劉元偉，沈 輝，張 露，李建波

（山東恒泰車橋有限公司，山東 新泰271200）

汽車前軸輥鍛模的表面堆焊再制造技術(shù)

劉元偉，沈 輝，張 露，李建波

（山東恒泰車橋有限公司，山東 新泰271200）

介紹了汽車前軸輥鍛模具的堆焊再制造工藝，包括焊前模具處理和模具預(yù)熱，堆焊合金層，焊后退火熱處理等。堆焊修復(fù)后的模具大幅度提高了輥鍛模具壽命。

輥鍛；模具；表面堆焊；汽車前軸；模具修復(fù)；模具壽命

前軸是汽車上的重要保安件，是汽車上最大最重的鍛件。其生產(chǎn)工藝流程是：下料→中頻加熱→第一道、第二道、第三道（三道次）輥鍛制坯→彎曲→模鍛→切邊→熱校正，其中輥鍛制坯是此流程的關(guān)鍵工藝。輥鍛制坯是一種生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、節(jié)約原材料的先進(jìn)生產(chǎn)工藝。

輥鍛工作原理如圖1所示。它利用一對裝有扇形輥鍛模的輥?zhàn)樱ㄥ戄仯?，兩輥軸線相互平行，輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動方向相反，在旋轉(zhuǎn)中由扇形輥鍛模咬入坯料并對其產(chǎn)生壓力從而使金屬產(chǎn)生塑性變形。坯料在充填模膛時(shí)，其金屬變形特征是高度方向受到壓縮，截面積減少，少部分金屬展寬，大部分金屬沿長度方向流動，從而得到各種變截面鍛件或預(yù)成形件，某型號前軸第二道輥鍛模示意圖如圖2所示。

輥鍛模材料一般為5CrMnMo或5CrNiMo。輥鍛模在輥鍛生產(chǎn)5萬件后，往往發(fā)生嚴(yán)重局部磨損、產(chǎn)生局部裂紋和型腔變大，增加材料消耗和生產(chǎn)成本，繼續(xù)使用就會發(fā)生裂紋擴(kuò)大以致斷裂而導(dǎo)致模具報(bào)廢，所以在輥鍛模生產(chǎn)一定數(shù)量后型腔發(fā)生變形，就要進(jìn)行修復(fù)。

圖1 輥鍛工作原理

圖2 某型號前軸第二道輥鍛模示意圖

前軸輥鍛模第二、三道模具上下模對稱，外徑一般為覬985mm；第一道的上下模不對稱，上模外徑一般為覬1046～覬1052，下模外徑一般為覬906～覬920。一般第二道最重，約570kg左右，第三道最輕，約240kg左右。輥鍛模型腔體積大致有6000～15000cm3，每件輥鍛模的成本約12萬元。開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，也可用堆焊的方法再制造修復(fù)利用舊模具改型,就是在輥鍛模型腔內(nèi)用模具焊條進(jìn)行模具型腔堆焊，堆焊后用數(shù)控加工中心重新加工出所需要的輥鍛型腔輪廓。

采用模具堆焊修復(fù)技術(shù)修復(fù)和改型輥鍛模具，輥鍛模型腔表面硬度比原模具高，達(dá)到“表硬里韌”的效果，型腔不易壓塌，提高輥鍛模具使用壽命。特別在新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，減少了新輥鍛模具投入的費(fèi)用，縮短開發(fā)時(shí)間；為爭取市場贏取了寶貴時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益極大。

本文主要介紹輥鍛模在長期使用后型腔或變形失效或磨損失效后進(jìn)行老模具改型再制造時(shí)，對輥鍛模型腔的堆焊方法。

1 堆焊前準(zhǔn)備工作

為了保證堆焊強(qiáng)度和提高輥鍛模具的使用壽命，堆焊前應(yīng)先將輥鍛模具型腔的整體擴(kuò)大，而不能在模具原有的型腔上直接堆焊，我公司擴(kuò)大輥鍛模型腔常用的方法是用碳弧氣刨將模具型腔擴(kuò)大，擴(kuò)大后的輥鍛模具型腔斷面如圖3所示。

