surface effect and wide application range. It has been widely used in aerospace， military products and model processing. It is mainly the use of high-temperature wire to produce contours for processing， but because of which involves heat， electricity， magnetic and other complex reactions， so that the processing quality is susceptible to other factors.

Key Words：heat treatment process； workpiece wire cutting； processing performance

熱處理工藝是現(xiàn)代制造業(yè)中常用的工藝，為了滿足零件加工的需求，最大限度的利用材料，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硎橇慵圃斓闹匾h(huán)節(jié)。

通過加溫、保溫、冷卻等環(huán)節(jié)，熱加工工藝能夠通過改變材料組織結(jié)構(gòu)來提高其應(yīng)用性能，熱處理工藝對(duì)于材料的加工與使用能力有直接影響。例如在模具加工中，為了避免線切割造成的應(yīng)力，線切割通常都是在熱處理之后進(jìn)行的。但是在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，許多要進(jìn)行線切割加工的工件基本上都是未經(jīng)過熱處理，因此研究熱處理工藝對(duì)線切割加工工件性能的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1常見的熱處理方法

1.1退火

退火是指當(dāng)工件加熱至一定溫度時(shí)，工件隨著爐溫慢慢下降至500℃以下，也就是讓工件在空氣中慢慢冷卻。退火是指完全退火，一般用于質(zhì)量輕的工件，常用于各種合金、碳鋼、鍛件等工件的熱處理。該方法還能作為一些工件的預(yù)處理措施。

1.2球化退火

球化退火是指通過降低工件的硬度，從而提高工件的切削加工性能，為后續(xù)的淬火做好準(zhǔn)備工作。該方法一般用于合金鋼、碳鋼等材料中。

1.3淬火

淬火是指將工件加熱后并保持一段時(shí)間，然后在水或者油中進(jìn)行冷卻處理的一種工藝。該方法在冷卻階段采用的介質(zhì)除了常用的水、油外，還可以使用鹽水進(jìn)行冷卻處理。在使用鹽水冷卻時(shí)，能夠提高工件的硬度和表面的光滑度。而使用油進(jìn)行冷卻處理時(shí)，不是所有的油都能夠作為淬火冷卻介質(zhì)，一般采用淬火油作為工業(yè)冷卻介質(zhì)，可以用于穩(wěn)定性較高的合金鋁。在選取淬火介質(zhì)時(shí)，需要根據(jù)工件的實(shí)際情況而定，例如鹽水淬火容易使得工件容易變形和開裂。

1.4回火

回火是將淬火處理過的工件再次加熱美國認(rèn)證協(xié)會(huì)制定的臨界點(diǎn)以下的溫度，并且要保持一段時(shí)間，然后再次使用一定的方法將其冷卻。低溫回火能夠提高工件的硬度與耐磨性，且該方法能夠避免工件使用時(shí)的崩壞或損毀現(xiàn)象，同時(shí)能夠有效避免淬火處理造成的內(nèi)應(yīng)力、降低工件的脆性；中溫回火能夠保持工件的強(qiáng)度、彈性和韌性。中溫回火可用于各種彈性要求較高工件的加工中，例如彈簧、彈力板等；高溫回火能夠使材料獲得較好的機(jī)械性能，包括強(qiáng)度與硬度等性能。

1.5正火

正火是指將工件加熱到一定溫度后保持一段時(shí)間，然后再放在空氣中冷卻或噴水冷卻的一種處理方法，其主要效果能夠細(xì)化晶粒以及使材料分布的更加均勻，能夠提高工件的加工性能，減少工件的內(nèi)應(yīng)力，避免后續(xù)加工出現(xiàn)變形與開裂的現(xiàn)象。

1.6調(diào)質(zhì)處理

調(diào)質(zhì)處理是淬火與高溫回火共同應(yīng)用的工藝，在一些常用的工件中有廣泛應(yīng)用，例如連桿、齒輪和軸類。

除了上述六種常見的熱處理工藝外，時(shí)效也是現(xiàn)代常用的一種熱處理方法，其主要是通過加熱后放置不用時(shí)間，合金的性能會(huì)隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生變化；鋼的碳氮共滲也是現(xiàn)代一種新型熱處理工藝，也就是在鋼表層加入碳、氮分子，這樣能夠提高鋼材的綜合性能，包括耐磨度和強(qiáng)度等性能。

