线切割加工中模具的变形与开裂机理研究

《模具材料》论文论文题目：线切割加工中模具的变形与开裂机理研究

学生姓名：赵兴

学号：090309405

所在院系：机械工程学院

所学专业：材料成形及控制工程

导师姓名：谈芬芳

完成时间：5.1

前言

我想先谈谈我为什么选线切割这个课题。虽然在网上找资料方面，这个课题的材料比较难找，没有其他分析材料的热处理工艺的课题好找，但我依旧选择了线切割。这并不是因为我喜欢挑战难度，主要的原因是从我自身考虑的。我是一个学模具设计的学生，说到这个专业，它不仅仅是单纯的机械制造，也不仅仅是材料分析，而是结机械与材料一体的综合专业。我之所以没有选择其他分析材料热处理的课题，是因为在这个领域，我们的综合能力，远不及那些学材料学的学生，这不是我对自己没有信心，这是一个事实，有很多材料学的课，我们都没有涉及到。而在加工工艺模具设计方面，这才是我们的强项。我们是以机械为主体，学习模具设计。

综上所述，我选择了这个课题：线切割加工中模具的变形与开裂机理研究。

大二的时候，我们在精工实习场里呆了一个月的时间，也对车床以及线切割的机器有了初步的了解。在一个月的精工实习中，对车床和线切割有了感性的认识，线切割是利用电火花来进行加工的，而车床是利用刀具。我觉得不管是从精度还是从效率方面，线切割远比车床要好得多。在模具设计上，制作模具的刀具，刀具的各个性能，一定要比模具本身好，而且不恰当的操作，会损害刀具的寿命，这对于刀具的要求是很高的。而电火花线切割加工中，这些问题是几乎不存在的，我们所要考虑的，也就是我所要分析的课题，加工中模具的变形与开裂机理。

目录

1 线切割简述

1.1线切割的概述

1.2线切割的发展史

1.3线切割的原理

2 产生变形及裂纹的主要因素

2.1 与零件的结构有关

2.2 与热加工工艺有关

2.3 与机械加工工艺有关

2.4 与材料有关

2.5 与线切割工艺有关

3 防止变形和开裂的措施

3.1 选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺

3.2 合理安排机械加工工艺

3.3 优化线切割加工的工艺方案，选择合理的工艺参数

3.3.1该进切割方法

3.3.2选择合理的工艺参数

1 线切割简述

1.1线切割的概述

电火花线切割简称线切割。它是在电火花穿孔、成形加工的基础上发展起来的。它不仅使电火花加工的应用得到了发展，而且某些方面已取代了电火花穿孔、成形加工。如今，线切割机床已占电火花机床的大半。

线切割所需的工作环境：

1.满足线切割机床所要求的空间尺寸；

2.选择能承受机床重量的场所；

3.选择没有振动和冲击传入的场所。

线切割放电机床是高精度加工设备，如果所放置的地方有振动和冲击，将会

对机台造成严重的损伤，从而严重影响其加工精度，缩短其使用寿命，甚至导致机器报废。

4.选择没有粉尘的场所；

(1) 线切割放电机器之本身特性，其空气中有灰尘存在，将会使机器的

丝杆受到严重磨损，从而影响使用寿命；

(2) 线切割放电机器属于计算机控制，计算机所使用的磁盘对空气中灰尘的

要求相当严格的，当磁盘内有灰尘进入时，磁盘就会被损坏，同时也损坏硬盘；

(3) 线切割放电机本身发出大量热，所以电器柜内需要经常换气，若空气中灰尘太多，则会在换气过程中附积到各个电器组件上，造成电器组件散热不良，从而导致电路板被烧坏掉。因此，机台防尘网要经常清洁。

5.选择温度变化小的场所，避免阳光通过窗户和顶窗玻璃直射及靠近热流的

地方

(1)高精密零件加工之产品需要在恒定的温度下进行，一般为室温20C；

(2)由于线切割放电机器本身工作时产生相当大的热量，如果温度变化太大则会对机器使用寿命造成严重影响。

6.选择屏蔽屋：因线切割放电加工过程属于电弧放电过程，在电弧放电过程中会产生强烈的电磁波，从而对人体健康造成伤害，同时会影响到周围的环境.

7.选择通风条件好，宽敞的厂房，以便操作者和机床能在最好的环境下工作。

再来说说线切割在模具中的应用：

在模具加工中，电火花线切割加工技术得到了广泛的应用，但在线切割加工过程中，模具易产生变形和产生裂纹，造成零件的报废，使得成本增加等问题屡屡发生。所以，线切割加工中模具的变形和开裂问题，也越来越引起人们的关注，多年来，人们对线切割加工的变形和开裂认识不够，往往造成线切割加工部门与来料加工者之间相互推脱责任，产生矛盾。其实，变形和开裂的原因是多方面的，如材料问题、热处理问题、结构设计问题、工艺安排问题及线切割时工件的装夹和切割线路选择的问题等等。在这诸多因素中，能否找到线切割加工变形和开裂规律呢?

