精密模具热处理变形原因及预防方法

开亮

据了解，模具是零件成形过程的重要工艺装备，是汽车、摩托车、电机电器、IT产品、办公自动化设备、轻工制品、医疗器械等制造业的重要基础装备。由于用模具成形的产品精度高、一致性好、外形美观，因此越来越多地用于飞机、船舶和高速列车等设备的结构和内饰件制造中。加之生产过程可实现高效、大批量并节材、节能，所以模具也常被人们誉为“现代工业生产之母”。模具技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志，也是保持这些国家的产品在国际市场上优势的核心竞争力。尤其是精密模具，代表着工业经济发展的最高水平之一。

; O4 v% J- b* N. P    精密模具热处理变形原因及预防方法：就精密复杂模具变形状况、变形原因的作一研究，来探讨减少和控制精密复杂模具变形的措施，以提高模具产品的质量和使用寿命。

8 J" j+ T5 a0 T6 W4 S% B1 j    一、模具材料的影响：

    1、模具的选材：某机械厂从选材和热处理简便考虑，选择T10A钢制造截面尺寸相差悬殊、要求淬火后变形较小的较复杂模具，硬度要求56-60HRC。热处理后模具硬度符合技术要求，但模具变形较大，无法使用，造成模具报废。后来该厂采用微变形钢Cr12钢制造，模具热处理后硬度和变形量都符合要求。预防措施：因此制造精密复杂、要求变形较小的模具，要尽量选用微变形钢，如空淬钢等。

  e, Y" H9 t. m3 `6 k  F& T# F( u    2．模具材质的影响：某厂送来一批Cr12MoV钢较复杂模具，模具都带有￠60mm圆孔，模具热处理后，部分模具圆孔出现椭圆，造成模具报废。一般来说Cr12MoV钢是微变形钢，不应该出现较大变形。我们对变形严重的模具进行金相分析发现，模具钢中含有大量共晶碳化物，且呈带状和块状分布。（1）模具椭圆（变形）产生的原因：这是因为模具钢中呈一定方向分布的不均匀碳化物的存在，碳化物的膨胀系数比钢的基体组织小３０％左右，加热时它阻止模具内孔膨胀，冷却时又阻止模具内孔收缩，使模具内孔发生不均匀的变形，使模具的圆孔出现椭圆。
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    （2）预防措施：①在制造精密复杂模具时，要尽量选择碳化物偏析较小的模具钢，不要图便宜，选用小钢厂生产的材质较差钢材。②对存在碳化物严重偏析的模具钢要进行合理锻造，来打碎碳化物晶块，降低碳化物不均匀分布的等级，消除性能的各向异性。③对锻后的模具钢要进行调质热处理，使之获得碳化物分布均匀、细小和弥散的索氏体组织、从而减少精密复杂模具热处理后的变形。④对于尺寸较大或无法锻造的模具，可采用固溶双细化处理，使碳化物细化、分布均匀，棱角圆整化，可达到减少模具热处理变形的目的。
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6 s/ |- e. |" W8 ^7 }    二、模具结构设计的影响：

   有些模具选材和钢的材质都很好，往往因为模具结构设计不合理，如薄边、尖角、沟槽、突变的台阶、厚薄悬殊等，造成模具热处理后变形较大。
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    1、变形的原因：由于模具各处厚薄不均或存在尖锐圆角，因此在淬火时引起模具各部位之间的热应力和组织应力的不同，导致各部位体积膨胀的不同，使模具淬火后产生变形。
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    2、预防措施：设计模具时，在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少模具厚薄悬殊，结构不对称，在模具的厚薄交界处，尽可能采用平滑过渡等结构设计。根据模具的变形规律，预留加工余量，在淬火后不致于因为模具变形而使模具报废。对形状特别复杂的模具，为使淬火时冷却均匀，可采用给合结构。
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三、模具制造工序及残余应力的影响：
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    在工厂经常发现，一些形状复杂、精度要求高的模具，在热处理后变形较大，经认真调查后发现，模具在机械加工和最后热处理未进行任何预先热处理。
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( `- I/ I+ P. B: l1 A! J    1、变形原因：在机械加工过程中的残余应力和淬火后的应力叠加，增大了模具热处理后的变形。
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% M- N- X# |) t  _: L6 \* z    2、预防措施：（1）粗加工后、半精加工前应进行一次去应力退火，即（630-680）℃×（3-4）h炉冷至500℃以下出炉空冷，也可采用400℃×（2-3）h去应力处理。（2）降低淬火温度，减少淬火后的残余应力。（3）采用淬油170ºC出油空冷（分级淬火）。（4）采用等温淬火工艺可减少淬火残余应力。采用以上措施可使模具淬火后残余应力减少，模具变形较小。
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# g0 E, g; }0 [7 r    四、热处理加热工艺的影响：