2線切割過程中工件變形、開裂的原因分析

熱處理過程中工件出現(xiàn)的變形主要是由于熱處理產(chǎn)生的組織應(yīng)力與熱應(yīng)力作用于工件的結(jié)果。但是在線切割加工過程中，工件整體溫度無明顯變化且線切割速度也很均勻，但為什么會(huì)出現(xiàn)變形、開裂現(xiàn)象？

一般情況（正火、退火）下，在工件的線切割加工中，工件幾乎不出現(xiàn)開裂和變形，但淬火加工處理的高硬度模具會(huì)由于材料而產(chǎn)生不同程度的形變，其中以碳素結(jié)構(gòu)鋼變形、開裂的機(jī)率最大。由此可見，線切割變形與熱處理有密切的相關(guān)性。工件淬火時(shí)，由于各部分加熱、冷卻存在時(shí)性差異而產(chǎn)生溫差，并且由于組織轉(zhuǎn)變速度存在差異，導(dǎo)致工件截面各部分膨脹與收縮不均勻。一個(gè)工件各部位的變化都會(huì)影響到其他部位，這也是淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力會(huì)由于工件在高溫狀態(tài)下的塑性變形從而得到施放；但大部分內(nèi)運(yùn)力由于冷卻處理中工件溫度的急速下降，材料強(qiáng)度的提升而被保留下來，這也是淬火加工工件的殘余應(yīng)力。

為了保障模具的輕度，一般采用低溫回火處理。此時(shí)工件中的殘余應(yīng)力有少部分被消除。但是對(duì)于整體而言，回火處理后應(yīng)力處于相對(duì)平衡狀態(tài)，也就是應(yīng)力與力矩相加的結(jié)果為0。但是一旦進(jìn)行線切割加工，工件內(nèi)應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)也就被破壞，內(nèi)應(yīng)力就會(huì)重新分布，從而導(dǎo)致工件出現(xiàn)變化、開裂。

3如何避免熱處理工藝對(duì)線切割加工工件的影響

工件在熱處理之后會(huì)殘留較大的內(nèi)應(yīng)力，并且由于熱處理導(dǎo)致強(qiáng)度提升?；诖耍瑸榱吮苊夤ぜ诤罄m(xù)加工過程中出現(xiàn)變形、開裂的現(xiàn)象，從而影響工件的使用性能，需要采取有效的防范措施。如何提高熱處理的效率與質(zhì)量，如何調(diào)整線切割加工工藝，都是確保工件加工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，在加工過程中需要對(duì)此進(jìn)行研究并采取有效的干預(yù)措施，從而確保工件的使用性能。

3.1模具的選擇

原則上要選擇鍛造性高、淬透性好且熱處理變形性小的材料，盡量選擇CrWMn、Cr12MoV等合金鋼。線切割在對(duì)工件進(jìn)行切割時(shí)，必不可能的會(huì)產(chǎn)生塑性變形，從而獲得需要的形狀、尺寸的工件。在此過程中，工件需要承擔(dān)著較高的溫度與豎直切割力，從而在表面留下磨痕。這樣就對(duì)熱處理后的工件有一定的要求，要求其具備較高的硬度、韌性、加工性與耐磨性。因此，使用線切割加工的工件多采用淬火和回火的熱處理工藝，從而達(dá)到線切割技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。熱處理對(duì)于工件的性能有一定的改變作用，能夠有效提升工件的硬度、耐磨性與韌性等性能，但是一般的熱處理工藝也有可能使得材料出現(xiàn)缺陷或形變，導(dǎo)致工件的承載力和精度下降。在實(shí)際加工中，工件熱處理后出現(xiàn)的變形可以細(xì)分為體積變形、形狀變形這兩種，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是由于淬火處理和回火處理過程中，熱應(yīng)力、殘余內(nèi)應(yīng)力以及組織應(yīng)力作用于工件，從而出現(xiàn)變形現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^預(yù)處理或是優(yōu)化熱處理工藝，調(diào)整工具結(jié)構(gòu)等方式來減小工具變形的現(xiàn)象。更應(yīng)當(dāng)從工件材料出發(fā)，選擇合適的材料。通過選擇合適的材料，能夠減少熱處理過程中引發(fā)的缺陷，熱處理引發(fā)的變形可能性會(huì)大幅下降。高彈中鉻耐磨鋼以及高速鋼基體鋼都是采用高碳低合金鋼作為基礎(chǔ)，通過成分結(jié)構(gòu)的改變，能夠降低熱處理引起的變形，從而提高工件的韌性、硬度以及耐磨性，避免工件在線切割過程中出現(xiàn)變形、開裂的現(xiàn)象。

