較大壁厚模輥出現的質量問題分析及改進對策

摘 要：模輥廣泛應用于生活用紙（嬰兒尿褲、成人紙尿褲）、醫療（創口貼、一次性圍裙）、煙草（包裝盒）、一次性鞋墊等產品外形模切。文章介紹了較大壁厚模輥常規生產工藝及其生產過程中存在的質量問題：模輥產品質量不穩定，容易產生裂紋；熱處理后通過金相分析發現輥體晶粒粗大、金相組織不均勻。結合具體生產工藝和實踐經驗，對其原因進行了分析，并提出了相應的改進對策。

關鍵詞：模輥；晶粒粗大；組織不均勻；裂紋

引言

模輥廣泛應用于生活用紙（嬰兒尿褲、成人紙尿褲）、醫療（創口貼、一次性圍裙）、煙草（包裝盒）、一次性鞋墊等產品外形模切。模輥總成由切輥和砧輥裝在同一模架上呈上、下分布（見圖1），兩輥外圓柱面以一定壓力接觸，以相同線速度旋轉對壓，由分布在切輥圓周上的刃形擠壓砧輥，完成置于兩輥之間的產品外形模切。由于其是通過上下輥旋轉對壓的方式完成產品外形模切，與傳統沖壓模線性沖裁的工作方式相比，具有加工效率高、使用壽命長（模切壓力小且可以多次修磨）的特點。輥的材料大多為高速鋼（如W6Mo5Cr4V2）、粉末合金（如T15、S705）、硬質合金等高合金工具鋼，具有硬度高、切削加工難、價格昂貴等特點。

模輥與輥軸通常以過盈配合（H7/g6）方式裝配，輥軸兩軸承位外圓安裝軸承，相應的軸承座安裝在模架上，若干組模架以一定順序組成一條生產流水線。由產品的尺寸及流水線、刀架和模輥的結構確定了模輥的設計尺寸，模輥外徑D1一般為150mm-200mm及以上，輥軸軸承位段外圓直徑D2一般為50mm-70mm，根據模輥外徑D1和輥軸軸承位段外圓直徑D2及考慮到模輥內孔的加工和熱處理變形等因素，通常把模輥的裝配內孔直徑d工藝尺寸設計為60mm-70mm，模輥的壁厚δ=D1/2-d/2，壁厚δ一般會達到45mm以上（相對輥體本身尺寸，壁厚較大）。

1 模輥常規生產工藝及生產過程中存在的質量問題

1.1 模輥常規生產工藝流程

模輥由于產品材料、外形及工藝的多樣性和復雜性，在八十年代之前我們國家的模輥制造技術是空白的，需要依靠進口，到八十年代末國內一些企業如福建省三明工模具廠等開始嘗試設計生產，經過模輥行業前輩們不斷鉆研和改進，到目前模輥已經形成了較為成熟的生產工藝，一般生產工藝流程為：

下料（根據模輥的外形尺寸從長圓柱形棒材鋸下坯料）？圯車削（加工坯料內孔、外圓和端面）？圯銑削？圯鉗工鉆孔攻牙？圯熱處理（淬火、回火）？圯磨削端面和內孔？圯熱套裝配？圯磨削外圓？圯清洗、防銹？圯包裝

1.2 生產過程中出現的問題

（1）模輥產品質量不穩定，容易產生裂紋，導致報廢。（2）熱處理后通過金相分析發現晶粒粗大、金相組織不均勻。

2 原因分析

從模輥產品容易產生裂紋、晶體組織較為粗大和金相組織不均勻問題本身入手，根據實踐經驗并參考了相關資料，初步判斷與模輥產品本身的結構和熱處理工藝有關，模輥上設計的一些螺紋孔和裝配鍵槽，在切削過程和熱處理環節都會產生應力集中，容易產生裂紋。但模輥本身的螺紋孔和裝配鍵槽結構是客戶的需求和裝配的需要，除了在加工過程中把螺紋孔和鍵槽結構存在的尖角倒成較為光滑過渡的圓角外，可以減小一點切削應力，在輥體結構上可改進的空間有限。