圖3 擴(kuò)大后的輥鍛模具型腔斷面示意圖

氣刨后的第一道輥鍛模下模型腔如圖4所示。用直徑覬10碳棒氣刨，氣刨刨痕長度等于輥鍛模寬265mm，氣刨刨痕約深3mm～5mm，寬和碳棒的直徑相當(dāng)，約10mm，氣刨刨痕垂直于模具型腔長度方向。

圖4 碳弧氣刨后的第一道輥鍛模下模型腔

如果沒有碳弧氣刨，也可采用其他工藝方法擴(kuò)大輥鍛模型腔。如在數(shù)控機(jī)床上用合金銑刀沿型腔底面向內(nèi)（深度方向）銑削加工，或沿型腔側(cè)壁向外（水平方向）銑削加工。按照我公司的生產(chǎn)實(shí)際情況，輥鍛模型腔單邊擴(kuò)大量以10mm～15mm為宜。也可采用較大石墨電極電火花加工型腔。

利用碳弧氣刨法加工擴(kuò)大型腔的加工時(shí)間短，上馬快，能滿足新產(chǎn)品開發(fā)的需要，但工人勞動強(qiáng)度大。在數(shù)控機(jī)床上用合金銑刀加工和采用石墨電極電火花加工相對時(shí)間較長，工人勞動強(qiáng)度小。

擴(kuò)大后的輥鍛模型腔表面應(yīng)使用滲透劑和顯像劑進(jìn)行著色探傷，探測輥鍛模型腔底層和側(cè)壁氣刨加工后其內(nèi)部是否還存在裂紋，若存在裂紋時(shí)則應(yīng)繼續(xù)氣刨擴(kuò)大，直至徹底清除。

我公司在不少情況下還將舊的輥鍛模改造成新產(chǎn)品的輥鍛模。一般對輥鍛模第一道上模采用仿形焊接的方法，就是在舊模具加工型腔輪廓的情況下，為減少焊材的焊接浪費(fèi)，針對模具型腔缺肉及加工余量不足的位置采取的堆焊方法，如圖5所示。

圖5 堆焊后的第一道輥鍛模上模

第一道輥鍛模下模和第二、三道輥鍛模的型腔采用滿焊的方法，如圖6、7所示。我公司堆焊完成的第一道輥鍛模下模（圖6），不僅型腔內(nèi)腔縮小，而且輥鍛模型腔的外圓弧表面也由焊接形成的焊疤填敷。我公司焊接完成的第二道輥鍛模上模（圖7），輥鍛模型腔完全沒有了，輥鍛模的外圓弧表面全部由焊接形成的焊材滿焊填充。

圖6 堆焊后的第一道輥鍛模下模

圖7 型腔滿焊的第二道輥鍛模

2 堆焊焊絲選用和焊前模具預(yù)熱

2.1 堆焊焊絲的選用

我公司常用的模具堆焊焊絲型號為735CW、455CW、750CW,規(guī)格覬2.4。選用焊絲焊接，比選用焊條焊接速度快，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好，不易產(chǎn)生裂紋、夾雜、氣孔等焊接缺陷。

堆焊對焊絲的要求主要有：①具有良好的焊接性能，堆焊金屬與基體金屬能均勻熔合，有足夠的剪切強(qiáng)度、硬度、耐磨性、沖擊韌性。②堆焊部位能夠進(jìn)行機(jī)械加工，不易產(chǎn)生氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。③電弧容易引燃，焊接過程中燃燒平穩(wěn)。藥皮均勻熔化，無成塊脫落現(xiàn)象。焊接過程中，沒有過大、過多的飛濺。焊縫成型正常，熔渣容易清除。

2.2 堆焊工藝

所用設(shè)備及工具：臺車爐、風(fēng)鏟、電磨、清渣工具、氣體保護(hù)焊機(jī)等。

（1）焊前準(zhǔn)備。使用包裝完好的焊絲，如焊絲受潮，使用前要烘干，避免焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔，對降低焊條的含氫量也有好處。烘干溫度為50～100℃，時(shí)間1～2h。

