提高车轮锻轧模具使用寿命的研究

刘华堂，周 伟

（太原重工轨道交通设备有限公司，山西 太原 030032）

在锻压生产中，锻模的寿命直接关系到锻件的产量、质量和成本，锻模费用一般占锻压件成本的35%～40%”[1]。在车轮锻轧过程中，模具的工作条件十分恶劣，除了承受巨大的冲击载荷、金属沿锻模型腔表面流动发生的强烈摩擦外，锻模工作表面还反复受热与冷却，形成热疲劳应力，造成模具容易因磨损、变形而失效。

模具的磨损、变形会直接影响车轮毛坯质量的稳定性和可靠性，需及时下线返修，影响生产节奏和增加劳动强度，制约生产效率。同时为了保证正常的生产往往需要库存模具，给公司资金流造成压力，因此提高模具使用寿命可以有效提高生产效率，降低生产成本。

1 车轮模具主要失效形式

热锻模的基本失效形式：磨损、裂纹（主要有热疲劳裂纹、热龟裂和机械疲劳裂纹）、塑性变形、脆性破坏[2]。车轮制造方法有铸造法、模锻法、模锻-轧制法[3-4]，太重车轮二线火车轮生产采用模锻-轧制法生产，其完整的热成形工艺包括预成形、成形、轧制、冲孔和压弯。

车轮预成形、成形过程使用的成形类模具的主要失效方式为表面磨损及表面龟裂,尤其是芯棒类，工作时承受的压力大和温度高,模具的磨损和热龟裂严重。车轮轧制过程所用的辐板辊、轧边辊、导向辊等轧辊的主要失效方式为磨损。

模具寿命是一定时期内模具材料性能、模具设计和制造水平、模具的热处理技术以及模具维护水平的综合反映，本文结合生产实际，根据不同模具的失效方式，从模具堆焊强化及修复研究、模具表面强化、提高模具的设计和制造水平、改善模具的使用条件及维护水平四点出发进行提高模具寿命的研究。

2 模具堆焊强化及修复研究

堆焊是用焊接的方法在零件表面堆敷一层具有一定特殊性能合金材料的工艺过程，其目的在于使表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的堆敷金属，或是为了恢复和增加工件的尺寸[5]。通过用堆焊的方法恢复报废模具的尺寸来研究堆焊提高模具寿命及修复模具的可行性，堆焊的主要流程包括：模具表面清理、模具堆焊前预热、堆焊、热处理及机加工工序。

车轮锻轧模具的主要失效方式为磨损和表面裂纹，报废模具进行补焊前需要将工作区域的热烈纹彻底清理，需要去除厚度约为10～15 mm。选取体积较小、材质为5CrMnMo的冲头和下斜辊进行修复研究。

冲头的工作区域和磨损区域为刃口处，为节省焊材只对模具的刃口区域进行加工，加工出约15 mm×15 mm的环形槽，将磨损区域的所有缺陷去除后进行堆焊，冲头形状及堆焊后的形貌如图1所示。将下斜辊工作面的缺陷，包括裂纹、氧化等完全去除后进行堆焊。实验均选择与5CrMnMo材质相近的铬镍钼合金焊材进行焊接，对修复后模具的工作面进行硬度检测，硬度范围为：385～410 HB。

图1 冲头磨损区域、修复加工区域示意图及修复后的实物图（mm）

通过实验跟踪，结合生产实际从成本、模具装配要求、堆焊后加工几方面将车轮锻轧模具的堆焊存在的问题总结如下：

1）对于体积大的模具，例如成形模，成形环、压弯模等，工作面较大，补焊时所需焊材较多，且基材材质为45钢，新制模具价格较低，堆焊修复综合成本不经济。

2）堆焊的金属硬度较高且表面不平整，加工难度大，效率低。

3）堆焊前的预热、焊后热处理,会造成装配部位金属氧化和装配内孔、螺纹及花键的变形，影响模具的装配精度。

综合考虑，不推荐通过堆焊的方式对车轮锻轧模具强化和修复来提高模具寿命。

3 模具表面强化研究

激光表面合金化是一种通过改变材料表面成分来实现激光表面改性的技术。应用激光辐照加热工件，使之熔化至所需深度，同时添加适当的合金化元素来改变基材表面组织，形成新的非平衡微观结构从而提高材料的耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀性能。激光表面合金化过程中热效应只是集中在材料表面很薄的局部区域内，总的热输入低，工件热变形小甚至基本无变形，能够保证模具表面强化后的装配要求。