" U, ?( r( D5 p8 m2 t8 B    1、加热速度的影响：模具热处理后的变形一般都认为是冷却造成的，这是不正确的。模具特别是复杂模具，加工工艺的正确与否对模具的变形往往产生较大的影响，对一些模具加热工艺的对比可明显看出，加热速度较快，往往产生较大的变形。

    （1）变形原因：任何金属加热时都要膨胀，由于钢在加热时，同一个模具内，各部分的温度不均（即加热的不均匀）就必然会造成模具内各部分的膨胀的不一致性，从而形成因加热不均的内应力。在钢的相变点以下温度，不均匀的加热主要产生热应力，超过相变温度加热不均匀，还会产生组织转变的不等时性，既产生组织应力。因此加热速度越快，模具表面与心部的温度差别越大，应力也越大，模具热处理后产生的变形也越大。
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1 q6 p3 a6 b' v3 U) @; x    （2）预防措施：对复杂模具在相变点以下加热时应缓慢加热，一般来说，模具真空热处理变形要比盐浴炉加热淬火小得多。‚采用预热，对于低合金钢模具可采用一次预热（550-620ºC）；对于高合金刚模具应采用二次预热（550-620ºC和800-850ºC）。

开亮

随着电子、电信、医疗、汽车等行业的迅速发展，对塑料制品的高精度、高性能要求与日俱增，精密注射成型要求制品不仅具有较高的尺寸精度、较低的翘曲变形，而且还应有优异的光学性能等.注射成型是最重要的塑料成型方法之一，如何提高注射成型技术水平，生产出高精度的塑料制品，创造附加值高的产品，模具的设计是重要环节。  

在精密注射成型设计中，除了应考虑一般模具设计事项外，还要特别考虑如下事项:1)为了得到所要尺寸公差的制品，要考虑适当的模具尺寸公差。2)要考虑防止产生成型收缩率波动。3)要考虑防止产生成型变形.4)要考虑防止产生脱模变形。5)要使模具制作误差最小.6)要考虑防止模具精度波动.7)要考虑维持模具精度.
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8 y( ]$ s8 M- J* ]+ K1、适当的模具尺寸和公差

7 j9 n* e& J/ V. I1.1制品尺寸精度与模具尺寸精度的关连

绘出制品图，考虑模具设计、模具制作和成型过程。

首先可从制品图面尺寸求模具图面尺寸。按此模具图画尺寸制作模具，得到模具的实际尺寸。用此模具可得到成型的制品，得到制品实际尺寸。间题是此实际尺寸如何在图面所要尺寸公差内。
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) {4 l+ Q0 q0 m- A) g; j  i1.2适当的收缩率

% W+ ?, _! ^8 K: q! R( j% E- \) W如上所述，即使在用同一颜料的同一树脂中，收缩率也因成型条件不同而异。在精密成型中，收缩率变化程度要小，预计收缩率和实际收缩半要尽可能无差异。主要是采用整理以往的类似制品的实际收缩率来推定收缩率，也有用实验模求实际收缩率，再经修正、设计制作生产模的情形.

