摘要：在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，模具產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命直接受模具的熱處理工藝的影響，這與模具熱處理過程中其組織轉(zhuǎn)化及溫度變化的不均勻性有關(guān)。模具熱處理會產(chǎn)生一系列問題，嚴重影響模具的質(zhì)量和使用壽命。為此，圍繞熱應(yīng)力和熱變形兩個主要問題，分析了模具熱變形的原因及變形規(guī)律，并從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計方面給出若干對策。

　　關(guān)鍵詞：工程師論文發(fā)表,模具,熱處理,主要問題,組織轉(zhuǎn)化,溫度變化,變形規(guī)律

　　模具工業(yè)在快速發(fā)展中，它是世界工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，生活、生產(chǎn)中的75%零件或產(chǎn)品均要通過模具來完成，其中在汽車、電器、建筑等行業(yè)最為突出。模具雖是小批量產(chǎn)品，但更新?lián)Q代快，精度要求較高，它的技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，模具產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命直接受模具的熱處理工藝的影響，這與模具熱處理過程中其組織轉(zhuǎn)化及溫度變化的不均勻性有關(guān)。高效、高質(zhì)量的模具熱處理工藝是廣大模具從業(yè)人員和科研工作者研究的重要課題。本文將就模具熱處理過程產(chǎn)生的主要問題進行探討，并給出相應(yīng)的對策。

　　1 熱應(yīng)力與熱變形

　　1.1 熱應(yīng)力

　　在熱處理過程中，模具的各部分若不能在升溫和降溫時做到自由的伸縮，在熱處理過程中或熱處理后模具內(nèi)部就會有應(yīng)力存在，這種應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因可以概括為以下三種：(1)模具零件在熱處理爐里堆放時相互擠壓，受到這種約束，相應(yīng)部分不能自由伸縮;(2)由于爐膛空間和模具零件大小的限制，不可能保證模具各部分完全均勻受熱與冷卻，導(dǎo)致模具的中心與邊緣、厚處與薄處的伸縮量不同;(3)如果模具本身材質(zhì)不均勻，在受熱與冷卻時，不同的組織所在的部分伸縮量也不相同，從而導(dǎo)致相應(yīng)部分不能自由伸縮。因為存在熱應(yīng)力，零件實際產(chǎn)生的熱變形是指它受約束限制之后的熱變形，因此與熱應(yīng)力的關(guān)系密不可分。

　　1.2 熱變形

　　1.2.1 熱變形形成機理。由于熱處理過程中熱應(yīng)力的存在，模具在熱處理過程中或在模具熱處理后產(chǎn)生的幾何形狀上的變形，甚至是破壞，可稱之為熱變形。

　　在模具熱處理過程中，模具零件存在熱應(yīng)力的部分表現(xiàn)出不同比例的伸縮量，從而直接導(dǎo)致整個模具零件的變形。若變形部分同存在于塑性變形區(qū)或彈性變形區(qū)，變形最終會隨熱處理過程的結(jié)束而逐漸消失，但若一部分處在塑性變形區(qū)，而另一部分處于彈性變形區(qū)，這種變形將在模具上保留下來。更為嚴重的是，若模具零件的局部的熱應(yīng)力超過材料的抗拉強度或因外力產(chǎn)生的應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加在一起超過材料的抗拉強度，相應(yīng)部分會產(chǎn)生破壞性的后果，表現(xiàn)為裂紋或斷裂等。

　　模具熱處理后，模具仍會繼續(xù)變形，這主要是模具中殘余的熱應(yīng)力導(dǎo)致的。自然界存在能力最低原理，存在殘余應(yīng)力時處于一種高能量，這種能量必須釋放出來，和熱處理過程一樣，能量的釋放伴隨著結(jié)構(gòu)形狀上的調(diào)整。這對因材料、結(jié)構(gòu)方面容易產(chǎn)殘余應(yīng)力的模具表現(xiàn)更為突出。

