M42高速钢冲头在服役中易因残余应力导致崩刃失效。为优化其热处理工艺并提升性能，本文旨在系统研究球化退火预处理对M42高速钢冲头在完整淬回火工艺链中显微组织与残余应力分布的调控规律。设计了含与不含球化退火的两种热处理工艺路线。采用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对冲头在不同工序下的显微组织和表面残余应力进行表征，并结合ABAQUS有限元软件模拟了整个工艺过程中的残余应力演变。结果表明，球化退火可释放由挤压加工引入的初始残余应力达70%-90%，并显著改善最终淬回火后的应力分布；特别是在冲头根部易失效点位，应力状态由-400 MPa的压应力优化为+100 MPa的拉应力，有益于抵消服役载荷。同时，球化退火使组织中尺寸小于1.5 μm的细小碳化物占比提升至55%，并呈均匀弥散分布。增加球化退火预处理是优化M42高速钢冲头残余应力分布和细化碳化物的有效手段。本研究揭示了其作用机制，可为高性能冲头的热处理工艺设计提供理论依据和实践指导。