文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

軋制溫度對(duì)楔橫軋件成形質(zhì)量的影響

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

楔橫軋是一種節(jié)能環(huán)保、高效清潔的軸類零件近凈成形技術(shù)，是先進(jìn)成形制造科學(xué)技術(shù)的重要組成部分。與傳統(tǒng)軸類零件生產(chǎn)方法——鍛造、切削比較，楔橫軋工藝具有高效、節(jié)材、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是，將加熱后的棒材送入兩個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的帶有楔形凸起的模具中間，棒材在模具的帶動(dòng)下，作與模具反向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)材料發(fā)生徑向壓縮變形和軸向延伸的塑性變形，從而成形階梯軸類零件，如圖1所示。

圖1 楔橫軋?jiān)硎疽鈭D

楔橫軋件質(zhì)量的好壞雖然取決于諸多因素，但是合理選擇溫度對(duì)控制軋件質(zhì)量也至關(guān)重要。河北東安精工股份有限公司是一家擁有10臺(tái)楔橫軋機(jī)、年產(chǎn)量達(dá)2萬(wàn)噸的楔橫軋專業(yè)化生產(chǎn)廠家，經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出軋制溫度對(duì)楔橫軋產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

溫度對(duì)工件尺寸的影響

對(duì)工件尺寸的綜合影響

絕大部分物質(zhì)都具有熱脹冷縮的物理特性，金屬更是如此，在加熱時(shí)，金屬材料的尺寸要增大，在冷卻過(guò)程中，金屬的尺寸要縮小，收縮量和收縮后的尺寸之比，稱為收縮率或冷縮率。由于楔橫軋成形是高溫下的熱加工工藝，冷卻后因材料的冷縮現(xiàn)象，其尺寸會(huì)比成形時(shí)小。因此，在設(shè)計(jì)楔橫軋模具孔腔時(shí)，應(yīng)加上一個(gè)收縮量，即其尺寸要比楔橫軋毛坯件對(duì)應(yīng)部分的尺寸大些。如果軋制溫度超過(guò)了模具設(shè)計(jì)時(shí)收縮率對(duì)應(yīng)的溫度，軋件冷卻后的尺寸小于設(shè)計(jì)毛坯尺寸，會(huì)造成尺寸不符合圖紙規(guī)范。所以，軋件在常溫下的尺寸，不僅取決于模具孔型的設(shè)計(jì)尺寸，而且受實(shí)際軋制溫度影響，如果溫度過(guò)高會(huì)造成軋件尺寸不足，產(chǎn)生廢品。

圖2 長(zhǎng)工件溫度及尺寸變化分布

對(duì)長(zhǎng)工件不同部位尺寸的影響

楔橫軋成形過(guò)程一般是從軋件坯料長(zhǎng)度的中心位置開始起楔軋制，如圖2所示，共6件產(chǎn)品，從中心向左右兩端溫度依次下降，尺寸依次增大。隨著軋機(jī)軋輥和軋件坯料的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，軋件坯料不斷被徑向壓縮和軸向拉伸，至軋制終了，溫度會(huì)比軋制開始溫度降低一定數(shù)值。也就是說(shuō)，工件中間部位和兩端部位軋制溫度是不均等的。如果一模多件楔橫軋產(chǎn)品，冷卻后，位于模具中間部位的軋件尺寸會(huì)比位于模具邊部的軋件尺寸小，軋件越長(zhǎng)，溫降越大，中、邊部尺寸相差越大，會(huì)造成中間部位尺寸小而報(bào)廢。因此，一般在設(shè)計(jì)長(zhǎng)工件模具時(shí)，應(yīng)考慮溫度影響，對(duì)模具各部分的尺寸采取措施，尤其是一軋多件的長(zhǎng)工件模具設(shè)計(jì)，其中間部位的孔型尺寸要比兩端部位孔型尺寸大一些，以確保各軋件尺寸都符合技術(shù)規(guī)范。

溫度對(duì)表面質(zhì)量的影響

溫度過(guò)高引起氧化鐵皮墊坑

金屬在加熱時(shí)容易發(fā)生表面氧化，產(chǎn)生氧化鐵皮，坯料在軋制時(shí)因上下模具的輾壓，使軋件表面的氧化鐵皮脫落，掉到導(dǎo)板上，繼而又被輾壓到工件表面，形成氧化鐵皮墊坑，如果氧化鐵皮墊坑超過(guò)規(guī)范要求，將造成廢品，如圖3所示。

