原材料、溫度、導板對楔橫軋產品質量的影響及工藝對策

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，河北省楔橫軋技術創新中心

20 世紀60 年代，前捷克斯洛伐克發明了楔橫軋技術，并將該技術應用于軸類、五金工具的生產。1979年，北京科技大學胡正寰院士團隊將楔橫軋技術成功用于五金工具的生產，正式開啟了工業化之路。經過40 余年的發展，楔橫軋工藝在軸類件精密成形，長桿類鍛件制坯等方面取得了巨大的成功，發揮了楔橫軋工藝高效、節材、節能的優點。現廣泛應用于汽車、農機、工程機械、五金工具等領域，尤其是汽車行業的齒輪軸和凸輪軸。

2010 年之后，隨著汽車行業的高速發展，客戶對產品交付質量的要求越來越高。楔橫軋生產過程中，由于原材料、加熱溫度、導板等因素的異常，可能會導致產品出現折疊、疏松、卡料、過熱、過燒、尺寸不一致、劃痕、深坑等缺陷。這些缺陷不僅對質量造成不良影響，還制約了生產的穩定性，影響訂單的交付。如何消除這些質量缺陷，提升生產穩定性，尤為重要，本文將從原材料、溫度、導板三個方面，分析對產品質量的影響，并提出有效的工藝對策。

原材料對產品質量的影響及工藝對策

對楔橫軋工藝造成影響的原材料缺陷主要分兩類：一類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，會“遺傳”-到楔橫軋產品的表面；另一類是原材料的內部缺陷，例如夾雜、疏松等，也會導致楔橫軋產品的內部缺陷。原材料折疊和疏松是影響鍛件的主要因素，下面進行重點分析。

原料材折疊

對于黑皮材圓鋼，偶爾會存在原材料折疊的情況，且在圓鋼狀態下不易發現。但在楔橫軋生產后，熱態、冷態、機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比

措施：由于原材料折疊屬于熱軋圓鋼的缺陷，可在鋼材協議中要求光亮材(修磨材)交付，增加表面缺陷檢驗。如果考慮成本因素，使用黑皮材，則應在楔橫軋生產時對熱軸進行100%外觀檢驗，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變速箱的核心零部件，對心部強度、抗彎抗扭、沖擊韌性等力學性能要求很高，一般使用熱軋圓鋼。

熱軋齒輪鋼在連鑄過程中，由于拉速過快、過熱度偏高等因素，易造成鑄坯縮孔、疏松類缺陷。且在后續熱軋過程中，如果始軋溫度、軋制比等軋制工藝參數不合適，無法將鑄坯缺陷焊合，這就會導致鋼材疏松。一般使用鋼棒相控陣超聲無損檢測和低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法進行疏松缺陷的檢驗，鋼材疏松及檢驗情況如圖2所示。

圖2 鋼材疏松及檢驗情況

措施：楔橫軋工藝無法改善鋼材疏松情況，使用疏松的鋼材，一般會將缺陷傳到楔橫軋產品中。因此，一般在鋼材協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。

加熱溫度對產品質量的影響及工藝對策

楔橫軋工藝生產軸類件，一般使用中頻感應加熱，加熱溫度與模鍛基本一致，一般要求1100 ～1200℃，不同材質的鋼材要求有所差別。加熱溫度過高或過低都會導致卡料、過熱過燒、尺寸不一致、中空疏松等缺陷。下面對卡料、過熱過燒、尺寸不一致等缺陷進行重點分析。

卡料

當加熱溫度低于工藝要求溫度，或未及時啟動軋機、導致熱態原料被冷卻水降溫，會造成軋制力不足，導致卡料，如圖3 所示。當溫度過高，導致原料變形抗力過小，而軋機轉速與摩擦條件不變，也會破壞旋轉條件，導致卡料。

