提高車輪鍛軋模具使用壽命的研究

劉華堂，周 偉

（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

在鍛壓生產(chǎn)中，鍛模的壽命直接關(guān)系到鍛件的產(chǎn)量、質(zhì)量和成本，鍛模費(fèi)用一般占鍛壓件成本的35%～40%”[1]。在車輪鍛軋過程中，模具的工作條件十分惡劣，除了承受巨大的沖擊載荷、金屬沿鍛模型腔表面流動(dòng)發(fā)生的強(qiáng)烈摩擦外，鍛模工作表面還反復(fù)受熱與冷卻，形成熱疲勞應(yīng)力，造成模具容易因磨損、變形而失效。

模具的磨損、變形會(huì)直接影響車輪毛坯質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，需及時(shí)下線返修，影響生產(chǎn)節(jié)奏和增加勞動(dòng)強(qiáng)度，制約生產(chǎn)效率。同時(shí)為了保證正常的生產(chǎn)往往需要庫存模具，給公司資金流造成壓力，因此提高模具使用壽命可以有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 車輪模具主要失效形式

熱鍛模的基本失效形式：磨損、裂紋（主要有熱疲勞裂紋、熱龜裂和機(jī)械疲勞裂紋）、塑性變形、脆性破壞[2]。車輪制造方法有鑄造法、模鍛法、模鍛-軋制法[3-4]，太重車輪二線火車輪生產(chǎn)采用模鍛-軋制法生產(chǎn)，其完整的熱成形工藝包括預(yù)成形、成形、軋制、沖孔和壓彎。

車輪預(yù)成形、成形過程使用的成形類模具的主要失效方式為表面磨損及表面龜裂,尤其是芯棒類，工作時(shí)承受的壓力大和溫度高,模具的磨損和熱龜裂嚴(yán)重。車輪軋制過程所用的輻板輥、軋邊輥、導(dǎo)向輥等軋輥的主要失效方式為磨損。

模具壽命是一定時(shí)期內(nèi)模具材料性能、模具設(shè)計(jì)和制造水平、模具的熱處理技術(shù)以及模具維護(hù)水平的綜合反映，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，根據(jù)不同模具的失效方式，從模具堆焊強(qiáng)化及修復(fù)研究、模具表面強(qiáng)化、提高模具的設(shè)計(jì)和制造水平、改善模具的使用條件及維護(hù)水平四點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行提高模具壽命的研究。

2 模具堆焊強(qiáng)化及修復(fù)研究

堆焊是用焊接的方法在零件表面堆敷一層具有一定特殊性能合金材料的工藝過程，其目的在于使表面獲得具有耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的堆敷金屬，或是為了恢復(fù)和增加工件的尺寸[5]。通過用堆焊的方法恢復(fù)報(bào)廢模具的尺寸來研究堆焊提高模具壽命及修復(fù)模具的可行性，堆焊的主要流程包括：模具表面清理、模具堆焊前預(yù)熱、堆焊、熱處理及機(jī)加工工序。

車輪鍛軋模具的主要失效方式為磨損和表面裂紋，報(bào)廢模具進(jìn)行補(bǔ)焊前需要將工作區(qū)域的熱烈紋徹底清理，需要去除厚度約為10～15 mm。選取體積較小、材質(zhì)為5CrMnMo的沖頭和下斜輥進(jìn)行修復(fù)研究。

沖頭的工作區(qū)域和磨損區(qū)域?yàn)槿锌谔帲瑸楣?jié)省焊材只對(duì)模具的刃口區(qū)域進(jìn)行加工，加工出約15 mm×15 mm的環(huán)形槽，將磨損區(qū)域的所有缺陷去除后進(jìn)行堆焊，沖頭形狀及堆焊后的形貌如圖1所示。將下斜輥工作面的缺陷，包括裂紋、氧化等完全去除后進(jìn)行堆焊。實(shí)驗(yàn)均選擇與5CrMnMo材質(zhì)相近的鉻鎳鉬合金焊材進(jìn)行焊接，對(duì)修復(fù)后模具的工作面進(jìn)行硬度檢測，硬度范圍為：385～410 HB。

圖1 沖頭磨損區(qū)域、修復(fù)加工區(qū)域示意圖及修復(fù)后的實(shí)物圖（mm）

通過實(shí)驗(yàn)跟蹤，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際從成本、模具裝配要求、堆焊后加工幾方面將車輪鍛軋模具的堆焊存在的問題總結(jié)如下：

1）對(duì)于體積大的模具，例如成形模，成形環(huán)、壓彎模等，工作面較大，補(bǔ)焊時(shí)所需焊材較多，且基材材質(zhì)為45鋼，新制模具價(jià)格較低，堆焊修復(fù)綜合成本不經(jīng)濟(jì)。