3.1 试验方案设计

共进行了两组试验，第一组试验对模具材料的成份分析以选择合金配方，选择了新旧预成形芯棒各一件验证表面合金化对模具表面质量的要求，选取预成形芯棒和轧机辐板按相同工艺进行处理，验证不同类模具的处理效果。第二组试验在第一组试验结论的基础上重点研究轧辊合金化的效果，合金配方中加入B元素以提高合金化层的红硬性，设计了两种硬度范围进行效果对比，试验的方案设计及模具选取见表1。

表1 模具表面合金化试验方案设计及模具选取

3.2 试验过程

3.2.1 A组试验

返修后的芯棒（A2）表面有细小裂纹，激光处理过程中裂纹会扩展，无法在基体和合金化层之间形成有效的冶金结合，返修后的上芯棒无法形成有效熔覆层，无法使用。其余模具A3和A4表面形成了有效和合金化层，合金化层厚度约0.5 mm，合金化处理过程对模具的尺寸、表面质量及装配尺寸无影响，可满足装配及生产要求，处理后的模具实物形貌如下页图2所示。

图2 表面合金化处理后的模具实物形貌

预成形上芯棒（A3）生产2325件后下线，磨损比较严重，芯棒头龟裂严重。主要原因为成形类模具承受压应力，主要失效方式为龟裂，而模具表面合金化可有效提高模具的耐磨性能，对材料的抗裂性能没有改善。

辐板辊（A4）生产约1000件时辐板辊的合金化层产生小裂纹，裂纹垂直于焊道方向，但无掉块，不影响车轮质量。共生产1944件下线，下线后辐板辊的合金化层全部磨损，生产车轮数量接近平均水平。

3.2.2 B组试验

所有试验模具均可有效合金层，表面硬度为465～485 HB的合金配方（试验模具序号为：B2,B4），表面有细小未熔硬质合金点，不影响使用，处理后的模具尺寸满足生产和装配要求。

辐板辊（B1）共生产3500件下线，辐板辊（B2）生产件数2955件，在使用过程中合金化层有细小裂纹，裂纹方向垂直焊道，但未出现掉块的现象，能够满足车轮的生产要求，两对辐板辊生产车轮数量平均提高约44%。

轧边辊（B3）使用时产生细裂纹但无掉块，不影响车轮质量，生产11824件下线，生产车轮数量提高约40%。轧边辊（B4）使用时有合金化层剥离现象发生，剥离块5 mm×5 mm厚约1 mm，影响车轮表面质量，无法使用。

3.3 试验结论

1）激光合金化处理时基体材料表面不能有裂纹，氧化等缺陷。

2）芯棒表面合金化处理后对使用寿命没有改善，下线后模具表面龟裂严重，表面合金强化不适用与以龟裂为主要失效方式的成形类模具。

3）表面合金化处理后装配、表面尺寸、表面质量及生产的车轮质量满足要求。

4）合金配方添加B元素，表面硬度控制在435～455 HB的合金化强化方案为较优的合金化工艺，既能提高模具的使用寿命，又不会产生掉块等影响车轮质量的问题，处理后的模具生产车轮数量提高约40%。

