輾壓模具的設(shè)計與壽命的提高

魏 鑾，李 丹

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

精密冷輾技術(shù)是在常溫下將環(huán)形回轉(zhuǎn)類零件進行擠壓產(chǎn)生塑性變形而得到成品件的一種冷加工成形方法，是機械精密軋制技術(shù)與精密塑性成形技術(shù)的集成創(chuàng)新，具有顯著的節(jié)能、節(jié)材、降低生產(chǎn)成本和提高零件性能等突出優(yōu)點。我公司的PCR系列冷輾機(PCR90，PCR120，PCR230等)工作原理為：主傳動帶動輾輪旋轉(zhuǎn)，芯軸插入工件孔后由進給裝置通過支承輪推動芯軸將工件壓向輾輪，從而實現(xiàn)工件的輾壓加工。

1 輾壓模具的設(shè)計

輾輪和芯軸為冷輾機的模具，其質(zhì)量和精度直接影響工件的質(zhì)量與精度，結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。輾輪主要控制工件外表面形狀成形，而芯軸主要控制工件內(nèi)表面形狀成形。

模具設(shè)計包括幾何尺寸設(shè)計和材料的選擇，是冷輾工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定冷輾工藝的優(yōu)劣。

圖1 輾輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 芯軸結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 幾何尺寸的設(shè)計

幾何尺寸設(shè)計主要是模具外形尺寸和型槽的形狀尺寸設(shè)計，主要考慮冷輾件的形狀、成形和模具壽命等因素。同型號機床的模具安裝尺寸一般不變。芯軸外徑尺寸依據(jù)所要加工的毛坯孔徑尺寸和芯軸強度要求確定，型槽形狀尺寸主要根據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)表面設(shè)計；輾輪外形面尺寸根據(jù)產(chǎn)品的外表面設(shè)計，輾輪的外徑尺寸由芯軸外徑尺寸、毛坯壁厚尺寸和機床模具中心距得出,并受機床安裝尺寸限制。當冷輾機床型號確定后，模具中心距受機床結(jié)構(gòu)限制，取值在某一范圍內(nèi)。

輾壓開始與結(jié)束時模具(輾輪與芯軸)與工件毛坯之間的位置關(guān)系如圖3所示。圖中，R1為輾輪型槽底部半徑；R為輾輪半徑；r為芯軸半徑；b為毛坯壁厚；M1為輾壓開始時輾輪與芯軸的中心距；M2為輾壓結(jié)束時輾輪與芯軸的中心距；H為輾壓開始時模具的間隙；h為輾壓結(jié)束時模具的間隙；f1為輾壓開始時毛坯與輾輪的間隙；f2為輾壓開始時毛坯與芯軸的間隙。f1的取值與冷輾工藝有關(guān)，一般不宜過大，毛坯精度較差時f1可取為零；f2的取值與毛坯精度有關(guān)，毛坯精度高f2取值小。輾輪與芯軸的中心距在輾壓過程中是變化的，Mmin為冷輾機限定的最小模具中心距；Mmax為冷輾機限定的最大模具中心距；r′為芯軸最大半徑。模具設(shè)計時應(yīng)滿足以下關(guān)系：

R1+r′+b+f1+f2=M1

(1)

R+r+d=M2>Mmin

(2)

d>0

(3)

M1>M2

(4)

由(1)～(4)式可推算出輾輪外徑尺寸，在允許范圍內(nèi)輾輪外徑尺寸盡量選取大值，這樣輾輪可以多次翻新，以降低生產(chǎn)成本。

圖3 輾壓開始與結(jié)束時模具與工件位置關(guān)系示意圖

模具型槽間寬度的配合以及與毛坯寬度的配合也十分關(guān)鍵。套圈輾擴成形及模具型槽結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中，A為芯軸型槽寬度；B為輾輪型槽寬度；L為毛坯、輾擴成形工件寬度；t為毛坯端面倒角的高度、寬度；R為輾擴成形工件的溝槽半徑；RW為外端面倒角弧半徑；Rn為內(nèi)端面倒角弧半徑；R1，R2為輾輪型槽過渡圓角；r1，r2，r3，r4為芯軸型槽過渡圓角；D為輾輪型槽有效擋邊深度；d1為芯軸型槽擋邊深度；d2為芯軸型槽中凸模高度；d為芯軸型槽有效擋邊深度，d=d1-d2；d3為輾擴成形工件的溝槽深度；α為芯軸型槽擋邊傾角；β為輾輪型槽擋邊傾角；γ為外端面倒角與水平面所成角度；ε為外端面倒角與垂直面所成角度；θ為內(nèi)端面倒角與水平面所成角度；δ為內(nèi)端面倒角與垂直面所成角度；T為輾擴成形工件外端面倒角高度；T′為輾擴成形工件外端面倒角寬度；T1為輾擴成形工件內(nèi)端面倒角高度；T′1為輾擴成形工件內(nèi)端面倒角寬度。

圖4 套圈毛坯、輾擴成形及模具型槽結(jié)構(gòu)