3.2熱處理的選擇

淬火工件殘余應(yīng)力的大小對(duì)于工件切割過程中變形、開裂程度有直接影響，因此需要重視熱處理加工質(zhì)量。選擇科學(xué)的熱處理加工方法，并嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)處理規(guī)范。結(jié)合線切割加工的特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整熱處理加工引起模具切割處理中的變形與開裂，是一種比較有效的方法。筆者建議需要注意以下幾方面：（1）淬火處理時(shí)，為了避免工件過熱，淬火深度要保持一致。（2）對(duì)于一些使用環(huán)境復(fù)雜的高硬度工件，受到現(xiàn)代熱處理加工工藝的限制，需要采用低溫回火處理，這使得工件仍殘留較大的應(yīng)力?；鼗饻囟群突鼗饡r(shí)間對(duì)于殘余應(yīng)力的大小有直接影響，因此在淬火后需要進(jìn)行線切割的工件，回火后硬度需要達(dá)到線切割要求的最小值，這就需要使用較高的回火溫度進(jìn)行回火。（3）受到上述條件的要求，通過延長回火時(shí)間也能夠有效降低工件內(nèi)部的參與應(yīng)力。對(duì)于截面積較大、形狀復(fù)雜的大中型模具，線切割后可以將內(nèi)部應(yīng)力重新分布，然后進(jìn)行回火補(bǔ)充，能夠有效消除線割中產(chǎn)生的附和應(yīng)力，能夠有效提高模具的穩(wěn)定性。補(bǔ)充回火溫度需要略低于回火溫度大約20℃左右，回火時(shí)間一般為4-5小時(shí)。

電火花線切割工藝目前以及廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，成為工件加工的重要方法，其主要是利用電腐蝕原理進(jìn)行加工，材料的硬度與其加工質(zhì)量有密切的相關(guān)性。但是在線切割加工過程中，由于殘余應(yīng)力的作用，容易導(dǎo)致工件變形。需要通過優(yōu)化線切割工藝，來保障加工精度。對(duì)于材料變形大的工件，可以先使用普通銑床進(jìn)行預(yù)加工，然后經(jīng)過淬火、回火的處理后，再進(jìn)行線切割加工。

4結(jié)語

慢走絲線切割加工是現(xiàn)代加工制造行業(yè)常用的加工技術(shù)，具有精度高、表面效果好且適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軍用產(chǎn)品以及模型加工等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。其主要是利用電火花線產(chǎn)生的高溫來進(jìn)行輪廓加工，但由于其中涉及到熱、電、磁等復(fù)雜反應(yīng)，使得其加工質(zhì)量容易受到其他因素的影響。經(jīng)過高溫淬火處理的工件在進(jìn)行線切割過程中，必不可免的會(huì)由于殘余內(nèi)應(yīng)力的影響出現(xiàn)變形、開裂的現(xiàn)象。通過對(duì)線切割工件材料的選擇以及熱處理加工技術(shù)的調(diào)整，能夠有效降低工件變形和開裂的現(xiàn)象。

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