3.4 生产应用

模具表面合金强化使模具的成本增加，但合金强化使模具的单次使用寿命增加，从而减少了更换模具的次数，相应减少了因停机更换模具而造成的燃气、动能的浪费，按1年生产25万件车轮计算，可以节省费用约26.4万元。另外，模具寿命的延长可提高生产效率，降低劳动强度，减少因停锻造成的车轮偏心、缺肉等缺陷。

4 优化模具尺寸和结构提高模具寿命

车轮轧制是一种特殊的环件轧制，轧制过程中辐板辊除了扩径的成形功能外还承担主动辊的角色，电机主轴旋转带动辐板辊旋转，再通过辐板辊与车轮接触产生的摩擦力带动车轮转动，并与其他轧辊配合完成车轮的轧制。辐板辊中间的花键加工的难度较大，成本高，车轮锻轧方案设计时在设备和工艺满足的前提下尽量增加辐板辊的外径D，通过增加辐板辊的修模次数和每次修模量来提高模具寿命，辐板辊修模示意图如图3所示。

图3 辐板辊修模示意图

芯棒的作用是在车轮预成形和成形工序中的压制预制中心轮毂孔，为最终压弯冲孔做准备。芯棒的工作区域质量占整个芯棒的份额较小，工作面以下的部分均为装配功能，不参与车轮成形。因而在模具结构设计时将芯棒更改为组合式模具，将芯棒分为芯棒头、芯棒座及起连接作用的半合瓦，如图4所示。芯棒头磨损严重不能满足成形要求时进行更换，而芯棒座作为通用模具可以用于多种车轮产品，能有效降低模具成本。

图4 整体芯棒和组合式芯棒示意图

5 改善模具的使用条件及维护水平

模具的工作环境、工作条件都会对模具的使用寿命造成很大的影响，模具使用中可从以下几点来提高模具寿命。

1）模具预热。生产过程中更换模具后或停锻5 h以上时，须用火焰烘烤的方式对模具进行预热，预热模具温度为（200±50）℃。提高模具冲击韧性的同时使锻轧过程中车轮的热损失减少，利于车轮成形。

2）良好的模具润滑、冷却。生产中每成形一个轮坯后，对模具进行喷水冷却、喷石墨、水混合剂润滑，二者的有效喷淋时间不少于4 s。

3）通过控制除鳞机的水压、旋转角度、除鳞时间提高钢坯氧化皮的去除率，避免锻轧过程中硬质的氧化皮对车轮模具的损坏。

4）模具使用、维护。生产中要勤观察模具的使用状况，模具生产车轮数量累计达到规定数量时应及时进行更换、返修，不能过度使用。

结合生产经验，已将上述研究内容固化到公司规章制度及作业指导中，作为一项管理制度来规范模具的使用和维护，提高模具的使用寿命。

6 结论

车轮锻轧过程模具种类多，模具失效方式也各不相同，根据车轮锻轧中不同模具的失效方式，分类研究，从模具堆焊强化及修复、模具表面合金强化、优化模具设计、改善模具的使用条件及维护水平四个方面进行了提高车轮锻轧模具寿命的研究，得出以下结论。

1）车轮锻轧模具堆焊修复后影响模具的装配精度，且堆焊金属硬度较高、表面不平整，加工难度大，综合成本不经济，不推荐使用。

2）表面合金化处理方案不适宜于以表面热龟裂为主要失效方式的预成形、成形工序中使用的成形类模具。

3）表面合金强化处理以磨损为主要失效方式的辐板辊和轧边辊后，处理后不影响模具的装配，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的合金化强化方案为较优的合金强化工艺，既能提高模具的使用寿命，又不会产生掉块等影响车轮质量的问题，处理后的模具生产车轮数量提高约40%。

4）通过优化模具结构，解决了芯棒类模具材料浪费，成本高的问题，

5）从设计角度将增加辐板辊的修模量和修模次数，有效提高辐板辊的寿命。

6）模具使用过程中的预热，冷却、润滑及用后的返修管理均是影响模具寿命的重要因素，工厂应结合生产实际建立合理的使用、维护制度，以提高模具寿命。