原材料、溫度、導(dǎo)板對(duì)楔橫軋產(chǎn)品質(zhì)量的影響及工藝對(duì)策

文／張招，崔松松，石小猛，張軍改，陳琳·邯鄲峰馳精密制造有限公司，河北省楔橫軋技術(shù)創(chuàng)新中心

20 世紀(jì)60 年代，前捷克斯洛伐克發(fā)明了楔橫軋技術(shù)，并將該技術(shù)應(yīng)用于軸類(lèi)、五金工具的生產(chǎn)。1979年，北京科技大學(xué)胡正寰院士團(tuán)隊(duì)將楔橫軋技術(shù)成功用于五金工具的生產(chǎn)，正式開(kāi)啟了工業(yè)化之路。經(jīng)過(guò)40 余年的發(fā)展，楔橫軋工藝在軸類(lèi)件精密成形，長(zhǎng)桿類(lèi)鍛件制坯等方面取得了巨大的成功，發(fā)揮了楔橫軋工藝高效、節(jié)材、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械、五金工具等領(lǐng)域，尤其是汽車(chē)行業(yè)的齒輪軸和凸輪軸。

2010 年之后，隨著汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展，客戶對(duì)產(chǎn)品交付質(zhì)量的要求越來(lái)越高。楔橫軋生產(chǎn)過(guò)程中，由于原材料、加熱溫度、導(dǎo)板等因素的異常，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)折疊、疏松、卡料、過(guò)熱、過(guò)燒、尺寸不一致、劃痕、深坑等缺陷。這些缺陷不僅對(duì)質(zhì)量造成不良影響，還制約了生產(chǎn)的穩(wěn)定性，影響訂單的交付。如何消除這些質(zhì)量缺陷，提升生產(chǎn)穩(wěn)定性，尤為重要，本文將從原材料、溫度、導(dǎo)板三個(gè)方面，分析對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并提出有效的工藝對(duì)策。

原材料對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響及工藝對(duì)策

對(duì)楔橫軋工藝造成影響的原材料缺陷主要分兩類(lèi)：一類(lèi)是原材料的外觀缺陷，例如原材料裂紋、折疊、凹坑、端面不平整、縮頸、彎曲、橢圓等，這些原材料的外觀缺陷，在塑性成形時(shí)，會(huì)“遺傳”-到楔橫軋產(chǎn)品的表面；另一類(lèi)是原材料的內(nèi)部缺陷，例如夾雜、疏松等，也會(huì)導(dǎo)致楔橫軋產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷。原材料折疊和疏松是影響鍛件的主要因素，下面進(jìn)行重點(diǎn)分析。

原料材折疊

對(duì)于黑皮材圓鋼，偶爾會(huì)存在原材料折疊的情況，且在圓鋼狀態(tài)下不易發(fā)現(xiàn)。但在楔橫軋生產(chǎn)后，熱態(tài)、冷態(tài)、機(jī)加工后均可明顯看出，如圖1 所示。

圖1 原材料折疊軋制前后對(duì)比

措施：由于原材料折疊屬于熱軋圓鋼的缺陷，可在鋼材協(xié)議中要求光亮材(修磨材)交付，增加表面缺陷檢驗(yàn)。如果考慮成本因素，使用黑皮材，則應(yīng)在楔橫軋生產(chǎn)時(shí)對(duì)熱軸進(jìn)行100%外觀檢驗(yàn)，避免缺陷流入下一道工序。

原材料疏松

齒輪和齒輪軸是汽車(chē)變速箱的核心零部件，對(duì)心部強(qiáng)度、抗彎抗扭、沖擊韌性等力學(xué)性能要求很高，一般使用熱軋圓鋼。

熱軋齒輪鋼在連鑄過(guò)程中，由于拉速過(guò)快、過(guò)熱度偏高等因素，易造成鑄坯縮孔、疏松類(lèi)缺陷。且在后續(xù)熱軋過(guò)程中，如果始軋溫度、軋制比等軋制工藝參數(shù)不合適，無(wú)法將鑄坯缺陷焊合，這就會(huì)導(dǎo)致鋼材疏松。一般使用鋼棒相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)和低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法進(jìn)行疏松缺陷的檢驗(yàn)，鋼材疏松及檢驗(yàn)情況如圖2所示。

