1引言
目前電火花線切割機已被廣泛應用於模具加工。由於線切割機床加工一般都是在熱處理後進行,從而避免了熱處理變形、表面脫碳等弊病。有很多模具製造單位,往往是線切割后,稍加研磨就裝配使用。還有的不經研磨就直接裝配使用,結果經常出現崩刃、折斷、碎裂現象,即使不出現上述現象,沖模的刃磨壽命也不長。
本文就線切割后模塊表面的應力狀態及消除應力、提高其表面質量的方法,作初步探討。
2線切割后零件表面的應力狀態
目前,很多模具都採用快走絲線割機加工,線切割后的工件表面粗糙度Ra≥2. 5μm,硬度分佈和內應力狀態都很差。
線切割機加工時,放電區電流密度高達10000A/ mm2 ,溫度高達10000～12000℃,加註的介質液急劇冷卻,致使切割面表層硬度僅20HRC左右,而內部淬火層硬度卻高達70HRC以上,其後為熱影響區,再后才是原硬度區。尤為嚴重的是原材料內部因為淬火呈拉應力狀態,線切割所產生的熱應力也是拉應力,兩種應力疊加的結果很容易達到材料的強度極限而產生微裂紋,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佈及回火、時效后的硬度變化情況。
3消除線切割產生應力的措施311研磨去掉白層
目前,多數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力區的應力狀態,即使增大線切割后的研磨余量,但因高硬層硬度高(達70HRC) ,研磨困難,過大的研磨量容易破壞零件幾何形狀。故線切割產生的高硬度層並不能提高沖模壽命,因為其脆性大是產生裂紋、崩刃的根本原因。312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5～6HRC ,線切割產生的熱應力亦有所下降,從而提高了沖模的韌性,延長了使用壽命。但是由於回火時間短,熱應力消除不徹底,沖模壽命並不十分理想。313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。因為磨削時產生的熱應力也是拉應力,與線切割產生的熱應力疊加,無疑也會加劇沖模損壞。若在磨削后,再進行低溫時效處理,則可消除應力影響,顯著提高沖模韌性,使沖模壽命提高。因為幾何形狀複雜的沖模大多數是採用線切割加工,所以磨削形狀複雜的沖模必須採用價格昂貴的坐標磨床和光學曲線磨床,而這兩種設備一般廠家都不具備,故推廣困難。314噴丸處理后再低溫回火
噴丸處理可使線切割切口的殘餘奧氏體轉變為馬氏體,提高沖模的強度和硬度,使表面層應力狀態發生變化,拉應力降低,甚至變為壓應力狀態,使裂紋萌生和擴展困難,再結合低溫回火,消除淬火層內拉應力,可使沖模壽命提高10～20倍。
噴丸處理受設備條件和沖模零件形狀(內表面)限制,難以普遍應用。315研磨后再低溫時效處理
線切割表面經研磨后,高硬層已基本去掉,再進行120～150℃×5～10h低溫時效處理(亦稱低溫回火處理) ,亦可經過160～180℃×4～6h低溫回火處理。這樣可消除淬火層內部拉應力,而硬度降低甚微(後者硬度降低稍大) ,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,易於推廣。
冷鐓模和冷擠模在壓制若干零件之後,模具內部的應力已經積聚很高,亦可用此方法消除應力,提高韌性,使壽命提高。
4應用舉例
莫單位曾用材料為CrWMn的沖模,線切割後分別做如下試驗,其壽命差異非常大。
(1)直接用於沖裁,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160℃×2h回火,刃磨壽命達到220000次。
用Cr12材料加工鐓台模(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,經鉗工研磨,直接壓制,壽命僅數十件就斷裂。
若經線切割后研磨,再進行160～180℃×2h回火,壽命達數百件,依然斷裂。
採用線切割后研磨,再進行120～150℃×6～10h低溫時效處理,壽命超過3000件,目前仍在使用。
5有關研磨問題
從圖3中可以看出凸、凹模的磨損是沿側面(線切割表面)和端面(刃磨表面)兩個方向同時發生的,前者磨損略大於後者。凸、凹模表面粗糙度值越低,耐疲勞強度越高,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驗,把兩組結構完全相同的凸、凹模,用來沖制同一材料。其中一組只研磨凸、凹模側面、磨削端面,另一組則是研磨側面、端面磨削后再研磨,實驗結果,後者的壽命竟比前者高出近1倍。
上述實驗結果不難理解,因為板料在沖裁時,隨著凸模進入板料深度的增加,材料向凸、凹模刃口流動,直到凸模刃口和凹模刃口之間產生的裂紋重合時為止。在材料流動時,凸、凹模端面產生很大的摩擦力,摩擦力大小在很大程度上取決於凸、凹模端面粗糙度的高低,因此,研磨凸、凹模端面有利於提高沖模壽命,特別是形狀複雜而精度要求高的中小型沖模。
6結束語
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,各單位可根據自己的具體情況選擇。