20世纪中期, 苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法, 线切割放电机也于1960年发明于苏联。当时以投影器观看轮廓面前后左右手动进给工作台面加工，其实认为加工速度虽慢，却可加工传统机械不易加工的微细形状。代表的实用例子是化织喷嘴的异形孔加工。当时使用之加工液用矿物质性油(灯油)。绝缘性高，极间距离小，加工速度低于现在机械，实用性受限。

1969年巴黎工作母机展览会中展出，改进加工速度，确立无人运转状况的安全性。但NC纸带的制成却很费事，若不用大型计算机自动程序设计，对使用者是很大的负担。在廉价的自动程序设计装置(Automatic Programed Tools APT)出现前，普及甚缓。

1970年9月30日国营长风机械总厂研制成功“数字程序自动控制线切割机床”，为该类机床国内首创

线切割所需的工作环境

1.满足线切割机床所要求的空间尺寸；

2.选择能承受机床重量的场所；

3.选择没有振动和冲击传入的场所。

线切割放电机床是高精度加工设备，如果所放置的地方有振动和冲击，将会

对机台造成严重的损伤，从而严重影响其加工精度，缩短其使用寿命，甚至导致机器报废。

4.选择没有粉尘的场所，避免流众多的通道旁边；

(1) 线切割放电机器之本身特性，其空气中有灰尘存在，将会使机器的

丝杆受到严重磨损，从而影响使用寿命；

(2) 线切割放电机器属于计算机控制，计算机所使用的磁盘对空气中灰尘的

要求相当严格的，当磁盘内有灰尘进入时，磁盘就会被损坏，同时也损坏硬盘；

(3) 线切割放电机本身发出大量热，所以电器柜内需要经常换气，若空气中灰尘太多，则会在换气过程中附积到各个电器组件上，造成电器组件散热不良，从而导致电路板被烧坏掉。因此，机台防尘网要经常清洁。

5.选择温度变化小的场所，避免阳光通过窗户和顶窗玻璃直射及靠近热流的

地方

(1)高精密零件加工之产品需要在恒定的温度下进行，一般为室温20C；

(2)由于线切割放电机器本身工作时产生相当大的热量，如果温度变化太大则会对机器使用寿命造成严重影响。

6.选择屏蔽屋：因线切割放电加工过程属于电弧放电过程，在电弧放电过程中会产生强烈的电磁波，从而对人体健康造成伤害，同时会影响到周围的环境.

7.选择通风条件好，宽敞的厂房，以便操作者和机床能在最好的环境下工作

其工作原理如下图所示。绕在运丝筒4上的电极丝1沿运丝筒的回转方向以一定的速度移动，装在机床工作台上的工件3由工作台按预定控制轨迹相对与电极丝做成型运动。脉冲电源的一极接工件，另一极接电极丝。在工件与电极丝之间总是保持一定的放电间隙且喷洒工作液，电极之间的火花放电蚀出一定的缝隙，连续不断的脉冲放电就切出了所需形状和尺寸的工件。

2 产生变形及裂纹的主要因素

在生产实践中，作者经过大量的实例分析，发现线切割加工产生变形和裂纹与下列因素有关。

2.1 与零件的结构有关

1）凡窄长形状的凹模、凸模易产生变形，其变形量的大小与形状复杂程度、长宽比、型腔与边框的宽度比有关。形状越复杂，长宽比及型腔与边框宽度比越大，其模具变形量越大。变形的规律是型腔中部瘪入，凸模通常是翘曲；

