较大壁厚模辊出现的质量问题分析及改进对策

摘 要：模辊广泛应用于生活用纸（婴儿尿裤、成人纸尿裤）、医疗（创口贴、一次性围裙）、烟草（包装盒）、一次性鞋垫等产品外形模切。文章介绍了较大壁厚模辊常规生产工艺及其生产过程中存在的质量问题：模辊产品质量不稳定，容易产生裂纹；热处理后通过金相分析发现辊体晶粒粗大、金相组织不均匀。结合具体生产工艺和实践经验，对其原因进行了分析，并提出了相应的改进对策。

关键词：模辊；晶粒粗大；组织不均匀；裂纹

引言

模辊广泛应用于生活用纸（婴儿尿裤、成人纸尿裤）、医疗（创口贴、一次性围裙）、烟草（包装盒）、一次性鞋垫等产品外形模切。模辊总成由切辊和砧辊装在同一模架上呈上、下分布（见图1），两辊外圆柱面以一定压力接触，以相同线速度旋转对压，由分布在切辊圆周上的刃形挤压砧辊，完成置于两辊之间的产品外形模切。由于其是通过上下辊旋转对压的方式完成产品外形模切，与传统冲压模线性冲裁的工作方式相比，具有加工效率高、使用寿命长（模切压力小且可以多次修磨）的特点。辊的材料大多为高速钢（如W6Mo5Cr4V2）、粉末合金（如T15、S705）、硬质合金等高合金工具钢，具有硬度高、切削加工难、价格昂贵等特点。

模辊与辊轴通常以过盈配合（H7/g6）方式装配，辊轴两轴承位外圆安装轴承，相应的轴承座安装在模架上，若干组模架以一定顺序组成一条生产流水线。由产品的尺寸及流水线、刀架和模辊的结构确定了模辊的设计尺寸，模辊外径D1一般为150mm-200mm及以上，辊轴轴承位段外圆直径D2一般为50mm-70mm，根据模辊外径D1和辊轴轴承位段外圆直径D2及考虑到模辊内孔的加工和热处理变形等因素，通常把模辊的装配内孔直径d工艺尺寸设计为60mm-70mm，模辊的壁厚δ=D1/2-d/2，壁厚δ一般会达到45mm以上（相对辊体本身尺寸，壁厚较大）。

1 模辊常规生产工艺及生产过程中存在的质量问题

1.1 模辊常规生产工艺流程

模辊由于产品材料、外形及工艺的多样性和复杂性，在八十年代之前我们国家的模辊制造技术是空白的，需要依靠进口，到八十年代末国内一些企业如福建省三明工模具厂等开始尝试设计生产，经过模辊行业前辈们不断钻研和改进，到目前模辊已经形成了较为成熟的生产工艺，一般生产工艺流程为：

下料（根据模辊的外形尺寸从长圆柱形棒材锯下坯料）？圯车削（加工坯料内孔、外圆和端面）？圯铣削？圯钳工钻孔攻牙？圯热处理（淬火、回火）？圯磨削端面和内孔？圯热套装配？圯磨削外圆？圯清洗、防锈？圯包装

1.2 生产过程中出现的问题

（1）模辊产品质量不稳定，容易产生裂纹，导致报废。（2）热处理后通过金相分析发现晶粒粗大、金相组织不均匀。

2 原因分析

从模辊产品容易产生裂纹、晶体组织较为粗大和金相组织不均匀问题本身入手，根据实践经验并参考了相关资料，初步判断与模辊产品本身的结构和热处理工艺有关，模辊上设计的一些螺纹孔和装配键槽，在切削过程和热处理环节都会产生应力集中，容易产生裂纹。但模辊本身的螺纹孔和装配键槽结构是客户的需求和装配的需要，除了在加工过程中把螺纹孔和键槽结构存在的尖角倒成较为光滑过渡的圆角外，可以减小一点切削应力，在辊体结构上可改进的空间有限。

模辊的淬火工序需要经过加热、保温和冷却等几个环节，根据公式，由淬火加热和保温时间t=k.δ（k是加热时间系数，D是辊体有效厚度）可知，淬火加热和保温时间是与模辊体有效壁厚δ成正比，即模辊体有效壁厚越大，淬火加热和保温环节所需时间就越长，而加热和保温的时间过长，晶粒就容易粗大；另外由于材料自身组织的特性和辊体有效壁厚较大，辊体不容易淬透，会导致芯部晶相组织不均匀。

淬火工序冷却环节的冷却速度是由辊体材质（不同淬火介质）和辊体表面积等因素所决定，辊体的外圆表面积S1=Pi*D*L和内孔表面积S2=Pi*d*L（D为辊体的外圆直径，d为辊体的内孔直径，L为辊体长度，见图2），如果辊体的外圆直径D和辊体的内孔直径d相差越大（即辊体有效壁厚大），那么外圆表面积S1和内孔表面积S2也就相差越大，即较大壁厚辊体的外圆表面积S1和内孔表面积S2较大，那么较大壁厚辊体的外圆和内孔的冷却速度就相差较大，由于辊体的外圆和内孔的冷却速度不均匀，辊体在淬火的冷却环节就会产生热处理应力，容易导致辊体出现裂纹。

综以上几点分析，得出壁厚辊体较大是热处理后辊体晶粒粗大、金相组织不均匀和产生裂纹的一主要原因。

3 改进对策

由以上分析可知，壁厚辊体较大是辊体晶粒粗大、金相组织不均匀和产生裂纹的主要原因，那么应该尽可能减小辊体壁厚δ，由δ=D1/2-d/2可知，可以通过减小辊体外圆D1或者加大辊体内孔d来减小辊体壁厚，但辊体外圆D1是客户要求及设计的需要，相对固定，那么，只有通过加大辊体内孔d来减小辊体壁厚δ，相应改进措施如下：（1）加大辊体内孔d，同时相应加大与辊体内孔配合的辊轴外圆直径，可以通过在原来辊轴装配段外圆加装一段与辊体等长的芯套的方式来加大与辊体内孔配合的辊轴装配段外圆直径。这样可以避免直接从大直径轴坯车削到小直径，一方面可以减小车轴工作量，另外一方面大轴芯部组织不良，轴容易断裂。（2）采用线切割工艺代替原来的钻孔和车内孔来加大辊体内d，同时把线切割穿线孔放在芯部，可以避免线切割穿线孔留在辊体产生应力集中，导致辊体开裂。

4 结束语

（1）由于壁厚减小了（如辊体外径为150mm辊体，内孔直径由

60mm加到100mm，相应壁厚由45mm减为25mm），淬火加热和保温时间可以减短（45-25）/40*100%≈44%，不仅节省了热处理加热费用，而且辊体晶粒更加细化；另外由于辊体壁厚减小，辊体淬透性提高，金相组织更加均匀。（2）由于壁厚减小，辊体外圆和内孔的表面积差减小，外圆和内孔淬火冷却速度趋向一致，淬火应力大大减小，更不容易产生裂纹，产品质量更加稳定。（3）由于采用线切割工艺代替原来的钻孔和车内孔，不仅大大减少内孔加工的工作量，而且线切割出来的芯部材料可以重新利用（锻打后做成刀片或砧辊），节约了材料成本1002×（1-30%）/1502≈31%（以辊体外径为150mm，线切割辊体直径为100mm算，铁屑的价格约为原材料价格的30%算）。

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