模輥的淬火工序需要經過加熱、保溫和冷卻等幾個環節，根據公式，由淬火加熱和保溫時間t=k.δ（k是加熱時間系數，D是輥體有效厚度）可知，淬火加熱和保溫時間是與模輥體有效壁厚δ成正比，即模輥體有效壁厚越大，淬火加熱和保溫環節所需時間就越長，而加熱和保溫的時間過長，晶粒就容易粗大；另外由于材料自身組織的特性和輥體有效壁厚較大，輥體不容易淬透，會導致芯部晶相組織不均勻。

淬火工序冷卻環節的冷卻速度是由輥體材質（不同淬火介質）和輥體表面積等因素所決定，輥體的外圓表面積S1=Pi*D*L和內孔表面積S2=Pi*d*L（D為輥體的外圓直徑，d為輥體的內孔直徑，L為輥體長度，見圖2），如果輥體的外圓直徑D和輥體的內孔直徑d相差越大（即輥體有效壁厚大），那么外圓表面積S1和內孔表面積S2也就相差越大，即較大壁厚輥體的外圓表面積S1和內孔表面積S2較大，那么較大壁厚輥體的外圓和內孔的冷卻速度就相差較大，由于輥體的外圓和內孔的冷卻速度不均勻，輥體在淬火的冷卻環節就會產生熱處理應力，容易導致輥體出現裂紋。

綜以上幾點分析，得出壁厚輥體較大是熱處理后輥體晶粒粗大、金相組織不均勻和產生裂紋的一主要原因。

3 改進對策

由以上分析可知，壁厚輥體較大是輥體晶粒粗大、金相組織不均勻和產生裂紋的主要原因，那么應該盡可能減小輥體壁厚δ，由δ=D1/2-d/2可知，可以通過減小輥體外圓D1或者加大輥體內孔d來減小輥體壁厚，但輥體外圓D1是客戶要求及設計的需要，相對固定，那么，只有通過加大輥體內孔d來減小輥體壁厚δ，相應改進措施如下：（1）加大輥體內孔d，同時相應加大與輥體內孔配合的輥軸外圓直徑，可以通過在原來輥軸裝配段外圓加裝一段與輥體等長的芯套的方式來加大與輥體內孔配合的輥軸裝配段外圓直徑。這樣可以避免直接從大直徑軸坯車削到小直徑，一方面可以減小車軸工作量，另外一方面大軸芯部組織不良，軸容易斷裂。（2）采用線切割工藝代替原來的鉆孔和車內孔來加大輥體內d，同時把線切割穿線孔放在芯部，可以避免線切割穿線孔留在輥體產生應力集中，導致輥體開裂。

4 結束語

（1）由于壁厚減小了（如輥體外徑為150mm輥體，內孔直徑由

60mm加到100mm，相應壁厚由45mm減為25mm），淬火加熱和保溫時間可以減短（45-25）/40*100%≈44%，不僅節省了熱處理加熱費用，而且輥體晶粒更加細化；另外由于輥體壁厚減小，輥體淬透性提高，金相組織更加均勻。（2）由于壁厚減小，輥體外圓和內孔的表面積差減小，外圓和內孔淬火冷卻速度趨向一致，淬火應力大大減小，更不容易產生裂紋，產品質量更加穩定。（3）由于采用線切割工藝代替原來的鉆孔和車內孔，不僅大大減少內孔加工的工作量，而且線切割出來的芯部材料可以重新利用（鍛打后做成刀片或砧輥），節約了材料成本1002×（1-30%）/1502≈31%（以輥體外徑為150mm，線切割輥體直徑為100mm算，鐵屑的價格約為原材料價格的30%算）。

參考文獻

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