　　1.2.2 熱變形的一般規(guī)律。模具的熱變形與模具材料、熱處理工藝及模具自身的結(jié)構(gòu)等多因素均有關(guān)系，因而模具的熱變形表現(xiàn)出復(fù)雜性。但實踐中發(fā)現(xiàn)仍存在一般的規(guī)律，理論上也可以解釋。

　　以圓柱形的模具零件為例，棱角處首先冷卻，因其處于散熱有利位置，熱收縮在此部位快速發(fā)生，而其芯部因來不及冷卻則會限制其表面的收縮，這樣圓柱形的零件的表層表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其中心卻表現(xiàn)為壓應(yīng)力，因此產(chǎn)生為棱邊收縮、中心突出的現(xiàn)象，表現(xiàn)為長度縮短而直徑增大。以普通的鋼制模具的淬火處理為例，因為模具的不同部分冷速不同，鋼件會表現(xiàn)出不同的變形形式，而且這種冷卻速度的差別越大，變形量也就越大，冷卻速度的差異是產(chǎn)生這種變形的根本原因。當(dāng)模具零件的一個表面因冷速大產(chǎn)生凹形陷入時，而另一個相對表面因冷速小產(chǎn)生鼓形凸起時，模具就會有產(chǎn)生彎曲類變形的傾向。當(dāng)模具的一個端面因冷速大產(chǎn)生向內(nèi)的凹入，而另一端面因冷速小產(chǎn)生向外的凸出時，模具就有會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)類變形的傾向。在模具的制造或應(yīng)用過程中往往是多種變形的綜合，在分析變形傾向時應(yīng)作全面分析。一般鋼制模具淬火過程中的變形規(guī)律可以概括為：初期，因為淬火介質(zhì)與模具的溫差大，冷卻速度大的部位表現(xiàn)出表面積縮小的趨勢，而隨著淬火過程的進行，冷卻速度逐漸減小，導(dǎo)致工件表面積縮小的趨勢就減小。少數(shù)情況下，慢冷部位還表現(xiàn)出表面積略微增大的趨勢。在這里要特別強調(diào)一點：熱應(yīng)力的存在也不一定總是壞事，在某些工藝處理的情況下，若模具零件的變形超過了一定的差值，可以利用熱應(yīng)力對模具產(chǎn)品的調(diào)整作用進行補救，以解決工藝中的矛盾。

　　2 模具材料對熱變形的影響及其對策

　　模具產(chǎn)品本身的材料對模具的熱處理工藝的質(zhì)量起直接性的決定作用，進一步?jīng)Q定著熱變形的情況。模具的選材包括兩個方面：一是材料的種類;一是材質(zhì)的好壞。

　　2.1 模具材料種類的影響及其對策

　　在熱處理工藝設(shè)計的過程中，要考慮到模具材料的種類影響熱處理工藝的質(zhì)量、效率，當(dāng)然也決定著模具本身的價格。就碳素工具鋼來講，若用其制作較復(fù)雜的模具，硬度一般可以滿足要求，但因其含碳量高，熱處理后的變形往往較大，嚴重時還使模具報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失。若換用合金鋼時，不僅硬度可以滿足要求，熱處理后的變形也相對較小，但其價格相對較高。在選材時，應(yīng)綜合考慮質(zhì)量、效率和經(jīng)濟性等方面，選擇最佳種類的材料。一般來講，模具的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，熱處理的難度越大，應(yīng)選擇易淬透的材料，如合金鋼普遍優(yōu)于碳素鋼。在模具的鋼種選擇時，一定要對不同種類的鋼種的性能有較全面的了解，包括其物化性質(zhì)和工藝性。

