冷冲模具在电火花切割加工中的破坏形式分析李应明、胡泽豪2（1.湘潭大学机械工程学院，湖南湘潭411105；2.变流力学与材料工程研究所，湖南长沙410004）物偏析是模具变形与开裂的主要原因。在生产实践中，通过合理选择模具材料、正确的锻造工艺、合适的热处理工艺以及淬火前型孔粗加工等措施，可有郊防止模具的变形与开裂。
电火花线切割加工是在放电的一瞬间，由于高温高压，材料表面融熔、气化，将金属材料的分子溅出而成形的一种先进的加工工艺。该工艺能加工淬火后的模具材料，不仅能制造过去无法用通用机械和手工加工的复杂模具，而且具有很高的加工精度和生产效率，在模具加工中应用十分广泛。但在线切割加工中，模具容易产生变形甚至开裂，降低了模具的使用寿命，加了模具的制造成本和周期。因此，变形与开裂产生的机理分析是模具加工企业中一个十分关键的问题。
1线切割加工中模具的破坏形式及原因分析1.1模具材料的不完全淬火有一厚度为60mm的凸模坯料如所示。材料为凸模坯料（200mm 10A，淬火要求HRC6062，采用箱式电阻炉加热至800*C，用质量分数为10%的食盐水淬火，180*C回火4h时，从A点开始进线，经B点加工至C点时，模具发生开裂。
基金项目：湖南省教育厅资助项目（05C087）。
原因分析将上述坯料的中心部分切下一块作硬度测试，硬度仅为HRC2124，属于不完全洋火。该坯料的厚度较大，且材料为淬透性较差的碳素工具钢，经过热处理后，由于冷却速度不同，表层为马氏体，比容较大；中心部分为珠光体，比容较小，由于内、外组织结构不同，使得坯料各部分产生不同的残余应力分布，表层为压应力，中心部分为拉应力，如（a）所示。线切割加工路线一般要经过模具的表层与心部，这样，随着模具材料被切断或去除，必然改变表层、中间层和心部的应力场分布，破坏了模具内部原来维持的平衡状态，从而产生变形。中C点位于坏料的心部，其淬火残余应力值*大，且为拉应力状态，内应力因必须依存的一方突然消失而变成足够大的拉应力，使模具材料产生变形与开裂。
1.2淬火后产生的热应力所示为一凹模坯料，厚度为30mm，材料为CrWMn，要求HRC6062，加热至840*C油淬（油温为室温），180*C回火3h，在线切割至AB段时经常发生卡丝现象，说明模具己发生变形。
原因分析在坯料的中心部位切下一块作硬度测试，其硬度为HRC61，属于完全淬火，淬透性差不是变形的主要原因。所示的厚度不太大的合金工具钢坯料，虽然表层和心部都己淬透，但外形尺寸较大，在热处理的加热和冷却过程中，由于坯料表层和心部的温度差而产生了热应力，这种残余应力在坯料的表层呈拉应力状态，心部呈压应力状态，如（b）所示。当钼丝运行至坯料心部时，由于残余应力释放，至使模具材料变形夹住钼丝，造成卡丝现象。该类坯料加热至840C后，改用60C80C的热油淬火，并在180C下回火3次，每次2h，再进行线切割时没有改生卡丝及变形现象。
1.3模具材料内部的碳化物偏析次，每次3h，线切割时发生开裂现象。
原因分析通过切块作硬度测试，坯料表层和心部均为HRC6061，采用热油淬火、加回火次数和时间，效果也不明显，说明不完全淬火和热应力都不是开裂的主要原因，后来对开裂处的材料作金相检查，发现该处的共晶碳化物呈网状分布。该批坯料通过反复锻拔改锻后，使碳化物的偏析在3级以下，再进行加工未出现开裂现象。因此，模具材料（特别是大截面的轧材）中碳化物的严重偏析也是线切割开裂的主要原因之一。
2防止模具线切割变形、开裂的主要措施2.1合理选择模具材料不同的模具材料其热处理性能各不相同。碳素工具钢（T10A、T8A等）淬透性差，淬火变形大，只能用来加工形状简单的、小型的模具零件，否则，线切割加工时容易变形开裂。合金工具钢（Cr12、Cr12MoV等）具有良好的淬透性，淬火变形小，可用来加工复杂的、大型的模具零件。
2.2正确的锻造工艺锻造是模具加工中的一项重要的预处理工艺。通过锻造，一方面可获得所需的坯料形状与尺寸；另一方面通过锻造，可消除网状结构，降低碳化物的偏析级别，改善材料内部的组织结构。高合金工具钢（如Cr12MoV）锻坯一般要作相应的金相分使碳化物偏析级别控制在3级以内；f为后续的线切割加工扪啤基2.3合适的热处理工艺模具线切割变形开裂的主要原因是坯料内部的残余应力，而残余应力大部分是在热处理过程中形成的，因此，为防止变形开裂，在热处理过程中应采取如下措施。
淬火加热时，坯料应缓慢加热或进行预热，加热时温度要均匀（温差*好控制在10*C范围内），使用电炉加热时，炉膛尺寸中心部位的70%为有效范围，工件不能太靠近加热元件，以免温差太大产生内应力。一般煤炉和油炉温度分布不匀，不适合加热模具零件。
淬火冷却时，一方面要根据不同的钢种和零件的厚度来选择合适的冷却方法，以提高坯料的淬透性，减少不完全淬火产生的组织应力；另一方面采用热油、分级、等温等措施减少坯料因温度不均而产生的热应力。
在满足硬度要求的前提下，应尽量提高回火温度（高合金工具钢一般在200C以上，但12钢应避开290330C的回火脆性区），加回火次数和回火时间（一般回火23次，每次24h）以降低淬火过程中产生的残余应力，防止模具变形开裂。
2.4淬火前型孔预加工对于尺寸较大、形状复杂的模具零件，在淬火之前先进行粗加工，每边留下适当的加工余量（该余量只要能满足热处理变形和线切割装夹误差即可，一般为23mm）。由于坯料进行了粗加工，去除了大部分余料，一方面使原来的坯料心部变成了表层，从而改变了淬火残余应力的分布状态；另一方面减少了坯料的淬火厚度，加了淬透性，降低了残余应力的绝对值（见），因此，在线切割时，大大降低了模具变形开裂的危险。
3结束语变形与开裂是在线切割加工中模具常见的失效形式，主要是由模具内部的残余应力所引起的，而残余应力的产生与模具材料的不完全淬火、坯料内外温度不匀、材料内部碳化物偏析等因素有关，通过对这些影响因素的分析，在生产实践中可采取一定的措施，控制或减少模具在线切割加工时的变形与开裂，降低模具的制造成本，提出高模具使用寿命。
