較大壁厚模輥出現(xiàn)的質(zhì)量問題分析及改進對策

摘 要：模輥廣泛應(yīng)用于生活用紙（嬰兒尿褲、成人紙尿褲）、醫(yī)療（創(chuàng)口貼、一次性圍裙）、煙草（包裝盒）、一次性鞋墊等產(chǎn)品外形模切。文章介紹了較大壁厚模輥常規(guī)生產(chǎn)工藝及其生產(chǎn)過程中存在的質(zhì)量問題：模輥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生裂紋；熱處理后通過金相分析發(fā)現(xiàn)輥體晶粒粗大、金相組織不均勻。結(jié)合具體生產(chǎn)工藝和實踐經(jīng)驗，對其原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的改進對策。

關(guān)鍵詞：模輥；晶粒粗大；組織不均勻；裂紋

引言

模輥廣泛應(yīng)用于生活用紙（嬰兒尿褲、成人紙尿褲）、醫(yī)療（創(chuàng)口貼、一次性圍裙）、煙草（包裝盒）、一次性鞋墊等產(chǎn)品外形模切。模輥總成由切輥和砧輥裝在同一模架上呈上、下分布（見圖1），兩輥外圓柱面以一定壓力接觸，以相同線速度旋轉(zhuǎn)對壓，由分布在切輥圓周上的刃形擠壓砧輥，完成置于兩輥之間的產(chǎn)品外形模切。由于其是通過上下輥旋轉(zhuǎn)對壓的方式完成產(chǎn)品外形模切，與傳統(tǒng)沖壓模線性沖裁的工作方式相比，具有加工效率高、使用壽命長（模切壓力小且可以多次修磨）的特點。輥的材料大多為高速鋼（如W6Mo5Cr4V2）、粉末合金（如T15、S705）、硬質(zhì)合金等高合金工具鋼，具有硬度高、切削加工難、價格昂貴等特點。

模輥與輥軸通常以過盈配合（H7/g6）方式裝配，輥軸兩軸承位外圓安裝軸承，相應(yīng)的軸承座安裝在模架上，若干組模架以一定順序組成一條生產(chǎn)流水線。由產(chǎn)品的尺寸及流水線、刀架和模輥的結(jié)構(gòu)確定了模輥的設(shè)計尺寸，模輥外徑D1一般為150mm-200mm及以上，輥軸軸承位段外圓直徑D2一般為50mm-70mm，根據(jù)模輥外徑D1和輥軸軸承位段外圓直徑D2及考慮到模輥內(nèi)孔的加工和熱處理變形等因素，通常把模輥的裝配內(nèi)孔直徑d工藝尺寸設(shè)計為60mm-70mm，模輥的壁厚δ=D1/2-d/2，壁厚δ一般會達到45mm以上（相對輥體本身尺寸，壁厚較大）。

1 模輥常規(guī)生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程中存在的質(zhì)量問題

1.1 模輥常規(guī)生產(chǎn)工藝流程

模輥由于產(chǎn)品材料、外形及工藝的多樣性和復雜性，在八十年代之前我們國家的模輥制造技術(shù)是空白的，需要依靠進口，到八十年代末國內(nèi)一些企業(yè)如福建省三明工模具廠等開始嘗試設(shè)計生產(chǎn)，經(jīng)過模輥行業(yè)前輩們不斷鉆研和改進，到目前模輥已經(jīng)形成了較為成熟的生產(chǎn)工藝，一般生產(chǎn)工藝流程為：

下料（根據(jù)模輥的外形尺寸從長圓柱形棒材鋸下坯料）？圯車削（加工坯料內(nèi)孔、外圓和端面）？圯銑削？圯鉗工鉆孔攻牙？圯熱處理（淬火、回火）？圯磨削端面和內(nèi)孔？圯熱套裝配？圯磨削外圓？圯清洗、防銹？圯包裝

1.2 生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題

（1）模輥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生裂紋，導致報廢。（2）熱處理后通過金相分析發(fā)現(xiàn)晶粒粗大、金相組織不均勻。

2 原因分析

從模輥產(chǎn)品容易產(chǎn)生裂紋、晶體組織較為粗大和金相組織不均勻問題本身入手，根據(jù)實踐經(jīng)驗并參考了相關(guān)資料，初步判斷與模輥產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝有關(guān)，模輥上設(shè)計的一些螺紋孔和裝配鍵槽，在切削過程和熱處理環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生裂紋。但模輥本身的螺紋孔和裝配鍵槽結(jié)構(gòu)是客戶的需求和裝配的需要，除了在加工過程中把螺紋孔和鍵槽結(jié)構(gòu)存在的尖角倒成較為光滑過渡的圓角外，可以減小一點切削應(yīng)力，在輥體結(jié)構(gòu)上可改進的空間有限。