　　2.2 模具材質(zhì)的影響及其對策

　　模具材質(zhì)的好壞也嚴重影響模具熱處理后的變形，這是模具材料內(nèi)部缺陷所致。 　　結(jié)構(gòu)組織決定性能，即使是同一種的鋼材，其內(nèi)部的微觀組織也不同。這主要與以下因素有關(guān)：(1)模具材料本身在配制過程中，對于同一型號的材料，各種成分的含量允許在一定范圍內(nèi)變化，因而其組成相及含量也在一定范圍內(nèi)變化，其最終的性能也在一定范圍內(nèi)變化;(2)不同廠家的工藝水平不一樣，在熱處理過程中若選擇不同的參數(shù)，熱處理過程伴隨的變化也不相同;(3)不同廠家的管理水平不一樣，即使是同一型號的材料，設(shè)計的是同樣的工藝，但因管理水平上的差異，人為因素導(dǎo)致模具材料中組織上的不同。以Cr12MoV鋼為例，從理論上講其在熱處理過程中的變形非常微小，但在實際生產(chǎn)中卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，用其做成的模具往往發(fā)生較大變形。在對問題模具的深入分析時發(fā)現(xiàn)，問題模具材料的組織中往往存在較多非均勻分布的碳化物。這種情況的產(chǎn)生主要是由于在材料配制的過程中，由于工藝的原因造成的。針對這些情況，可參考下面四點原則：(1)優(yōu)先選擇大廠生產(chǎn)的材料，尤其是在制造形狀復(fù)雜的模具時，更應(yīng)重視材料質(zhì)量的選擇。大廠無論從技術(shù)，還是從管理上，都能保證材料的材質(zhì);(2)在選用材料前應(yīng)進行抽檢，有條件的話盡量做組織檢測，在實際生產(chǎn)中往往只對力學(xué)性能等指標(biāo)進行檢測，組織上的問題不易反映出來;(3)對后期才發(fā)現(xiàn)問題的模具材料，可以根據(jù)材質(zhì)的實際情況進行補救處理，以使其組織得以改善，如通過預(yù)處理工藝使鋼中存在碳化物變得細小、均勻;(4)在設(shè)計熱處理工藝時，盡量根據(jù)實際材質(zhì)來確定工藝參數(shù)，而不是僅根據(jù)材料的型號來用經(jīng)驗法確定工藝參數(shù)。

　　3 模具結(jié)構(gòu)的影響及其對策

　　除模具材料對熱處理工藝的質(zhì)量有影響外，模具的結(jié)構(gòu)對其也有重要的影響。因此，在設(shè)計模具過程中，不僅要保證模具的結(jié)構(gòu)在功能上的實現(xiàn)，也要考慮模具結(jié)構(gòu)對熱處理工藝質(zhì)量的影響。模具結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在：(1)模具體積過大，無法在爐膛中均勻處理;(2)模具結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，各部位在熱處理過程中存在較大差異;(3)模具上未設(shè)計相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)，不能對不利的變形進行調(diào)整。在設(shè)計模具時，從保證熱處理質(zhì)量的角度講，總的原則是：在不影響模具使用性能的前提下，盡量采用能保證模具熱處理時均勻受熱的結(jié)構(gòu)。可以參考以下三點：(1)模具體積應(yīng)適應(yīng)熱處理爐，應(yīng)保證各部位在熱處理時的均勻受熱。在大型模具上，我采用組合式結(jié)構(gòu)，以便于對模具零件的分批處理;(2)在滿足使用性能要求的條件下，模具結(jié)構(gòu)盡可能簡單。模具結(jié)構(gòu)上盡量做到對稱、均勻，避免截面發(fā)生突變的設(shè)計;(3)在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)易出現(xiàn)問題的部位，可設(shè)計相應(yīng)的工藝結(jié)構(gòu)，進行熱方面的補償，減少因熱處理導(dǎo)致的變形。

　　4 結(jié)語

　　模具熱處理過程中存在一系列問題，熱應(yīng)力和熱變形是兩個主要問題，其危害較大，在模具設(shè)計制造及使用的過程中必須對其成因進行分析，并積極給出對策。其中，材料的選擇和模具結(jié)構(gòu)的合理性是兩個需要重點考慮的方面。

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