但完全恰当推定收缩率几乎是不可能的，不可避免地要在试成型后修正模具。修正结果，凹部将增大尺寸，凸部将缩小尺寸。因此，对凹部尺寸，将收缩率设在小值，对于凸部尺寸将收缩率设在大值。齿轮外径尺寸变大时不能啮合，变小时仅齿隙变大，所以要将收缩率设在小值。
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% L' f6 Z- p6 z( d2、防止产生成型收缩率波动

精密注射成型，必须以确实可按所要尺寸制作模具为前提。然而，即使模具尺寸一定，制品实际尺寸也因实际收缩不同而异.所以在精密注射成型中，收缩率的控制是十分重要的.模具设计的合适与否支配收缩率，还因树脂批次不同而异，若改变颜料，收缩率也产生差异。因成型机不同，成型条件的设定、再现性以及各成型周期的动作有波动，对实际收缩率产生波动等，因而收缩的控制是困难的.

2.1影响收缩率的主要因素

! u! k( }! \5 d4 y% o/ U模具尺寸可由制品尺寸加上收缩率求得，所以在模具设计时，需要考虑收缩率的主要因家.影响成型收缩率的主要因素有(1)树脂压力，(2)树脂温度，(3)模具温度，(4)浇口截面积，(5)注射时间，(6)冷却时间，(7)制品壁厚，(8)增强材料含盆，(9)定向性，(10)注射速度。这些影响因树脂和成型条件等项目的变化不同而异。
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(1)树脂压力
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* Z! f# E  k" w2 a7 D# W6 \6 f- G8 D树脂压力对收缩率影响很大，树脂压力若大，收缩率变小，制品尺寸则大。即使在同一模腔内，树脂压力也因制品形状不同而异，因此产生收缩率差异。在多腔模的场合，各模腔内树脂压力容易产生差异，结果各模腔的收缩率也不相同。

(2)模具温度
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! L. ^  C# v. ~无论是非结晶性树脂或是结晶性树脂，模具温度若高，收缩率则变大.精密成型要将模具温度维持在特定温度。在模具设计时，必须注意冷却回路设计。

(3)浇口截面积

一般说来，改变浇口截面积时，收缩率也变化.收缩率随着浇口尺寸变大而变小，这与树脂的流动性有关。

(4)制品壁厚度
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制品壁厚度也影响收率.对于非结晶性树脂，因树脂对壁厚的收缩率影响倾向不同，壁厚大，收缩率也大，反之，收缩率变小。而对于结晶性树脂，必须避免壁厚变化特别大。在多腔模的情形，如果模腔壁厚有差异，收缩率也将产生差异.
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(5)增强材料含量

$ a8 C# n6 t' h用玻瑞纤维增强树脂时，加玻纤量愈多，收缩率则愈小，流动方向的收缩率比横向收缩率小，根据树脂其差较大，为了防止扭曲飞翘曲，必须考虑浇口形状飞侥口位置和浇口数.

(6)定向性
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5 V4 S% o8 k- p定向性虽有较大差异，然而对所有树脂都存在定向性。结晶性树脂的定向性特别大，由于壁厚和成型条件而有差异。

; m: M/ m% ]  D) G: h此外，还有产生成型后收缩。影响成型后收缩的主要因素有①内部应力缓和，②结晶，③温度，④湿度.

2.2可采取的措施

- @0 |- [6 N. T9 c" F(1)流道，浇口平衡

% {. [3 N& g# t3 K8 h4 J如上所述，收缩率因树脂压力变化。在单腔模多点浇口以及多腔模的情形，要同样进行充模，就要进行浇口平衡。树脂流动与在流道中的流动阻力有关，所以在取浇口平衡前最好取流道平衡。

0 K0 Q7 m% C' O0 @(2)模腔排列

为了使成型条件的设定容易，所以需要注意模腔排列。由于熔融树脂将热带入模具，在一般模腔排列的情况下，模具温度分布呈以浇口为中心的同心圆状。所以在选择多腔模的模腔排列时，既要易取流道平衡，又要取以浇口为中心的同心回状排列.