模具型槽側(cè)壁為擋邊，擋邊一般帶有不小于3°的傾角以保證毛坯順利進入模具且輾擴中不產(chǎn)生毛刺，芯軸與輾輪擋邊傾角大小可以不同。毛坯在模具中一般要以輾輪或芯軸為基準定位，為保證端面倒角精度，模具型槽有效擋邊深度要大于產(chǎn)品的端面倒角高度，即D>T,d>T1。一般輾輪型槽有效擋邊深度為2.5～5 mm，芯軸型槽有效擋邊深度為0～3 mm。輾輪為定位基準時，輾輪型槽底部寬度可以略小于毛坯寬度以利于毛坯在輾輪中定位，這樣易于保證輾壓成形工件的精度。毛坯寬度尺寸公差大時一般采用芯軸定位，輾輪型槽底部寬度保證毛坯在型槽內(nèi)活動余量不大即可，一般底部型槽寬度取值與毛坯寬度相等。芯軸型槽上部寬度等于或略大于輾輪型槽上部寬度。

1.2 材料的選擇

模具選取材料時應(yīng)考慮生產(chǎn)批量、材料性能、生產(chǎn)、使用情況等。輾壓模具輾輪和芯軸要求強度高、耐磨、變形小且壽命長，一般采用冷作模具鋼如Cr12MoV，LD(7Cr7Mo3V2Si)等。Cr12MoV為高碳、高鉻類型萊氏體鋼，具有良好的淬透性，且具有很高的耐磨性，易采購、性價比高，應(yīng)用普遍，冷輾模具中輾輪材料多選Cr12MoV。LD(7Cr7Mo3V2Si)鋼碳含量低，硬度高又具有較好韌性，冷輾模具中芯軸采用了LD(7Cr7Mo3V2Si)鋼。

2 模具主要失效形式及性能要求

輾輪主要失效形式有磨損、塑性變形、疲勞破壞等。冷輾工件時，輾輪工作表面與工件毛坯相對運動，產(chǎn)生摩擦磨損和黏著磨損，可能產(chǎn)生塑性變形和疲勞裂紋。因此，要求輾輪有較高的耐磨性、抗黏性和低的表面粗糙度值，較高的硬度和抗疲勞強度能力。

芯軸的主要失效形式有磨損、塑性變形和斷裂。冷輾時芯軸與工件接觸，承受壓力、沖擊力及摩擦力，因此，要求芯軸既有高的硬度和耐磨性，又要有足夠的韌性。

模具失效的原因很多，涉及的技術(shù)面很廣，但通過優(yōu)化設(shè)計、合理選材材料、改進加工(加工工藝、熱處理工藝)工藝、合理使用等可以顯著提高模具壽命。

3 提高模具壽命的措施

在實際冷輾生產(chǎn)中，模具的壽命直接關(guān)系到生產(chǎn)的效率和成本，根據(jù)模具在使用中出現(xiàn)的失效問題，分析后提出以下提高模具壽命的措施[1]：

(1)合理擬定冷輾壓工藝。工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合冷輾壓工藝性的要求；合理設(shè)計冷輾件和毛坯；提高潤滑質(zhì)量。

(2)合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)。合理設(shè)計模具的尺寸結(jié)構(gòu)，保證毛坯在模具中的定位；控制模具精度，減小輾壓時的振動；盡量避免截面的急劇變化，以減小應(yīng)力集中，對于截面急劇變化的，應(yīng)以較大的圓角半徑和錐度過渡。模具的幾何形狀應(yīng)有利于金屬的變形和流動，盡可能地減小工件表面粗糙度值。

(3)合理選擇模具材料。依據(jù)輾輪的制造斷面較大、形狀復(fù)雜、耐磨性要求高、承受較大沖擊載荷的特點，輾輪制造材料選用了Cr12MoV鋼。新型LD(7Cr7Mo3V2Si)冷作模具鋼與Cr12MoV鋼相比具有強度高，韌性好，耐磨損，冷熱加工工藝性能優(yōu)良，淬火溫度范圍寬，熱處理變形小等特點。而芯軸型槽形狀較復(fù)雜，工作中承受較大壓力和沖擊力，特別對于長徑比大的芯軸，韌性要求高，因此，芯軸材料選用了LD(7Cr7Mo3V2Si)鋼。

(4)改善模具的熱處理和表面處理工藝。完善和嚴格控制熱處理工藝，加熱要均勻，回火要充分；模具使用一段時期后進行一次應(yīng)力退火，以消除疲勞應(yīng)力；采用表面強化處理(如化學(xué)熱處理、高能束表面強化等)，提高模具耐磨性、抗黏性和抗疲勞強度性能。

(5)完善模具加工工藝。對于組織不完善，晶粒粗大的模具毛坯采用三方六面墩拔法反復(fù)鍛造，把碳化物不均勻度控制在3級以內(nèi)，同時應(yīng)注意加工精度并保持形狀的準確性。

(6)正確使用、維護和保管模具。正確安裝和調(diào)整模具，使模具處于最佳工作狀態(tài)；采用合適的支承距離，以減少芯軸支承跨距；保持模具工作表面的清潔；按照規(guī)程正確送料，防止因誤送料引起模具損壞；合理潤滑和冷卻。

4 結(jié)束語

輾輪和芯軸組成的冷輾機模具，是冷輾機生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的關(guān)鍵，其合理的設(shè)計與應(yīng)用將大幅度降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。