2）堆焊的金屬硬度較高且表面不平整，加工難度大，效率低。

3）堆焊前的預(yù)熱、焊后熱處理,會(huì)造成裝配部位金屬氧化和裝配內(nèi)孔、螺紋及花鍵的變形，影響模具的裝配精度。

綜合考慮，不推薦通過堆焊的方式對(duì)車輪鍛軋模具強(qiáng)化和修復(fù)來提高模具壽命。

3 模具表面強(qiáng)化研究

激光表面合金化是一種通過改變材料表面成分來實(shí)現(xiàn)激光表面改性的技術(shù)。應(yīng)用激光輻照加熱工件，使之熔化至所需深度，同時(shí)添加適當(dāng)?shù)暮辖鸹貋砀淖兓谋砻娼M織，形成新的非平衡微觀結(jié)構(gòu)從而提高材料的耐磨損、耐疲勞、耐腐蝕性能。激光表面合金化過程中熱效應(yīng)只是集中在材料表面很薄的局部區(qū)域內(nèi)，總的熱輸入低，工件熱變形小甚至基本無變形，能夠保證模具表面強(qiáng)化后的裝配要求。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

共進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)對(duì)模具材料的成份分析以選擇合金配方，選擇了新舊預(yù)成形芯棒各一件驗(yàn)證表面合金化對(duì)模具表面質(zhì)量的要求，選取預(yù)成形芯棒和軋機(jī)輻板按相同工藝進(jìn)行處理，驗(yàn)證不同類模具的處理效果。第二組試驗(yàn)在第一組試驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究軋輥合金化的效果，合金配方中加入B元素以提高合金化層的紅硬性，設(shè)計(jì)了兩種硬度范圍進(jìn)行效果對(duì)比，試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)及模具選取見表1。

表1 模具表面合金化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及模具選取

3.2 試驗(yàn)過程

3.2.1 A組試驗(yàn)

返修后的芯棒（A2）表面有細(xì)小裂紋，激光處理過程中裂紋會(huì)擴(kuò)展，無法在基體和合金化層之間形成有效的冶金結(jié)合，返修后的上芯棒無法形成有效熔覆層，無法使用。其余模具A3和A4表面形成了有效和合金化層，合金化層厚度約0.5 mm，合金化處理過程對(duì)模具的尺寸、表面質(zhì)量及裝配尺寸無影響，可滿足裝配及生產(chǎn)要求，處理后的模具實(shí)物形貌如下頁圖2所示。

圖2 表面合金化處理后的模具實(shí)物形貌

預(yù)成形上芯棒（A3）生產(chǎn)2325件后下線，磨損比較嚴(yán)重，芯棒頭龜裂嚴(yán)重。主要原因?yàn)槌尚晤惸＞叱惺軌簯?yīng)力，主要失效方式為龜裂，而模具表面合金化可有效提高模具的耐磨性能，對(duì)材料的抗裂性能沒有改善。

輻板輥（A4）生產(chǎn)約1000件時(shí)輻板輥的合金化層產(chǎn)生小裂紋，裂紋垂直于焊道方向，但無掉塊，不影響車輪質(zhì)量。共生產(chǎn)1944件下線，下線后輻板輥的合金化層全部磨損，生產(chǎn)車輪數(shù)量接近平均水平。

3.2.2 B組試驗(yàn)

所有試驗(yàn)?zāi)＞呔捎行Ш辖饘?，表面硬度?65～485 HB的合金配方（試驗(yàn)?zāi)＞咝蛱?hào)為：B2,B4），表面有細(xì)小未熔硬質(zhì)合金點(diǎn)，不影響使用，處理后的模具尺寸滿足生產(chǎn)和裝配要求。

輻板輥（B1）共生產(chǎn)3500件下線，輻板輥（B2）生產(chǎn)件數(shù)2955件，在使用過程中合金化層有細(xì)小裂紋，裂紋方向垂直焊道，但未出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象，能夠滿足車輪的生產(chǎn)要求，兩對(duì)輻板輥生產(chǎn)車輪數(shù)量平均提高約44%。

軋邊輥（B3）使用時(shí)產(chǎn)生細(xì)裂紋但無掉塊，不影響車輪質(zhì)量，生產(chǎn)11824件下線，生產(chǎn)車輪數(shù)量提高約40%。軋邊輥（B4）使用時(shí)有合金化層剝離現(xiàn)象發(fā)生，剝離塊5 mm×5 mm厚約1 mm，影響車輪表面質(zhì)量，無法使用。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

1）激光合金化處理時(shí)基體材料表面不能有裂紋，氧化等缺陷。

2）芯棒表面合金化處理后對(duì)使用壽命沒有改善，下線后模具表面龜裂嚴(yán)重，表面合金強(qiáng)化不適用與以龜裂為主要失效方式的成形類模具。

3）表面合金化處理后裝配、表面尺寸、表面質(zhì)量及生產(chǎn)的車輪質(zhì)量滿足要求。

4）合金配方添加B元素，表面硬度控制在435～455 HB的合金化強(qiáng)化方案為較優(yōu)的合金化工藝，既能提高模具的使用壽命，又不會(huì)產(chǎn)生掉塊等影響車輪質(zhì)量的問題，處理后的模具生產(chǎn)車輪數(shù)量提高約40%。