+ Y) z2 q' M9 R' l- _% }(3)精密注射成型的冷却回路设计
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# g8 a. f1 O9 e如上所述，模具温度对收缩率影响很大，同时，因时间不同温度变化，多腔模各模腔的温度差也难以避免，所以需要注意冷却回路设计。
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从热交换效率来看，冷却液的流动应为紊流，冷却回路最好设为串联的折流板式。
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2 O6 `% }9 W* q1 R8 @. O在回路设计中，型腔与型芯应带出的热量也不同，热阻力也因回路构造不同而异，入口水温在模腔与型芯产生较大差异.因此，精密成型模具的冷却回路为型腔与型芯分别设计，用分别的温调机进行温度控制。

3、防止产生成型变形

成型变形产生的原因是在不均匀的收缩下有内应力，所以需要防止不均匀地收缩。

$ y; p/ k' z+ ?/ @9 a9 B(1)浇口数

在齿轮中心有孔的圆形制品的情形，必须在中心设浇口.然而在树脂的流动方向与垂直方向收缩率有较大差异时，却有产生椭圆的缺点，在需要更高精度的圆度时，需要设成3点或6点浇口。但需要充分注意各浇口的平衡。
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在使用侧浇口时，3点浇口将使圆筒状制品内径增大，在外表和端面不允许浇口痕迹的情形少使用内侧多点匀分浇口，可以得到良好结果。
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7 |# u( }* X4 h(2)浇口形状和位置

& ?/ |0 v( U2 w: ?4 C' L  C需要根据制品形状选用适当形状的浇口。图置表示浇口形状和位置对变形的影响。
, n  V: r& I$ G3 h  z4、防止脱模产生变形

( V1 r3 p  @: T- k; W# ~精密制品一般较小，制品壁厚较薄，有的还有许多薄筋。棋具设计必须考虑使制品不变形，而且可适当脱棋.
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. m7 I' n* S4 z/ L% F* l2 o" d; b对于收缩率较小的树脂，当成型压力高的情形，需要注意制品易留在模腔内.用收缩率小的树脂成型齿轮时，齿轮部分模腔最好设计在顶出一侧的模板上。
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在用顶销时，濡要注意无变形的顶销数和顶压位置。带孔齿轮需要芯销，这时为了有助于在顶出时平行顶出，而需要设置顶出侧模板上。
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对于角状制品，可以使用冲孔模板顶出，用这种模板顶出可以防止产生变形。 一般精密制品拔模斜度较小。为了减小脱模力，而需要镜面加工，研磨方向必须为拔模方向。要按拔模方向设容易研磨的分块型芯。

& R* {/ Q5 B/ J7 _/ w" _5.最小的模具制作误差
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5.1按所要加工方式的适当的模具构造

为了得到所要精度的制品尺寸，必须有相应的模具尺寸，而模具需要有极高精度的加工，又受精加工机械限制.
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1 U# \, F& x2 c1 {为了维持模具精度，需要耐磨性高，为此需要采用淬火.用磨床及电火花加工机床加工淬火模具的精度可达0.01毫米以内。

) G) d! J% @6 e, c) e; }; m由于用平面磨床无法加工封闭槽形，可选用】形，但因】形强度差，需要采用如图2的增强措施。
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用电火花加工机床彤模加工时，必须注意电极端的磨损变大。加工图3的齿轮用模腔以及用钢丝电火花加工机床加工时，应尽可能设计能够贯通加工的构造。

( @5 y! W+ c2 o- c5 F' p1 G从防止磨削变形和缩短加工时间方面来看，要选定淬火变形少的钢材，而且要设计为淬火变形少的形状。形状复杂时，悴火冷却不易均匀，易产生淬火变形。
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: |& B7 A' z7 B5.2总分割式模具