圖3 卡料缺陷廢品

措施：使用測溫探頭+自動三分選系統，可以有效地解決該問題。測溫探頭可以測量每根出爐料段的溫度，并在自動分選系統輸入溫度范圍，超過下限就會自動將料段甩到低溫料架，超過上限會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料段快速帶出，存在一定程度的振動，需要定期對測溫探頭進行緊固，避免探頭的位置偏差。此外，需要定期使用測溫槍比對、校準。

過熱和過燒

當加熱溫度超過工藝要求溫度或在高溫下停留時間過長時，就會引起奧氏體晶粒迅速長大，導致過熱缺陷。當坯料加熱溫度超過了過熱溫度，還會引起氧化性氣體滲入晶界，使晶間物質Fe、C、S 發生氧化，甚至晶界產生熔化，完全破壞晶粒間的結合，導致過燒缺陷，如圖4 所示。

圖4 過燒缺陷產品

措施：需要嚴格按照加熱規范，使用測溫探頭+自動三分選裝置，對于分選出的超溫料段，必須報廢處理。

尺寸不一致

楔橫軋生產軸類件，一般采用對稱軋制，一軋二件、一軋四件、甚至一軋六件。比如，對于一軋四件產品，由于料段比較長，在中頻加熱時，如果出現料段加熱溫度不均勻，則會導致四件的尺寸一致性較差，甚至出現尺寸超差的情況，如圖5 所示。

圖5 溫度不均勻導致大臺軸向尺寸不一致

對于氣缸推料的中頻加熱設備(非連續進料)，是導致該問題的一個重要原因。料段在中頻爐內加熱，當料段靠近或超出爐口時，易導致一端溫度偏低。由于四件產品對應的模具在設計時是按照均勻的溫度工況原則，當料段在中頻爐內的擺放位置不合適時，溫度的不均勻就會導致產品尺寸不一致。

中頻加熱時，當料段靠近或超出入爐口、出爐口，就會導致溫度不均勻，如圖6(a)所示。應當通過調節氣缸限位的位置和料段數量，使得首、尾料段均在爐內，且距離爐口50mm 以上，避免散熱降溫過快，保證溫度均勻，如圖6(b)所示。

圖6 料段在中頻爐的擺放

導板對產品質量的影響及工藝對策

二輥立式楔橫軋軋機有上、下兩個軋輥，上輥安裝上模具，下輥安裝下模具，前后有兩個導板，用于控制軋件，在生產時防止軋件的擺動，保證軋制過程的穩定。軋輥、模具、軋件、導板的位置關系如圖7 所示。

圖7 軋輥、軋件和導板的位置關系

劃痕缺陷

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

圖8 劃痕缺陷及導板位置

當導板調整的高度位置不合理，熱軸的外圓面接近導板上下邊緣時，易導致刮料，對于這種情況，需要調整導板上、下高度。當上、下模具對軋件的作用力相差較大，使得熱態軋件緊貼一側導板且受力較大時，也易導致軋件表面的料粘到導板上，進而產生劃痕。這時，需要采取調整相位、導板的前后位置、修理模具成形面等方法，避免軋件與單側導板作用力過大。另外，導板的表面硬度也很關鍵，根據實踐經驗，采用D322 焊條堆焊，磨床加工，其硬度超過60HRC，磨損較慢，能夠減少粘料情況的發生。

深坑缺陷

深坑缺陷可能發生在軋件任意臺階，往往在拋丸后顯現出來。深坑缺陷和劃痕缺陷產生的根源相同。由于軋制過程中一直澆水冷卻，粘在導板上的料一般都為冷態，當粘在導板上的料掉落，就會壓入到熱軸的表面，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，只有避免導板刮下熱軸表面的料，才能解決深坑缺陷。

圖9 導板粘料導致的深坑缺陷

結束語

本文總結了由于楔橫軋模具參數異常導致軸件的尺寸、外觀和心部出現尺寸超差、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。詳細分析了各種缺陷產生的原因并提出了明確的模具參數優化方法，有效控制了楔橫軋工藝的產品質量，有力推動了楔橫軋技術的推廣與應用。