圖3 氧化皮墊坑

軋制溫度過(guò)低造成料頭開裂

金屬的延展性隨著溫度的升高而增強(qiáng)，由于軋制過(guò)程中，工件軸向中間部位和兩端料頭部位存在軋制溫差，使得料頭部位因溫度降低，使其金屬延展性變差，金屬變形抗力增大。如果軋制溫度控制較低，軋件較長(zhǎng)，至軋制料頭端時(shí)，其變形抗力增大，極易造成料頭開裂，見圖4。

圖4 料頭開裂

軋制溫度過(guò)低造成卡鋼

和以上同樣的原因，在溫度過(guò)低時(shí)，因金屬變形抗力過(guò)大，坯料轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，難以成形而被卡在軋輥中間，亦即卡鋼。

軋制溫度過(guò)高造成卡鋼

由于溫度過(guò)高，金屬的強(qiáng)度和硬度都會(huì)降低，金屬材料變軟，工件旋轉(zhuǎn)時(shí)被壓扁而卡鋼，見圖5。溫度控制不好，還會(huì)造成工件彎曲。

圖5 卡鋼

溫度對(duì)內(nèi)在質(zhì)量的影響

溫度對(duì)軋件疏松與中空的影響

⑴楔橫軋工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，在中心部位出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。用低倍顯微鏡觀察，可以看到許多彼此不相連接的小裂口帶，人們常常稱這種狀態(tài)為“疏松”。

圖6 中心疏松4級(jí)圖片

⑵中空。以上疏松裂口繼續(xù)發(fā)展，金屬組織便產(chǎn)生連續(xù)性破壞，形成不規(guī)則的中心空洞，即為“中空”，見圖7。

圖7 中空橫斷面圖

產(chǎn)生疏松中空的原因

前蘇聯(lián)學(xué)者斯米爾諾夫較早研究了橫軋軋件中疏松、中空等缺陷產(chǎn)生的原因，他認(rèn)為孔腔是由軋件心部存在三向拉應(yīng)力引起的。采里柯夫等認(rèn)為內(nèi)部缺陷是由于軋件變形過(guò)程中過(guò)大的拉應(yīng)力積累，他們發(fā)現(xiàn)，隨著工件的旋轉(zhuǎn)，變形工件中心區(qū)的拉應(yīng)力增加，這可能引起中心孔腔的形成和進(jìn)一步擴(kuò)展。日本的團(tuán)野敦和粟野泰吉進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)孔腔的大小隨著工件旋轉(zhuǎn)而增加，并認(rèn)為孔腔是由軋件中心區(qū)的交變拉應(yīng)力和剪應(yīng)變所導(dǎo)致的。

溫度過(guò)高引起疏松和中空

隨著加熱溫度的增高，坯料奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大，金屬?gòu)?qiáng)度降低，在工件軋制成形時(shí)，金屬內(nèi)部晶粒之間的結(jié)合力被破壞，造成疏松，嚴(yán)重時(shí)形成中空。當(dāng)溫度升高到一定程度，其晶界將被熔化，使工件過(guò)燒，導(dǎo)致工件報(bào)廢，見圖8。

圖8 過(guò)燒工件

溫度過(guò)低也會(huì)引起疏松和中空

溫度過(guò)低，金屬的塑性變差，變形抗力增加，當(dāng)金屬的原子間力不能抵擋變形抗力時(shí)，金屬內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微裂紋，形成疏松，甚至是中空。

結(jié)束語(yǔ)

以上通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)了在模具設(shè)計(jì)合理，原材料合格的前提下，軋制溫度對(duì)楔橫軋產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并提供以下建議：

⑴根據(jù)工件長(zhǎng)短選擇合適的溫度。工件越長(zhǎng)，宜選擇較高的溫度；工件越短，宜選擇較低的溫度。

⑵根據(jù)工件形狀選擇合適的溫度。變形量較大的工件，宜選擇較高的溫度，變形量較小的工件，宜選擇較低的溫度。

⑶根據(jù)化學(xué)成分合理控制溫度。對(duì)于導(dǎo)熱性較差的材料，宜選擇較小的加熱速度；對(duì)于夾雜嚴(yán)重的材料宜選擇較低的溫度。

張軍改，高級(jí)工程師，河北東安精工股份有限公司技術(shù)副總監(jiān)，全國(guó)鍛壓標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC74）委員，主要從事楔橫軋相關(guān)的研發(fā)、設(shè)計(jì)技術(shù)管理等工作。