石钢京诚装备技术有限公司 辽宁营口 115000
摘要：随着近年来模具工业的快速发展，其产量得到快速增长，其中塑料成形模具得到长足进步，在模具工业总产值中其产值占据首位的同时，也使塑料模具钢用量不断提高，其中塑料模具钢中用量较大主要为预硬化钢，并在精密、大中型、镜面抛光以及复杂塑料模具制作得到广泛应用。本文就塑料模具钢大模块工艺设计以及水冷复合间隙淬火技术应用进行分析和探讨。
关键词：塑料模具钢大模块；工艺设计；水冷复合间隙淬火技术
一、工艺的设计与分析
针对大型塑料模具钢模块，通过热处理能够使其具备强韧的基体以及较高的表面耐磨性，因此模块完成淬火后，能够使整体形成贝氏体组织。如冷却速度过慢，会因大模块心部珠光体组织的形成而造成工件心部硬度偏低，无法有效满足塑料模具钢工作硬度要求。因此在此状况下，为了确保大模块整体性能符合使用要求，需要保证工件能够在较短的时间内先冷却并形成珠光体，再通过温度转变，并采用较慢的冷却速度将温度调整至贝氏体转变区，有利于工件进行贝氏体组织转变时间更加充分[1]。采用传统水淬油冷工艺主要基于此状况，但此处理工艺具有设备维护及处理效率较低、操作复杂，并且对环境造成污染较严重等不足。
针对上述问题，通过水冷与空冷等方式的有机结合，能够对大模块塑料模具采用水冷、空冷交替循环方法进行处理，此工艺主要包括以下阶段：
（一）空冷阶段
此阶段需要对大模块生产过程进行充分考虑，其中大模块从加热炉送至淬火设备需要一段时间，同时利用一定时间进行预冷处理，能够使整个淬火处理效果有效保障。
（二）水冷、空冷交替循环、逐渐降温阶段
在此阶段初期，需要对大模块完全浸水处理进行充分考虑，应保证棱边、棱角温度能够快速降至Ms点以下，使马氏体相变迅速形成。一旦大模块持续浸泡在水中，会极容易使棱边、棱角因应力原因而导致裂纹出现。所以大模块在水冷后一定时间后，将其向空气中进行快速转移进行冷却，因外部与内部之间存在较大的温度梯度，导致大模块内部热量向模具表面快速传递，使棱角、棱边等处在水冷过程中形成的马氏体组织能够实现充分自回火，对局部应力集中状况有效缓解。同时能够使大模块心部冷却速度能够有效保持，并防止产生珠光体。另外通过上述水冷、空冷流程的反复交替处理，使大模块外表面的温度能够始终维持在高于马氏体转变温度，且低于珠光体转变温度的区间之内，并呈现逐次起伏的状态不断下降。如其表面温度降至Ms点时，则此阶段完成。
（三）Ms至500℃温度区间内的水冷、空冷循环处理阶段
在引阶段大模块表面温度已降Ms点左右，而此时模块心部的温度仍然较高，利用水冷所产生的温度梯度，使心部热量在空冷时快速传递至大模块表面，从而使心部较高冷却速度得以有效维持，促进贝氏体组织的形成。另外对外层组织不断进行回火处理，能够有效防止其出现开裂，并使淬火时间进一步缩短，生产效率有效提高。
二、水冷复合冷却技术应用设备设计及实施
大模块采用传统水槽及吊装设备难以满足频繁、快速出入水操作，并且难以精确控制水冷方式的冷却速度[2]。而在水冷复合冷却技术中，通过注水操作的方式能够对传统的浸液方式进行有效替代，此新型复合冷却淬火设备主要包括以下四个部分：
（一）工件固定处理区
此区域主要针对待加工大模块工件，对其进行固定放置时，可利用起重设备从上方开口片，直接将模块垂直放至加工载物台后，将其进行固定。而在整个过程中能够保证模块始终固定不动，使整个淬火过程的连续性得以有效保证，能够有效防止以往淬火过程中存在的问题，避免因工件转移、吊装而对设计工艺的准确性造成影响。
（二）排水功能区及高速注水区
此区域一要由快速排水、快速注水、空气导流构成。