（2）焊前模具的預(yù)熱。熱作模具鋼的碳當(dāng)量高，焊接性差，容易產(chǎn)生冷裂紋，故堆焊時(shí)必須對模具整體預(yù)熱。預(yù)熱要均勻，尤其對于大型模具特別重要。我公司設(shè)計(jì)了專門的預(yù)熱爐，將要堆焊的輥鍛模整體放入爐中。一般隨爐升溫到400℃保溫，保溫時(shí)間可根據(jù)模具厚度以1h/30mm計(jì)，通常保溫時(shí)間為4～12h。第一道輥鍛模下模和第三道輥鍛模上、下模由于模具較小保溫時(shí)間可稍短，一般不少于4h；大模具的保溫時(shí)間稍長，一般不大于12h。模具預(yù)熱完出爐后放入保溫箱中或用石棉板蓋好，等待焊接。

3 堆焊合金層

堆焊時(shí)盡量把要堆焊的輥鍛模置于平焊或易于使用旋轉(zhuǎn)工裝的位置，從底部開始依次堆焊第一層（打底層）、第二層（過渡層）和第三層（工作層）。三層的總厚度為10～15mm，每一層厚約3～5mm。第一層（打底層）用735CW焊絲焊接，焊層硬度為38～42HRC；較高的第二層（過渡層）用455CW焊接，焊層硬度為44～48HRC；第三層（工作層）用750CW焊絲焊接，焊層硬度48～52HRC。如果工作層的厚度較厚，需要堆焊第二道工作層、第三道工作層，仍采用750CW焊絲滿焊型腔。

堆焊層次示意圖如圖8所示，加工后的焊層示意圖如圖9所示。

各層焊縫搭邊成形應(yīng)良好，不允許有未焊透、夾渣、氣孔和裂紋等缺陷，焊縫尺寸應(yīng)符合工藝要求，對于第一道輥鍛模的仿形焊接，工作層至少應(yīng)當(dāng)有3mm的機(jī)加工余量。如果焊接余量尺寸不方便測量，也可以將加工余量適當(dāng)放大。

圖8 堆焊層次示意圖

圖9 加工后焊層示意圖

堆焊合金層時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)具體的操作工藝問題：①要注意收弧前，焊絲在原位稍停留或作圓周運(yùn)動3～5s，或在前一道焊道收弧處開始后一道焊縫的起弧。這樣不但避免產(chǎn)生收弧裂紋（火口裂紋），也保證了收弧位置焊接平緩無凹凸缺陷。收弧時(shí)還應(yīng)注意控制好層間溫度，避免收弧點(diǎn)溫度過高，加劇產(chǎn)生弧坑裂紋的可能。②選擇合理的焊接參數(shù)。通常以保證電弧燃燒過程穩(wěn)定和不使模具堆焊處長時(shí)間受熱為標(biāo)準(zhǔn)：覬1.6mm藥芯焊絲，焊接電流強(qiáng)度260～360A，電弧電壓26～32V；覬2.4mm藥芯焊絲，焊接電流強(qiáng)度360～540A，電弧電壓30～38V。選擇的保護(hù)氣體為氬氣（Ar）和二氧化碳（CO2）的混合氣體，Ar占80%～90%，CO2占20%～10%。CO2氣體出口必須接加熱器。③避免產(chǎn)生氣孔。④避免產(chǎn)生夾渣。每焊完一層都要把焊渣清除干凈。

在輥鍛模型腔堆焊完成后，需檢查輥鍛模具的整體變形量是否影響輥鍛模的裝配質(zhì)量，檢查導(dǎo)致輥鍛模具裝配槽的變形度，由于焊接過程中的高溫，以及焊前輥鍛模具受熱過程和焊后模具熱處理過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力（主要是焊接應(yīng)力），使模具裝配槽發(fā)生變形，影響裝配。堆焊時(shí)可把輥鍛模裝配槽（參見圖3、6、7、8、9）也仿形堆焊3-5mm作為精加工余量，在輥鍛模具加工時(shí)進(jìn)行銑削加工，確保輥鍛模具的裝配質(zhì)量。

一般舊輥鍛模具也可以利用，但要嚴(yán)格保持輥鍛模型腔底層和側(cè)壁內(nèi)無微裂紋，堆焊表面清潔。經(jīng)氣刨后的輥鍛模具表面需用砂輪打磨掉氣刨痕跡，直到整個(gè)型腔表面和側(cè)壁呈現(xiàn)金屬光澤。打磨時(shí)要將型腔底部尖角清除，使施焊時(shí)運(yùn)條方便，清渣容易，防止產(chǎn)生焊接缺陷。