2）凡是形状复杂清角的淬火型腔，在尖角处极易产生裂纹，甚至易出现炸裂现象。其出现的频率与材料的成分、热处理工艺等有关；

3）圆筒形壁厚较簿零件，若在内壁进行切割，易产生变形，一般由圆形变为椭圆形。若将其切割缺口，在即将切透时易产生炸裂现象；

4）由零件外部切入的较深槽口，易产生变形，变形的规律为口部内收，变形量的大小与槽口的深度及材料性质有关。

2.2 与热加工工艺有关

1）模具毛坯在锻造时始锻温度过高或过低，终锻温度偏低的零件；

2）终锻温度过高，晶粒长大，终锻后冷却速度过慢，有网状碳化物析出的模坯；

3) 锻坯退火没有按照球化退火工艺进行，球化珠光体超过5级的零件；

4）淬火加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性；

5）淬火工件未及时回火和回火不充分的零件。

2.3 与机械加工工艺有关

1）面积较大的凹模，中间大面积切除而又事先未挖空，因切去框内较大的体积，框形尺寸将产生一定的变形；

2）凡坯料中无外形起点穿丝孔，不得不从坯料外切入的，不论其凸模回火和形状如何，一般容易产生变形，尤其是淬火件变形严重，甚至在切割中产生裂纹；

3）对热处理后的磨削零件，无砂轮粒度、进刀量、冷却方式等工艺要求，磨削后表面有烧伤及微裂纹等疵病的零件。

2.4 与材料有关

1）原材料存在严重的碳化物偏析；

2）淬透性差、易变形的材料，如T10A、T8A等。

2.5 与线切割工艺有关

1）线切割路径选择不当，易产生变形；

2）工件的夹压方式不可靠、夹压点的选择不当，均易产生变形；

3）电规准选择不当，易产生裂纹。

3 防止变形和开裂的措施

找到了变形和开裂的原因，即可对症下药采取相应的措施予以避免，防止变形、开裂。具体的措施可以从以下几个方面入手：

3.1 选择变形量较小的材料，采用正确的热处理工艺

为了防止和减少变形、开裂，对需要线切割加工的模具，应对材料的选择、热加工、热处理直到制成成品的各个环节都要充分关注和重视；

1）严格检查原材料化学成分、金相组织和探伤，对于不合格原材料和粗晶粒钢材及有害杂质含量超标钢材不宜选用；

2）尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔钢材；

3）避免选用淬透性差、易变形材料；

4）坯料应合理锻造，遵守镦粗、拔长、锻压比等锻造守则，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2-3之间；

5）改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；

6）选择理想的冷却速度和冷却介质；

7）淬火钢应及时回火，尽量消除淬火内应力，降低脆性；

8）用较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值；

9）充分回火，得到稳定组织性能；

10）多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力；

11）对于有第二类回火脆性模具钢高温回火后应快冷(水冷或油冷)，可消除二类回火脆性；12）模具钢化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始组织。

3.2 合理安排机械加工工艺

1）线切割工件坯料的大小，要根据零件的大小确定，不宜太小。一般情况下，图形应位于坯料中部或离毛坯边缘较远而不易产生变形的位置上，通常应取图形到坯料边距大于10mm；

2）凡较大的型腔或窄长而复杂的凸模，配制坯料时要改变传统的实心板料习惯。大框型腔、窄长型腔等易变形零件，其中间部位应镂空。这样淬火时表里状况得以改善，温差小，产生的应力小，同时切割时切除的体积也就小，应力达到平衡也就不至受破坏；

3）在模具使用允许的情况下，大框形型腔零件的清角处，应适当增加工艺圆角R，或在线切割之前将清角处钻空，以缓解应力集中的现象；

4）对凸模零件，在淬火之前应在凸块坯料中钻外形起点的穿丝孔，使工件在切割时保持内应力平衡且不被破坏，以免从材料外切入引起开裂变形。

3.3 优化线切割加工的工艺方案，选择合理的工艺参数

3.3.1该进切割方法

1）改变一次切割到位的传统习惯为粗、精二次切割，以便第一次粗切割后的变形量在精切割时及时地被修正。一般精切割时的切割量应根据第一次切割后的变形量大小而定，一般取0.5mm左右即可。这种办法常应用于形状复杂而势必产生变形的零件或要求精度较高、配合间隙较小的模具；

2）改变两点夹压的习惯为单点夹压，以便切割过程中的变形能自由伸张，防止两点夹压对变形的干涉，但要注意，单点夹压的合理部位通常在末尾程序处。这样所产生的变形只影响废料部分，避免了对成型部分的影响；

3）对易变形的切割零件，要根据零件形状特征统筹安排切割的起始点、程序走向及夹压位置，以减少变形量。一般应选择较平坦、已精加工或对工件性能影响不大的部位设置线切割的起始点。

3.3.2选择合理的工艺参数

1）采用高峰值窄脉冲电参数，使工件材料以气相抛出，气化温度大大高于融化温度，以带走大部分热量，避免工件表面过热而产生变形；

2）有效地进行逐个脉冲检测，控制好集中放电脉冲串的长度，也可解决局部过热问题，消除裂纹的产生；

3）脉冲能量对裂纹的影响极其明显，能量越大，裂纹则越宽越深；脉冲能量很小时，例如采用精加工电规准，表面粗糙度值＜Ra1.25μm,一般不易出现裂纹。

参考文献：[1]高为国主编，模具材料。

[2]吴兆祥主编，模具材料及表面处理。

[3]张继世，刘江编，金属表面工艺学。