为了将淬火零件加工成较高精度，要使用磨床。因此，需要采用镶件组成分割式模具。这种模具有如下特征:
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(1)因为可选择适当材料，所以能够使用适当硬度模具材料。
(2)能够利用耐蚀性和耐磨性高的模具材料.
(3)能够分别热处理，所以容易设定热处理条件。
0 u0 {2 p3 r  a: a2 T2 s' A(4)能够使用镜面加工性良好的模具材料，镜面加工操作也容易，所以能够提高镜面度。
) }: `: m# V' H; _" R6 I(5)因为容易按拔模方向研磨，所以有利于采用拔模斜度小的模具。
(6)由于硬化，可延长模具精度保持时间，模具寿命长。
, O. [' C  P8 u+ `& S, {(7)容易设在任意位置排气，所以充模容易.
(8)磨削加工容易.
4 K( [! x3 T2 Q: s- S' _(9)能够提高模具零件精度，所以可能提高制品精度。
(10)可在较小的公差内制作备模腔和型芯，所以部件互换性高，容易维修。
! V5 o/ y4 j, z% a3 _; F2 N(11)因为以磨削加工为主体，所以加工效率高。
, L' ]# N/ k8 [$ z2 B; y1 Q0 A; b) {(12)零件数多，需要极大提高各零件加工精度.
) z# h4 Y4 t- j8 K$ F5 V(13)局限于特定加工方法
(14)采用完全淬火
0 ]2 p/ p' K( B9 d: d9 x5.3总分割式模具设计方面的注意点
( ?: g  }# I6 E. \- H
关系精度和各部件所要精度必须从所要制品精度逆运算决定。
! [- t- e- G& Y  k/ t6 V
- @5 k8 g* c$ S1 a+ ?% d因为分割数愈多，积象误差愈大，愈要提高加工精度，所以分割数僻要定在最小限度。
; y7 r- r8 Q7 p, c: s2 y6 u
, ]7 a7 R. X2 L" ?& w/ M# ]一般禁止在制品表面设分型线，不仅外观上嫌弃，而且在功能上也将成为障碍。若在产生应力处有分型线时，也往往因应力集中而引起破损。

因为磨削加工容易得到均匀的尺寸零件，所以应分割成可用研磨剂加工的形状。
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) z- V2 ]# r5 f( q7 L  [易损易坏部分应分割成易更换的，并且考虑选用高耐磨性合金。
" ]4 L/ ]6 y$ p9 d  G1 a9 u
0 U9 l! v7 d2 y此外，要考虑组装和拆卸容易。必须用能够容易、正确地复原精度的机构，组装模腔和型芯的各部件，如果分别装在基座上，则模腔与型芯必须同心。在使用安装销钉的情形，必须正确研磨销孔。
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6、防止模具精度的误差
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确保滑动件各周期的定位，需要防止模具精度的波动。为了维持滑动件的精度，滑动件都应悴火研磨.侧芯滑动部分的配合应有定位退拔部分，如图4所示，在侧芯尺寸大时，中间部分可以设狭小的导槽。
/ g: E' D1 M: ^. l$ \7 p7 E7、模具精度的维持
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7.1确保模腔与模芯的中心一致
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为了经常正确地合模，的构造.图5-7表示其例必须设计成两模板可确实正确定位
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* i& H1 J7 Z8 o8 H3 X- Y7.2 防止模具变形

  v3 X( c+ D% J$ Y- P为了避免因树脂压力作用于模腔而产生的模具变形，棋具强度就要足够大。在型芯板中间常加支柱，销的材料也选用高强度钢，并且将容易受弯曲的销设在接近浇口，还要降低作用于销的树脂流动压力。
7.3预防时效变化
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' @7 s& W' W' d- E模具藉要淬火回火处理时，如果有残余奥氏体，将产生时效变化，导致模具尺寸精度变化，所以再使残余奥氏体分解的温度回火，并且孺要用冷处理。
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, Y& m  f; q. _- U为了防止因磨损的变化，需要提高硬度，还应考虑使用因淬回火尺寸变化极小的钢种.磨削与刀具切削加工相比，因为加工效率差，所以为了缩短加工时间，需要尽量减少磨量。既要设成缩小淬火变形的零件形状，又应选定可缩小变形的材质。

jsmold

看了，受益匪浅，谢谢楼主！

xilinghmk

非常感谢楼主,收下了这份礼物