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。
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    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。

    一、模具材料的影响：

) I; C2 D% F( P    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。
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; Y" z- z& @; B% Q( h- m    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。

    （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。

    二、模具结构设计的影响：
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$ F! ]7 b+ c  L/ _. f. k" U  p5 o   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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  J1 n' ^  u/ @1 |    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。

. d4 |. q9 p1 g0 z2 A& Y/ V    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。

+ P/ I  }7 h: Y0 ?+ R# {' o$ h三、模具制造工序及残余应力的影响：

    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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5 _7 Z% A9 a6 x! ?1 H: ?    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。

; ]: A! p7 Y3 \- |    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。

. C- v3 D. ?) m* y9 P' ?( i# m; C    四、热处理加热工艺的影响：

    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。

- Y" r. _4 f* v4 v9 y9 n) D- G) f    （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。  
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( _8 t% ~  g; E. Q) @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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! {- f# _+ a  ~' m7 w1、适当的模具尺寸和公差
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' ]) d; _2 \3 g, g1.1制品尺寸精度与模具尺寸精度的关连
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4 r2 b# e* }  [! w( j/ i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。

1.2适当的收缩率

' L9 L+ z' k. _4 r' G9 p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.
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5 V: R0 s7 r9 M0 P* k5 Z2 p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。

2、防止产生成型收缩率波动

7 z. E1 t# H+ m% P5 X/ P7 f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.
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2.1影响收缩率的主要因素
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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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2 C& S. u; L0 J8 e0 w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。

# ^; O. B# m9 L4 M(2)模具温度

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

. Y! L, `. x5 O- L4 r/ [, ~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.

! W( Q& e" L9 U3 ]/ b(5)增强材料含量

' u; V. r, l5 X+ G' T5 C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.
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(6)定向性
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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。

3 Z( b9 w+ \; 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.
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2.2可采取的措施

(1)流道，浇口平衡

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。
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(2)模腔排列

6 t$ f% Q. H* S. j0 C3 ~' e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.

8 p0 E6 _& D. X: g6 m- V" v(3)精密注射成型的冷却回路设计
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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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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。

1 ~7 S$ Y' w8 l6 u3 z# s. i: L# [3 }3、防止产生成型变形
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% h1 q2 {- ^3 K7 J: L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。
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(1)浇口数
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- s- @( x# D& I% J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。

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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' B$ g3 M, f" h/ x# B/ D4 O+ g% J* {(2)浇口形状和位置

7 c0 c5 }3 F) D$ m% x1 t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。
4、防止脱模产生变形

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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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。

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。

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

. B) r5 p, E! l7 B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.

! w. |5 D& F8 v* o* K, z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。

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。

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。
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. Y" u) m+ P! H. c5 X2 `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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. Z; }/ [" _0 ^" q5.2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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# [3 S4 w) C8 |* `8 }9 G4 f2 V(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。
, l1 x9 R$ M- J3 I(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。
+ N3 w' t0 u. ]2 x1 o2 f(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。
* U/ r+ S1 r5 E0 p) M9 j, x# {(6)由于硬化，可延长模具精度保持时间，模具寿命长。
(7)容易设在任意位置排气，所以充模容易.
- B" `: g$ w3 [( A: F$ L( n(8)磨削加工容易.
(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。
4 ^; X* i( b3 A(11)因为以磨削加工为主体，所以加工效率高。
; H9 g& b2 @: ?7 @, J9 b(12)零件数多，需要极大提高各零件加工精度.
, u. x) \2 i* p2 A' Z(13)局限于特定加工方法
(14)采用完全淬火
/ l! X9 [% x: C5.3总分割式模具设计方面的注意点
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3 z9 V: U  J( J5 G5 q$ D- t) n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。
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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。
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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。
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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。

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。

1 b* o) S6 D6 I8 ^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。

9 T3 {; M% a# E3 i6、防止模具精度的误差

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。
+ w* C& G% Z3 z7、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

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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7.2 防止模具变形
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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

+ V. T8 W9 j, I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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4 D0 g# [1 S6 B$ b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