焊絲千萬不能受潮，最好在使用前將焊絲放在50～100℃的干燥爐里面烘烤，以降低焊絲的含氫量，這樣可減少甚至能避免產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。模具堆焊前，不要過早拆開藥芯焊絲的包裝，已拆開包裝的藥芯焊絲應(yīng)盡快用完，實(shí)在用不完的焊絲應(yīng)用塑料袋包裝好。

4 焊后退火熱處理和檢測硬度

輥鍛模具堆焊后應(yīng)立即進(jìn)行退火熱處理以消除焊接應(yīng)力。模具隨爐升溫至500℃保溫l6h，保溫時(shí)間可根據(jù)模具的厚度以lh/25mm計(jì)算，通常保溫時(shí)間為6～24h。第一道輥鍛模具和第三道輥鍛模具的保溫時(shí)間較短，一般不小于8h；大模具的保溫時(shí)間可長，一般不大于24h。保溫后模具隨爐冷卻至100℃左右出爐，或把模具從爐中取出后用石棉布包裹緩冷。

按我公司的經(jīng)驗(yàn)，堆焊輥鍛模具后最好采用兩次退火熱處理的方法。采用兩次退火熱處理工藝時(shí)總的保溫時(shí)間和一次退火熱處理時(shí)間相同，兩次退火熱處理時(shí)，每次退火熱處理的保溫時(shí)間為一次退火熱處理保溫時(shí)間的一半，我公司選擇為1 h/50mm。

輥鍛模具冷卻后，在進(jìn)行機(jī)加工前，要對輥鍛模具進(jìn)行硬度檢測并做好記錄，硬度以電焊絲生產(chǎn)廠家推薦的檢測硬度為宜，我公司選為44～48HRC。如硬度過高，影響機(jī)加工進(jìn)度，需重新熱處理，使硬度符合工藝要求。如硬度不符合要求，應(yīng)對熱處理工藝參數(shù)調(diào)整，重新對模具進(jìn)行熱處理。

5 輥鍛模型腔的加工

輥鍛模具堆焊好，經(jīng)硬度檢測合格后，即可機(jī)加工型腔。加工好輥鍛模具型腔后即可投入使用。

采用堆焊工藝減少了模具加工工時(shí)，減輕了模具車間焊材費(fèi)用和加工費(fèi)用。根據(jù)我公司的經(jīng)驗(yàn)，堆焊后的模具使用壽命更長，一次可生產(chǎn)前軸輥鍛件5～7萬件。由于模具能多次修復(fù)，使輥鍛模的使用壽命得到大幅度提高，經(jīng)濟(jì)效益極大。

（鳴謝：本文在寫作過程中，得到了重慶理工大學(xué)胡亞民教授的大力支持和親切指導(dǎo)，在此表示衷心感謝?。?/p>

[1] 周發(fā)明，李 偉.輥鍛模具堆焊修復(fù)技術(shù)[J].金屬加工（熱加工），2012，（16）.

[2]胡亞民，華 林.鍛造工藝過程及模具設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[3] 江 山，周理華，崔遠(yuǎn)良，等.銅襯墊在箱形梁焊接中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（4）.

[4] 何彥忠，胡志梅，黃建民.壓力機(jī)大型焊接齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）.

Surface welding technology for reparation and re-fabrication of roll forging die for the automobile front axle

LIU Yuanwei,SHEN Hui,ZHANG Lu,LI Jianbo
（Shandong Hengtai Auto Axle Co.,Ltd.,Xintai 271200,Shandong China）

The surface welding technology for reparation and re-fabrication of roll forging die for the automobile front axle has been mainly introduced in the text,including material removing of die flaws,preheating of dies,welding of alloy layer and annealing,etc.The service life of roll forging dies has been obviously improved after being surface welded for reparation and re-fabrication.

Automobile front axle;Roll forging die;Surface-weldingReparation;Service life of dies

TG315.2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.031

1672-0121（2016）02-0113-04

2015-07-15；

2015-09-07

劉元偉（1987-），男，助工，從事鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)、制造等工作。E-mail:13562815653@163.com