基于发明技法研发的模具钢嵌套变形测试试样

2021-09-29张忠信

金属加工(热加工) 2021年9期

张忠信

沈阳创推科技有限公司辽宁沈阳 110141

1 序言

虽然Cr12MoV冷作模具钢的变形倾向不大，对于一般的模具件，变形不是突出的制造技术问题，但对于结构复杂、尺寸相差悬殊的模具，特别是大型精密复杂模具，变形确实制约着模具制造技术的进步，用实际模具件进行减小变形的试验，不仅成本高，而且见效慢，经济实用的方法就是用试样进行试验、用模具件进行验证。为此，我们应用发明技法[1]研发了用于模具钢变形量[2]测试试样。

2 试验材料及试验方法

为了研发适用于模具钢的变形量测试试样，我们以Cr12MoV冷作模具钢为试验材料，采用尺寸为φ90mm×100mm的棒材试料加工制作变形试样，试验材料的化学成分完全符合GB/T 1299—2014《工模具钢》要求，见表1。

表1 Cr12MoV冷作模具钢试验材料的化学成分（质量分数）（%）

由于渗碳淬火的变形量很大，而Cr12MoV冷作模具钢是微变形钢，相对渗碳淬火来讲变形量很小，所以直接应用渗碳淬火的变形试样测试Cr12MoV冷作模具钢变形量是行不通的，那么就要创新设计适用于Cr12MoV冷作模具钢变形量的测试试样。基本思路是以图1所示的渗碳淬火的变形试样为基础，通过改变试样的结构尺寸进行创新设计，采用线切割加工变形试样，进行真空热处理工艺过程的变形量测试试验，开发能用于模具钢的变形试样。

图1 渗碳变形试样

3 创新试验及数据分析

3.1 常规创新试验

直接将渗碳淬火变形试样用于模具的变形试验，变形量很小，甚至可以说没有变化，不能用于模具的真空热处理工艺的变形量测试试验，只有对试样的结构尺寸进行改进。对试样结构改进的目的就是增大试样的变形量，增大试样的尺寸可以增大变形量，我们以试样直径按比例增加、厚度加倍增加的思路，设计了外圆尺寸φ76mm、厚度增大到30mm的试样（其他尺寸按比例增大），进行真空淬火、回火工艺过程变形量的测试试验，具体测量数据列于表2。同渗碳淬火试样相比，虽然变形量略有增大，但变形量的数值太小，没有脱离测量误差范围，还无法用于模具真空热处理工艺的变形量测试试验。

表2 增大试样尺寸的变形试验测量数据（mm）

常规改进的第二种试验是减小开口环形试样的壁厚，设计思路是继续增大试样尺寸的同时，改变两圆直径的比例关系，即增大内圆的相对尺寸、同时减小两圆的偏心距，达到减小两圆之间最大壁厚尺寸的目的。为此，我们设计了如图2所示的模具真空热处理变形量测试试样，用其进行真空淬火、回火的变形量测试试验，结果变形量大幅增加，即灵敏度很高，用于模具真空热处理变形量测试试验没有问题，但数据波动大，直接应用还是不可行。

图2 减小壁厚变形试样

3.2 应用创新技法试验

常规创新试验的效果虽然不是很理想，但也积累了一些模具钢变形规律的经验，在前期试验的基础上，开始尝试应用TRIZ理论中的发明技法设计变形试样。首先应用TRIZ理论的发明原理5，在空间上将相同的物体组合，采用3个变形试样组合进行试验，那么3个试样以什么样的结构关系组合呢？

经过分析，我们又应用了TRIZ理论的发明原理7，把一个物体嵌入另一物体，然后将这两个物体嵌入第三个物体，依此类推，形成了“俄罗斯套娃”的结构关系。设计了如图3所示的模具钢变形测试试验的嵌套试样，并用其进行模具真空淬火、回火工艺过程的变形测试试验，测量的变形量数据见表3。

图3 应用发明技法的试样

分析表3的变形数据，变形量数值脱离了试验测量误差的范围，可以用于模具钢的热处理变形测试试验；变形规律明显，试样尺寸越大的变形量也越大，特别是外圈试样的变形量比内圈的变形量大得更多，这是因为它不仅尺寸大，而且开口环的壁厚尺寸是最小的。

表3 应用创新技法的试验测量数据（mm）

真空热处理变形测试试验总变形量的确定，采用3个试样平均变形量的加权平均方法计算，按外圈试样平均变形量的20%、中圈试样平均变形量的30%、内圈试样平均变形量的50%加权平均确定，本次试验的总变形量为0.047+0.035+0.024=0.106mm，采用加权平均计算确定总变形值的方法，使试验数据更加符合模具的实际变形。