轧制温度对楔横轧件成形质量的影响

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

轧制温度对楔横轧件成形质量的影响

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

楔横轧是一种节能环保、高效清洁的轴类零件近净成形技术，是先进成形制造科学技术的重要组成部分。与传统轴类零件生产方法——锻造、切削比较，楔横轧工艺具有高效、节材、生产效率高、劳动强度低、环保、节能等优点。其基本原理是，将加热后的棒材送入两个同向旋转的带有楔形凸起的模具中间，棒材在模具的带动下，作与模具反向的回转运动，同时材料发生径向压缩变形和轴向延伸的塑性变形，从而成形阶梯轴类零件，如图1所示。

图1 楔横轧原理示意图

楔横轧件质量的好坏虽然取决于诸多因素，但是合理选择温度对控制轧件质量也至关重要。河北东安精工股份有限公司是一家拥有10台楔横轧机、年产量达2万吨的楔横轧专业化生产厂家，经过多年的生产实践，总结出轧制温度对楔横轧产品质量的影响。

温度对工件尺寸的影响

对工件尺寸的综合影响

绝大部分物质都具有热胀冷缩的物理特性，金属更是如此，在加热时，金属材料的尺寸要增大，在冷却过程中，金属的尺寸要缩小，收缩量和收缩后的尺寸之比，称为收缩率或冷缩率。由于楔横轧成形是高温下的热加工工艺，冷却后因材料的冷缩现象，其尺寸会比成形时小。因此，在设计楔横轧模具孔腔时，应加上一个收缩量，即其尺寸要比楔横轧毛坯件对应部分的尺寸大些。如果轧制温度超过了模具设计时收缩率对应的温度，轧件冷却后的尺寸小于设计毛坯尺寸，会造成尺寸不符合图纸规范。所以，轧件在常温下的尺寸，不仅取决于模具孔型的设计尺寸，而且受实际轧制温度影响，如果温度过高会造成轧件尺寸不足，产生废品。

图2 长工件温度及尺寸变化分布

对长工件不同部位尺寸的影响

楔横轧成形过程一般是从轧件坯料长度的中心位置开始起楔轧制，如图2所示，共6件产品，从中心向左右两端温度依次下降，尺寸依次增大。随着轧机轧辊和轧件坯料的不断转动，轧件坯料不断被径向压缩和轴向拉伸，至轧制终了，温度会比轧制开始温度降低一定数值。也就是说，工件中间部位和两端部位轧制温度是不均等的。如果一模多件楔横轧产品，冷却后，位于模具中间部位的轧件尺寸会比位于模具边部的轧件尺寸小，轧件越长，温降越大，中、边部尺寸相差越大，会造成中间部位尺寸小而报废。因此，一般在设计长工件模具时，应考虑温度影响，对模具各部分的尺寸采取措施，尤其是一轧多件的长工件模具设计，其中间部位的孔型尺寸要比两端部位孔型尺寸大一些，以确保各轧件尺寸都符合技术规范。

温度对表面质量的影响

温度过高引起氧化铁皮垫坑

金属在加热时容易发生表面氧化，产生氧化铁皮，坯料在轧制时因上下模具的辗压，使轧件表面的氧化铁皮脱落，掉到导板上，继而又被辗压到工件表面，形成氧化铁皮垫坑，如果氧化铁皮垫坑超过规范要求，将造成废品，如图3所示。

图3 氧化皮垫坑

轧制温度过低造成料头开裂

金属的延展性随着温度的升高而增强，由于轧制过程中，工件轴向中间部位和两端料头部位存在轧制温差，使得料头部位因温度降低，使其金属延展性变差，金属变形抗力增大。如果轧制温度控制较低，轧件较长，至轧制料头端时，其变形抗力增大，极易造成料头开裂，见图4。

图4 料头开裂

轧制温度过低造成卡钢

和以上同样的原因，在温度过低时，因金属变形抗力过大，坯料转动受阻，难以成形而被卡在轧辊中间，亦即卡钢。

轧制温度过高造成卡钢

由于温度过高，金属的强度和硬度都会降低，金属材料变软，工件旋转时被压扁而卡钢，见图5。温度控制不好，还会造成工件弯曲。

图5 卡钢

温度对内在质量的影响

温度对轧件疏松与中空的影响

⑴楔横轧工艺生产的产品，在中心部位出现破裂现象。用低倍显微镜观察，可以看到许多彼此不相连接的小裂口带，人们常常称这种状态为“疏松”。

图6 中心疏松4级图片

⑵中空。以上疏松裂口继续发展，金属组织便产生连续性破坏，形成不规则的中心空洞，即为“中空”，见图7。

图7 中空横断面图

产生疏松中空的原因

前苏联学者斯米尔诺夫较早研究了横轧轧件中疏松、中空等缺陷产生的原因，他认为孔腔是由轧件心部存在三向拉应力引起的。采里柯夫等认为内部缺陷是由于轧件变形过程中过大的拉应力积累，他们发现，随着工件的旋转，变形工件中心区的拉应力增加，这可能引起中心孔腔的形成和进一步扩展。日本的团野敦和粟野泰吉进一步发现孔腔的大小随着工件旋转而增加，并认为孔腔是由轧件中心区的交变拉应力和剪应变所导致的。

温度过高引起疏松和中空

随着加热温度的增高，坯料奥氏体晶粒迅速长大，金属强度降低，在工件轧制成形时，金属内部晶粒之间的结合力被破坏，造成疏松，严重时形成中空。当温度升高到一定程度，其晶界将被熔化，使工件过烧，导致工件报废，见图8。

图8 过烧工件

温度过低也会引起疏松和中空

温度过低，金属的塑性变差，变形抗力增加，当金属的原子间力不能抵挡变形抗力时，金属内部会出现微裂纹，形成疏松，甚至是中空。

结束语

以上通过生产实践总结了在模具设计合理，原材料合格的前提下，轧制温度对楔横轧产品质量的影响，并提供以下建议：

⑴根据工件长短选择合适的温度。工件越长，宜选择较高的温度；工件越短，宜选择较低的温度。

⑵根据工件形状选择合适的温度。变形量较大的工件，宜选择较高的温度，变形量较小的工件，宜选择较低的温度。

⑶根据化学成分合理控制温度。对于导热性较差的材料，宜选择较小的加热速度；对于夹杂严重的材料宜选择较低的温度。

张军改，高级工程师，河北东安精工股份有限公司技术副总监，全国锻压标准化技术委员会（SAC/TC74）委员，主要从事楔横轧相关的研发、设计技术管理等工作。