摘要：在生產實踐中發現，模具產品的質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化及溫度變化的不均勻性有關。模具熱處理會產生一系列問題，嚴重影響模具的質量和使用壽命。為此，圍繞熱應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律，并從材料選擇、結構設計方面給出若干對策。

　　關鍵詞：工程師論文發表,模具,熱處理,主要問題,組織轉化,溫度變化,變形規律

　　模具工業在快速發展中，它是世界工業發展的基礎。據統計，生活、生產中的75%零件或產品均要通過模具來完成，其中在汽車、電器、建筑等行業最為突出。模具雖是小批量產品，但更新換代快，精度要求較高，它的技術水平已經成為衡量一個國家制造業水平的重要指標。在生產實踐中發現，模具產品的質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化及溫度變化的不均勻性有關。高效、高質量的模具熱處理工藝是廣大模具從業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生的主要問題進行探討，并給出相應的對策。

　　1 熱應力與熱變形

　　1.1 熱應力

　　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部就會有應力存在，這種應力稱為熱應力。產生熱應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，從而導致相應部分不能自由伸縮。因為存在熱應力，零件實際產生的熱變形是指它受約束限制之后的熱變形，因此與熱應力的關系密不可分。

　　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力的存在，模具在熱處理過程中或在模具熱處理后產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，模具零件存在熱應力的部分表現出不同比例的伸縮量，從而直接導致整個模具零件的變形。若變形部分同存在于塑性變形區或彈性變形區，變形最終會隨熱處理過程的結束而逐漸消失，但若一部分處在塑性變形區，而另一部分處于彈性變形區，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力超過材料的抗拉強度或因外力產生的應力與熱應力疊加在一起超過材料的抗拉強度，相應部分會產生破壞性的后果，表現為裂紋或斷裂等。

　　模具熱處理后，模具仍會繼續變形，這主要是模具中殘余的熱應力導致的。自然界存在能力最低原理，存在殘余應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構形狀上的調整。這對因材料、結構方面容易產殘余應力的模具表現更為突出。

　　1.2.2 熱變形的一般規律。模具的熱變形與模具材料、熱處理工藝及模具自身的結構等多因素均有關系，因而模具的熱變形表現出復雜性。但實踐中發現仍存在一般的規律，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為拉應力，其中心卻表現為壓應力，因此產生為棱邊收縮、中心突出的現象，表現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生這種變形的根本原因。當模具零件的一個表面因冷速大產生凹形陷入時，而另一個相對表面因冷速小產生鼓形凸起時，模具就會有產生彎曲類變形的傾向。當模具的一個端面因冷速大產生向內的凹入，而另一端面因冷速小產生向外的凸出時，模具就有會產生旋轉類變形的傾向。在模具的制造或應用過程中往往是多種變形的綜合，在分析變形傾向時應作全面分析。一般鋼制模具淬火過程中的變形規律可以概括為：初期，因為淬火介質與模具的溫差大，冷卻速度大的部位表現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，導致工件表面積縮小的趨勢就減小。少數情況下，慢冷部位還表現出表面積略微增大的趨勢。在這里要特別強調一點：熱應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，可以利用熱應力對模具產品的調整作用進行補救，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

　　模具產品本身的材料對模具的熱處理工藝的質量起直接性的決定作用，進一步決定著熱變形的情況。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量、效率，當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，應綜合考慮質量、效率和經濟性等方面，選擇最佳種類的材料。一般來講，模具的結構越復雜，熱處理的難度越大，應選擇易淬透的材料，如合金鋼普遍優于碳素鋼。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，包括其物化性質和工藝性。

　　2.2 模具材質的影響及其對策

　　模具材質的好壞也嚴重影響模具熱處理后的變形，這是模具材料內部缺陷所致。 　　結構組織決定性能，即使是同一種的鋼材，其內部的微觀組織也不同。這主要與以下因素有關：(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變化，因而其組成相及含量也在一定范圍內變化，其最終的性能也在一定范圍內變化;(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，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，設計的是同樣的工藝，但因管理水平上的差異，人為因素導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，但在實際生產中卻經常發現，用其做成的模具往往發生較大變形。在對問題模具的深入分析時發現，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)優先選擇大廠生產的材料，尤其是在制造形狀復雜的模具時，更應重視材料質量的選擇。大廠無論從技術，還是從管理上，都能保證材料的材質;(2)在選用材料前應進行抽檢，有條件的話盡量做組織檢測，在實際生產中往往只對力學性能等指標進行檢測，組織上的問題不易反映出來;(3)對后期才發現問題的模具材料，可以根據材質的實際情況進行補救處理，以使其組織得以改善，如通過預處理工藝使鋼中存在碳化物變得細小、均勻;(4)在設計熱處理工藝時，盡量根據實際材質來確定工藝參數，而不是僅根據材料的型號來用經驗法確定工藝參數。

　　3 模具結構的影響及其對策

　　除模具材料對熱處理工藝的質量有影響外，模具的結構對其也有重要的影響。因此，在設計模具過程中，不僅要保證模具的結構在功能上的實現，也要考慮模具結構對熱處理工藝質量的影響。模具結構的影響主要體現在：(1)模具體積過大，無法在爐膛中均勻處理;(2)模具結構過于復雜，各部位在熱處理過程中存在較大差異;(3)模具上未設計相應的工藝結構，不能對不利的變形進行調整。在設計模具時，從保證熱處理質量的角度講，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構。可以參考以下三點：(1)模具體積應適應熱處理爐，應保證各部位在熱處理時的均勻受熱。在大型模具上，我采用組合式結構，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，模具結構盡可能簡單。模具結構上盡量做到對稱、均勻，避免截面發生突變的設計;(3)在實際生產中發現易出現問題的部位，可設計相應的工藝結構，進行熱方面的補償，減少因熱處理導致的變形。

　　4 結語

　　模具熱處理過程中存在一系列問題，熱應力和熱變形是兩個主要問題，其危害較大，在模具設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構的合理性是兩個需要重點考慮的方面。

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