模輥的淬火工序需要經(jīng)過加熱、保溫和冷卻等幾個環(huán)節(jié)，根據(jù)公式，由淬火加熱和保溫時間t=k.δ（k是加熱時間系數(shù)，D是輥體有效厚度）可知，淬火加熱和保溫時間是與模輥體有效壁厚δ成正比，即模輥體有效壁厚越大，淬火加熱和保溫環(huán)節(jié)所需時間就越長，而加熱和保溫的時間過長，晶粒就容易粗大；另外由于材料自身組織的特性和輥體有效壁厚較大，輥體不容易淬透，會導致芯部晶相組織不均勻。

淬火工序冷卻環(huán)節(jié)的冷卻速度是由輥體材質(zhì)（不同淬火介質(zhì)）和輥體表面積等因素所決定，輥體的外圓表面積S1=Pi*D*L和內(nèi)孔表面積S2=Pi*d*L（D為輥體的外圓直徑，d為輥體的內(nèi)孔直徑，L為輥體長度，見圖2），如果輥體的外圓直徑D和輥體的內(nèi)孔直徑d相差越大（即輥體有效壁厚大），那么外圓表面積S1和內(nèi)孔表面積S2也就相差越大，即較大壁厚輥體的外圓表面積S1和內(nèi)孔表面積S2較大，那么較大壁厚輥體的外圓和內(nèi)孔的冷卻速度就相差較大，由于輥體的外圓和內(nèi)孔的冷卻速度不均勻，輥體在淬火的冷卻環(huán)節(jié)就會產(chǎn)生熱處理應(yīng)力，容易導致輥體出現(xiàn)裂紋。

綜以上幾點分析，得出壁厚輥體較大是熱處理后輥體晶粒粗大、金相組織不均勻和產(chǎn)生裂紋的一主要原因。

3 改進對策

由以上分析可知，壁厚輥體較大是輥體晶粒粗大、金相組織不均勻和產(chǎn)生裂紋的主要原因，那么應(yīng)該盡可能減小輥體壁厚δ，由δ=D1/2-d/2可知，可以通過減小輥體外圓D1或者加大輥體內(nèi)孔d來減小輥體壁厚，但輥體外圓D1是客戶要求及設(shè)計的需要，相對固定，那么，只有通過加大輥體內(nèi)孔d來減小輥體壁厚δ，相應(yīng)改進措施如下：（1）加大輥體內(nèi)孔d，同時相應(yīng)加大與輥體內(nèi)孔配合的輥軸外圓直徑，可以通過在原來輥軸裝配段外圓加裝一段與輥體等長的芯套的方式來加大與輥體內(nèi)孔配合的輥軸裝配段外圓直徑。這樣可以避免直接從大直徑軸坯車削到小直徑，一方面可以減小車軸工作量，另外一方面大軸芯部組織不良，軸容易斷裂。（2）采用線切割工藝代替原來的鉆孔和車內(nèi)孔來加大輥體內(nèi)d，同時把線切割穿線孔放在芯部，可以避免線切割穿線孔留在輥體產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致輥體開裂。

4 結(jié)束語

（1）由于壁厚減小了（如輥體外徑為150mm輥體，內(nèi)孔直徑由

60mm加到100mm，相應(yīng)壁厚由45mm減為25mm），淬火加熱和保溫時間可以減短（45-25）/40*100%≈44%，不僅節(jié)省了熱處理加熱費用，而且輥體晶粒更加細化；另外由于輥體壁厚減小，輥體淬透性提高，金相組織更加均勻。（2）由于壁厚減小，輥體外圓和內(nèi)孔的表面積差減小，外圓和內(nèi)孔淬火冷卻速度趨向一致，淬火應(yīng)力大大減小，更不容易產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。（3）由于采用線切割工藝代替原來的鉆孔和車內(nèi)孔，不僅大大減少內(nèi)孔加工的工作量，而且線切割出來的芯部材料可以重新利用（鍛打后做成刀片或砧輥），節(jié)約了材料成本1002×（1-30%）/1502≈31%（以輥體外徑為150mm，線切割輥體直徑為100mm算，鐵屑的價格約為原材料價格的30%算）。

參考文獻

[1]趙步青，胡會峰.高速鋼大型刀具熱處理裂紋的預防[J].河北冶金，2015，11：56-59.

[2]王鑫，李錚，康風波，等.熱處理工藝對W2Mo9Cr4V

Co8高速鋼硬度和組織的影響[J].軸承，2015，5：23-25.

[3]曹淑清.淬火冷卻的分析[J].黑龍江科技信息，

2011，25：73-73.

[4]胡慶華.高速鋼拉刀熱處理過程異常開裂分析[J].河北冶金，2015，5：29-32.

[5]蔣志強，馮錫蘭，符寒光，等.高速鋼軋輥熱處理裂紋的形成與控制[J].金屬熱處理，2016，z1：160-162.