其中由喷射阵列和多组快速注水泵机组成快速注水系统，而喷射阵列需要在工件固定处理区两侧均匀分配，使加工处理的均匀性得以有效保障。其次利用注水泵机输出功率的调节，使高速喷水、快速注水、喷雾等多种冷却方式得以实现，从而能够有效控制工件冷却速度。由排水泵机和排水阀门组成的快速排水系统，能够使工件处理区的快速排水得以实现，从而使水冷处理后能够迅速向空冷处理方式转换。由导流风机和导流通道组成的空气导流系统，为工件处理区提供快速循环空气，使工件的风冷处理得以实现。
（三）循环冷却系统
为了满足成本节约以及环保等要求，需要使整个淬火槽体的冷却介质实现循环使用。因此在生产过程中，应使冷却介质实现循环冷却，尤其是在工件区注水完成后，进入浸液水冷阶段时，应使整个工件区的冷却介质实现快速循环，使水体具备较高的换热能力。
（四）备用储水区
此区域主要对整个处理过程中所需的冷却介质进行有效存储，也可以普遍淬火槽的形式作为备用淬火区域。在新型复合冷却淬火设备中，通过快速注水设计对传统的工件浸液方式进行有效替代，从而使水冷处理得以实现，尤其在大型模块的热处理中具有良好的适用性，同时通过设备可靠性方面，与升降台式淬火设备相比也有较大幅度的提升。另外注水系统主要采用多点喷射阵列设计，能够对喷零、喷水等多种冷却方法加以运用，从而淬火槽能够对工件实现多种复合冷却处理，从而使传统淬火槽无法完成多种冷却效果得以实现。最后通过工件加工过程中的有效固定放置，使整个加工过程的连续性有效保证。
三、水冷复合冷却控制系统及智能化实施策略
在新型淬火槽中采用了阀门、泵机、风机及各类传感元件，并利用新工艺，对整个处理过程的冷却速度进行高精度控制，因此传统的控制模式已无法满足新系统的运行要求，需要对全新的控制模式加强研发和应用，其中控制结构分划分为电气驱动层、软件管理层以及PLC控制层三个方面。
（一）电气驱动层
在此层面中的电机驱动模块主要对各类风机、电机以及泵机进行驱动。触发器模块如电磁阀等设备，能够对其他非强电机构起到辅助驱动的作用；通过传感器模块能够与设备中的各种传感器元件有效连接，并对整个加工中的各类数据参数进行有效收集[3]。
（二）软件管理层
此层面主要能够实现高级管理以及人机界面功能。其中系统检测模块能够对各类信息进行存储，使操作人员的系统运行信息实时查询功能得以实现；利用工艺管理模块能够对各类工艺加强管理，并将工艺信息向PLC控制层进行传递，并予以实施；通过智能扩展模块的利用，使工艺管理能力进一步提升，使工艺虚拟生产、智能生成、性能模拟计算等功能得以实现，进而对智能化生产起到促进作用。
（三）PLC控制层
PLC作为此层面的核心设备，也是整个系统控制的核心部分，对电气驱动层的各项运作进行有效控制和协调，并对各种数据信息进行及时反馈，同时对软件管理层所发送的管理信息进行接收，并予以落实和实施。现阶段常见的PLC的控制能力与精度远高于传统控制仪表，能够使淬火过程的控制能力进一步提高。
结束语
目前常规的整体淬火工艺无法使模具的基体强韧性和表面耐磨性要求等得到有效满足，针对大模块处理中存在控制技术及设备尺寸等局限性，可采用以水为介质的大模块水冷复合冷却技术，与新型淬火设备相结合，能够有效满足多种塑料模具钢的热处理加工生产，取得良好经济效益的同时，能够提高清洁环保的社会经济效益。
参考文献：
[1]张伟民.大模块淬火冷却虚拟生产及智能化工艺装备研究[D].上海交通大学，2007.
[2]王凯旋.大型不锈塑料模具钢模块喷水淬火装置及工艺的研究[D].武汉工业学院，2012.
[3]郭曙光.一种用于塑料模具钢生产的热处理工艺:，CN108950149A[P].2018.