3.4 生產(chǎn)應(yīng)用

模具表面合金強(qiáng)化使模具的成本增加，但合金強(qiáng)化使模具的單次使用壽命增加，從而減少了更換模具的次數(shù)，相應(yīng)減少了因停機(jī)更換模具而造成的燃?xì)?、?dòng)能的浪費(fèi)，按1年生產(chǎn)25萬件車輪計(jì)算，可以節(jié)省費(fèi)用約26.4萬元。另外，模具壽命的延長可提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少因停鍛造成的車輪偏心、缺肉等缺陷。

4 優(yōu)化模具尺寸和結(jié)構(gòu)提高模具壽命

車輪軋制是一種特殊的環(huán)件軋制，軋制過程中輻板輥除了擴(kuò)徑的成形功能外還承擔(dān)主動(dòng)輥的角色，電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輻板輥旋轉(zhuǎn)，再通過輻板輥與車輪接觸產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并與其他軋輥配合完成車輪的軋制。輻板輥中間的花鍵加工的難度較大，成本高，車輪鍛軋方案設(shè)計(jì)時(shí)在設(shè)備和工藝滿足的前提下盡量增加輻板輥的外徑D，通過增加輻板輥的修模次數(shù)和每次修模量來提高模具壽命，輻板輥修模示意圖如圖3所示。

圖3 輻板輥修模示意圖

芯棒的作用是在車輪預(yù)成形和成形工序中的壓制預(yù)制中心輪轂孔，為最終壓彎沖孔做準(zhǔn)備。芯棒的工作區(qū)域質(zhì)量占整個(gè)芯棒的份額較小，工作面以下的部分均為裝配功能，不參與車輪成形。因而在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將芯棒更改為組合式模具，將芯棒分為芯棒頭、芯棒座及起連接作用的半合瓦，如圖4所示。芯棒頭磨損嚴(yán)重不能滿足成形要求時(shí)進(jìn)行更換，而芯棒座作為通用模具可以用于多種車輪產(chǎn)品，能有效降低模具成本。

圖4 整體芯棒和組合式芯棒示意圖

5 改善模具的使用條件及維護(hù)水平

模具的工作環(huán)境、工作條件都會(huì)對(duì)模具的使用壽命造成很大的影響，模具使用中可從以下幾點(diǎn)來提高模具壽命。

1）模具預(yù)熱。生產(chǎn)過程中更換模具后或停鍛5 h以上時(shí)，須用火焰烘烤的方式對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱模具溫度為（200±50）℃。提高模具沖擊韌性的同時(shí)使鍛軋過程中車輪的熱損失減少，利于車輪成形。

2）良好的模具潤滑、冷卻。生產(chǎn)中每成形一個(gè)輪坯后，對(duì)模具進(jìn)行噴水冷卻、噴石墨、水混合劑潤滑，二者的有效噴淋時(shí)間不少于4 s。

3）通過控制除鱗機(jī)的水壓、旋轉(zhuǎn)角度、除鱗時(shí)間提高鋼坯氧化皮的去除率，避免鍛軋過程中硬質(zhì)的氧化皮對(duì)車輪模具的損壞。

4）模具使用、維護(hù)。生產(chǎn)中要勤觀察模具的使用狀況，模具生產(chǎn)車輪數(shù)量累計(jì)達(dá)到規(guī)定數(shù)量時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換、返修，不能過度使用。

結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，已將上述研究內(nèi)容固化到公司規(guī)章制度及作業(yè)指導(dǎo)中，作為一項(xiàng)管理制度來規(guī)范模具的使用和維護(hù)，提高模具的使用壽命。

6 結(jié)論

車輪鍛軋過程模具種類多，模具失效方式也各不相同，根據(jù)車輪鍛軋中不同模具的失效方式，分類研究，從模具堆焊強(qiáng)化及修復(fù)、模具表面合金強(qiáng)化、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)、改善模具的使用條件及維護(hù)水平四個(gè)方面進(jìn)行了提高車輪鍛軋模具壽命的研究，得出以下結(jié)論。

1）車輪鍛軋模具堆焊修復(fù)后影響模具的裝配精度，且堆焊金屬硬度較高、表面不平整，加工難度大，綜合成本不經(jīng)濟(jì)，不推薦使用。

2）表面合金化處理方案不適宜于以表面熱龜裂為主要失效方式的預(yù)成形、成形工序中使用的成形類模具。

3）表面合金強(qiáng)化處理以磨損為主要失效方式的輻板輥和軋邊輥后，處理后不影響模具的裝配，模具表面不需加工可直接使用。合金配方添加B元素，表面硬度控制在435～455 HB的合金化強(qiáng)化方案為較優(yōu)的合金強(qiáng)化工藝，既能提高模具的使用壽命，又不會(huì)產(chǎn)生掉塊等影響車輪質(zhì)量的問題，處理后的模具生產(chǎn)車輪數(shù)量提高約40%。

4）通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，解決了芯棒類模具材料浪費(fèi)，成本高的問題，

5）從設(shè)計(jì)角度將增加輻板輥的修模量和修模次數(shù)，有效提高輻板輥的壽命。

6）模具使用過程中的預(yù)熱，冷卻、潤滑及用后的返修管理均是影響模具壽命的重要因素，工廠應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際建立合理的使用、維護(hù)制度，以提高模具壽命。