圖2 鋼材疏松及檢驗(yàn)情況

措施：楔橫軋工藝無(wú)法改善鋼材疏松情況，使用疏松的鋼材，一般會(huì)將缺陷傳到楔橫軋產(chǎn)品中。因此，一般在鋼材協(xié)議中要求軋制比不小于9，較大的軋制比可以使熱軋鋼材的變形深入心部，改善鑄坯缺陷，得到合格的鋼材。

加熱溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響及工藝對(duì)策

楔橫軋工藝生產(chǎn)軸類(lèi)件，一般使用中頻感應(yīng)加熱，加熱溫度與模鍛基本一致，一般要求1100 ～1200℃，不同材質(zhì)的鋼材要求有所差別。加熱溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致卡料、過(guò)熱過(guò)燒、尺寸不一致、中空疏松等缺陷。下面對(duì)卡料、過(guò)熱過(guò)燒、尺寸不一致等缺陷進(jìn)行重點(diǎn)分析。

卡料

當(dāng)加熱溫度低于工藝要求溫度，或未及時(shí)啟動(dòng)軋機(jī)、導(dǎo)致熱態(tài)原料被冷卻水降溫，會(huì)造成軋制力不足，導(dǎo)致卡料，如圖3 所示。當(dāng)溫度過(guò)高，導(dǎo)致原料變形抗力過(guò)小，而軋機(jī)轉(zhuǎn)速與摩擦條件不變，也會(huì)破壞旋轉(zhuǎn)條件，導(dǎo)致卡料。

圖3 卡料缺陷廢品

措施：使用測(cè)溫探頭+自動(dòng)三分選系統(tǒng)，可以有效地解決該問(wèn)題。測(cè)溫探頭可以測(cè)量每根出爐料段的溫度，并在自動(dòng)分選系統(tǒng)輸入溫度范圍，超過(guò)下限就會(huì)自動(dòng)將料段甩到低溫料架，超過(guò)上限會(huì)將料段甩到超溫料架。由于中頻出料一般采用快速鏈條將熱態(tài)料段快速帶出，存在一定程度的振動(dòng)，需要定期對(duì)測(cè)溫探頭進(jìn)行緊固，避免探頭的位置偏差。此外，需要定期使用測(cè)溫槍比對(duì)、校準(zhǔn)。

過(guò)熱和過(guò)燒

當(dāng)加熱溫度超過(guò)工藝要求溫度或在高溫下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)引起奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大，導(dǎo)致過(guò)熱缺陷。當(dāng)坯料加熱溫度超過(guò)了過(guò)熱溫度，還會(huì)引起氧化性氣體滲入晶界，使晶間物質(zhì)Fe、C、S 發(fā)生氧化，甚至晶界產(chǎn)生熔化，完全破壞晶粒間的結(jié)合，導(dǎo)致過(guò)燒缺陷，如圖4 所示。

圖4 過(guò)燒缺陷產(chǎn)品

措施：需要嚴(yán)格按照加熱規(guī)范，使用測(cè)溫探頭+自動(dòng)三分選裝置，對(duì)于分選出的超溫料段，必須報(bào)廢處理。

尺寸不一致

楔橫軋生產(chǎn)軸類(lèi)件，一般采用對(duì)稱(chēng)軋制，一軋二件、一軋四件、甚至一軋六件。比如，對(duì)于一軋四件產(chǎn)品，由于料段比較長(zhǎng)，在中頻加熱時(shí)，如果出現(xiàn)料段加熱溫度不均勻，則會(huì)導(dǎo)致四件的尺寸一致性較差，甚至出現(xiàn)尺寸超差的情況，如圖5 所示。

圖5 溫度不均勻?qū)е麓笈_(tái)軸向尺寸不一致

對(duì)于氣缸推料的中頻加熱設(shè)備(非連續(xù)進(jìn)料)，是導(dǎo)致該問(wèn)題的一個(gè)重要原因。料段在中頻爐內(nèi)加熱，當(dāng)料段靠近或超出爐口時(shí)，易導(dǎo)致一端溫度偏低。由于四件產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的模具在設(shè)計(jì)時(shí)是按照均勻的溫度工況原則，當(dāng)料段在中頻爐內(nèi)的擺放位置不合適時(shí)，溫度的不均勻就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸不一致。

