摘 要：模輥廣泛應(yīng)用于生活用紙（嬰兒尿褲、成人紙尿褲）、醫(yī)療（創(chuàng)口貼、一次性圍裙）、煙草（包裝盒）、一次性鞋墊等產(chǎn)品外形模切。文章介紹了較大壁厚模輥常規(guī)生產(chǎn)工藝及其生產(chǎn)過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題：模輥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生裂紋；熱處理后通過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)輥體晶粒粗大、金相組織不均勻。結(jié)合具體生產(chǎn)工藝和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：模輥；晶粒粗大；組織不均勻；裂紋

引言

模輥廣泛應(yīng)用于生活用紙（嬰兒尿褲、成人紙尿褲）、醫(yī)療（創(chuàng)口貼、一次性圍裙）、煙草（包裝盒）、一次性鞋墊等產(chǎn)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(zhuǎn)對(duì)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(chǎn)品外形模切。由于其是通過(guò)上下輥旋轉(zhuǎn)對(duì)壓的方式完成產(chǎn)品外形模切，與傳統(tǒng)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(zhǎng)（模切壓力小且可以多次修磨）的特點(diǎn)。輥的材料大多為高速鋼（如W6Mo5Cr4V2）、粉末合金（如T15、S705）、硬質(zhì)合金等高合金工具鋼，具有硬度高、切削加工難、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)。

模輥與輥軸通常以過(guò)盈配合（H7/g6）方式裝配，輥軸兩軸承位外圓安裝軸承，相應(yīng)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(chǎn)流水線。由產(chǎn)品的尺寸及流水線、刀架和模輥的結(jié)構(gòu)確定了模輥的設(shè)計(jì)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(jù)模輥外徑D1和輥軸軸承位段外圓直徑D2及考慮到模輥內(nèi)孔的加工和熱處理變形等因素，通常把模輥的裝配內(nèi)孔直徑d工藝尺寸設(shè)計(jì)為60mm-70mm，模輥的壁厚δ=D1/2-d/2，壁厚δ一般會(huì)達(dá)到45mm以上（相對(duì)輥體本身尺寸，壁厚較大）。

1 模輥常規(guī)生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題

1.1 模輥常規(guī)生產(chǎn)工藝流程

模輥由于產(chǎn)品材料、外形及工藝的多樣性和復(fù)雜性，在八十年代之前我們國(guó)家的模輥制造技術(shù)是空白的，需要依靠進(jìn)口，到八十年代末國(guó)內(nèi)一些企業(yè)如福建省三明工模具廠等開始嘗試設(shè)計(jì)生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)模輥行業(yè)前輩們不斷鉆研和改進(jìn)，到目前模輥已經(jīng)形成了較為成熟的生產(chǎn)工藝，一般生產(chǎn)工藝流程為：

下料（根據(jù)模輥的外形尺寸從長(zhǎng)圓柱形棒材鋸下坯料）？圯車削（加工坯料內(nèi)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(nèi)孔？圯熱套裝配？圯磨削外圓？圯清洗、防銹？圯包裝

1.2 生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）模輥產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致報(bào)廢。（2）熱處理后通過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)晶粒粗大、金相組織不均勻。

2 原因分析

從模輥產(chǎn)品容易產(chǎn)生裂紋、晶體組織較為粗大和金相組織不均勻問(wèn)題本身入手，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并參考了相關(guān)資料，初步判斷與模輥產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝有關(guān)，模輥上設(shè)計(jì)的一些螺紋孔和裝配鍵槽，在切削過(guò)程和熱處理環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生裂紋。但模輥本身的螺紋孔和裝配鍵槽結(jié)構(gòu)是客戶的需求和裝配的需要，除了在加工過(guò)程中把螺紋孔和鍵槽結(jié)構(gòu)存在的尖角倒成較為光滑過(guò)渡的圓角外，可以減小一點(diǎn)切削應(yīng)力，在輥體結(jié)構(gòu)上可改進(jìn)的空間有限。

模輥的淬火工序需要經(jīng)過(guò)加熱、保溫和冷卻等幾個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)公式，由淬火加熱和保溫時(shí)間t=k.δ（k是加熱時(shí)間系數(shù)，D是輥體有效厚度）可知，淬火加熱和保溫時(shí)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(huán)節(jié)所需時(shí)間就越長(zhǎng)，而加熱和保溫的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(huì)導(dǎo)致芯部晶相組織不均勻。

淬火工序冷卻環(huán)節(jié)的冷卻速度是由輥體材質(zhì)（不同淬火介質(zhì)）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(nèi)孔表面積S2=Pi*d*L（D為輥體的外圓直徑，d為輥體的內(nèi)孔直徑，L為輥體長(zhǎng)度，見圖2），如果輥體的外圓直徑D和輥體的內(nèi)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(nèi)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(nèi)孔表面積S2較大，那么較大壁厚輥體的外圓和內(nèi)孔的冷卻速度就相差較大，由于輥體的外圓和內(nèi)孔的冷卻速度不均勻，輥體在淬火的冷卻環(huán)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生熱處理應(yīng)力，容易導(dǎo)致輥體出現(xiàn)裂紋。

綜以上幾點(diǎn)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(chǎn)生裂紋的一主要原因。

3 改進(jìn)對(duì)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(chǎn)生裂紋的主要原因，那么應(yīng)該盡可能減小輥體壁厚δ，由δ=D1/2-d/2可知，可以通過(guò)減小輥體外圓D1或者加大輥體內(nèi)孔d來(lái)減小輥體壁厚，但輥體外圓D1是客戶要求及設(shè)計(jì)的需要，相對(duì)固定，那么，只有通過(guò)加大輥體內(nèi)孔d來(lái)減小輥體壁厚δ，相應(yīng)改進(jìn)措施如下：（1）加大輥體內(nèi)孔d，同時(shí)相應(yīng)加大與輥體內(nèi)孔配合的輥軸外圓直徑，可以通過(guò)在原來(lái)輥軸裝配段外圓加裝一段與輥體等長(zhǎng)的芯套的方式來(lái)加大與輥體內(nèi)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(lái)的鉆孔和車內(nèi)孔來(lái)加大輥體內(nèi)d，同時(shí)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(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致輥體開裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）由于壁厚減小了（如輥體外徑為150mm輥體，內(nèi)孔直徑由

60mm加到100mm，相應(yīng)壁厚由45mm減為25mm），淬火加熱和保溫時(shí)間可以減短（45-25）/40*100%≈44%，不僅節(jié)省了熱處理加熱費(fèi)用，而且輥體晶粒更加細(xì)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(nèi)孔的表面積差減小，外圓和內(nèi)孔淬火冷卻速度趨向一致，淬火應(yīng)力大大減小，更不容易產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。（3）由于采用線切割工藝代替原來(lái)的鉆孔和車內(nèi)孔，不僅大大減少內(nèi)孔加工的工作量，而且線切割出來(lái)的芯部材料可以重新利用（鍛打后做成刀片或砧輥），節(jié)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(jià)格約為原材料價(jià)格的30%算）。

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