中頻加熱時(shí)，當(dāng)料段靠近或超出入爐口、出爐口，就會(huì)導(dǎo)致溫度不均勻，如圖6(a)所示。應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸限位的位置和料段數(shù)量，使得首、尾料段均在爐內(nèi)，且距離爐口50mm 以上，避免散熱降溫過(guò)快，保證溫度均勻，如圖6(b)所示。

圖6 料段在中頻爐的擺放

導(dǎo)板對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響及工藝對(duì)策

二輥立式楔橫軋軋機(jī)有上、下兩個(gè)軋輥，上輥安裝上模具，下輥安裝下模具，前后有兩個(gè)導(dǎo)板，用于控制軋件，在生產(chǎn)時(shí)防止軋件的擺動(dòng)，保證軋制過(guò)程的穩(wěn)定。軋輥、模具、軋件、導(dǎo)板的位置關(guān)系如圖7 所示。

圖7 軋輥、軋件和導(dǎo)板的位置關(guān)系

劃痕缺陷

劃痕缺陷就是產(chǎn)品外圓面上的溝狀缺陷，一般發(fā)生在產(chǎn)品的大臺(tái)外圓上，如圖8(a)所示。劃痕是在軋制過(guò)程中，導(dǎo)板上粘的料冷卻變硬之后，劃傷了正在旋轉(zhuǎn)成形的熱軸外圓。只有避免在塑性成形中，導(dǎo)板將熱軸表面的料刮下來(lái)，才能避免料粘在導(dǎo)板上，導(dǎo)致劃痕缺陷。穩(wěn)定的軋制過(guò)程，前后導(dǎo)板位置不在同一水平線上，應(yīng)該是軸件的外圓面貼到導(dǎo)板的中間部位，如圖8(b)所示。

圖8 劃痕缺陷及導(dǎo)板位置

當(dāng)導(dǎo)板調(diào)整的高度位置不合理，熱軸的外圓面接近導(dǎo)板上下邊緣時(shí)，易導(dǎo)致刮料，對(duì)于這種情況，需要調(diào)整導(dǎo)板上、下高度。當(dāng)上、下模具對(duì)軋件的作用力相差較大，使得熱態(tài)軋件緊貼一側(cè)導(dǎo)板且受力較大時(shí)，也易導(dǎo)致軋件表面的料粘到導(dǎo)板上，進(jìn)而產(chǎn)生劃痕。這時(shí)，需要采取調(diào)整相位、導(dǎo)板的前后位置、修理模具成形面等方法，避免軋件與單側(cè)導(dǎo)板作用力過(guò)大。另外，導(dǎo)板的表面硬度也很關(guān)鍵，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用D322 焊條堆焊，磨床加工，其硬度超過(guò)60HRC，磨損較慢，能夠減少粘料情況的發(fā)生。

深坑缺陷

深坑缺陷可能發(fā)生在軋件任意臺(tái)階，往往在拋丸后顯現(xiàn)出來(lái)。深坑缺陷和劃痕缺陷產(chǎn)生的根源相同。由于軋制過(guò)程中一直澆水冷卻，粘在導(dǎo)板上的料一般都為冷態(tài)，當(dāng)粘在導(dǎo)板上的料掉落，就會(huì)壓入到熱軸的表面，如圖9(a)所示。在拋丸鋼砂的作用下，粘在軸件表面的料就會(huì)掉落，形成深坑缺陷，如圖9(b)所示。解決方法與解決劃痕缺陷的方法相同，只有避免導(dǎo)板刮下熱軸表面的料，才能解決深坑缺陷。

圖9 導(dǎo)板粘料導(dǎo)致的深坑缺陷

結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了由于楔橫軋模具參數(shù)異常導(dǎo)致軸件的尺寸、外觀和心部出現(xiàn)尺寸超差、疏松、中空、橢圓、切皮、壓痕、螺旋痕、縮徑、缺邊、折疊、渦心和彎曲等缺陷。詳細(xì)分析了各種缺陷產(chǎn)生的原因并提出了明確的模具參數(shù)優(yōu)化方法，有效控制了楔橫軋工藝的產(chǎn)品質(zhì)量，有力推動(dòng)了楔橫軋技術(shù)的推廣與應(yīng)用。