曲轴模具的堆焊修复工艺分析

庞全保

【摘 要】随着经济市场化，各个企业为了追求利润最大的目标，积极地致力于生产成本的降低。制造行业的激烈竞争，也要求产品毛坯锻件价格降低。在锻件生产成本中，模具费用作为可变成本，占生产成本的 10%～12%，占据了较多的资金。本文针对某曲轴厂曲轴模具型腔磨损严重，飞边桥部存在裂纹，曲轴锻造精度无法保证的问题，对曲轴模具进行了堆焊修复，在确定堆焊材料的基础上，制定了堆焊修复工艺。生产实践证明，堆焊修复后的曲轴模具初次使用寿命达3200件，提高了该厂原曲轴模具的使用寿命。

【关键词】曲轴;模具修复;堆焊工艺

曲轴是汽车发动机的主要零部件，担负着将活塞的上下往复直线运动转变为曲轴的旋转运动口。汽车行业的快速发展，使曲轴具有广阔的市场空间，如何降低曲轴的生产成本，成为各个曲轴制造商的热点话题。在曲轴锻件的生产中，模具费用占其成本的10%～12%，并且国内的曲轴模具使用寿命较短，为1500～2500件，仅是国外的1/3t。如何采用堆焊技术修复超差的曲轴模具，从而降低企业模具成本，缩短模具生产周期，提高模具使用寿命，是近年来研究的热点问题。

堆焊技术是一种将材料表面改性的，既经济又高效的艺技术，广泛地应用于模具的制造、修复。针对国内模具制造周期长、使用周期短的缺点，采用堆焊技术能够降低模具制造和生产成本，提高模具使用寿命。目前，关于模具修复技术的应用多数是针对小型锻模和切边模的修复。大型热作模具具有工作条件恶劣和受力复杂的特点，限制了堆焊技术在大型热作模具修复与制造中的推广应用。为实现堆焊技术在大型曲轴模具修复中的应用，研究了曲轴模具的堆焊修复技术，通过选择合适的堆焊材料和修复工艺，对大型曲轴模具进行了修复，并验证了堆焊修复技术的有效性。

1热锻模具失效方式

热锻模具在生产使用中，由于各部位受到的应力、温度、磨损等不同的条件，从而使模具型腔各部位的失效形式不同，在锻件生产中，热锻模具的失效方式主要表现为：

磨损：金属材料在型槽表面剧烈流动产生的强磨擦使型槽表面呈现粗糙不平的沟痕，导致零件局部尺寸达不到要求而报废，这是模具正常失效的主要方式。

热裂：这类裂纹往往比较浅，也称龟裂，属于正常失效方式。

变形（堆塌）：往往发生在金属流动剧烈、又相对薄弱的位置，一般是由零件结构决定的，也与模具冷却不合理，局部温度过高造成，属于正常失效方式。

断裂：这类失效往往与加工刀痕、材料内部缺陷、热处理缺陷、以及小圆角半径、模具预热等有关，发生在使用早期，属于非正常的失效方式。锻模的热裂、变形、磨损都可以通过打磨、堆焊及下落翻新等方式进行修复，延长模具的使用寿命。

2曲轴热锻模具失效分析

大型曲轴热锻模具磨损可以分為四个阶段：

第一阶段，生产锻件3000件以内，模具磨损形式主要是分模面与型腔连接的圆角磨损，并出现轻微龟裂;

第二阶段，生产锻件3000件至5500件，模具磨损形式是不仅模具分模面、型腔连接的圆角加剧磨损，而且模具型腔突出部位龟裂，模具型腔突出部位主要位置为平衡块劈料台;

第三阶段，生产锻件5500件至8000件，模具磨损形式是在前两阶段基础上型腔开始龟裂，龟裂深度一般在2mm以内，同时局部裂纹开始逐步扩展，裂纹深度在2mm-5mm长度在20mm-30mm之间，主要位置为平衡块辟料台、主轴径和连杆径，模具型腔局部突出部位出现变形（堆塌）;

第四阶段，生产锻件8500件以后，模具磨损和龟裂开始快速扩展延伸，使产品质量无法保证客户需求，主要表现为锻件尺寸超差，平衡块尖点充不满和机加后曲轴动平衡波动大，模具不能继续使用。

3曲轴模具的堆焊修复工艺

3.1堆焊材料的选择

要保证堆焊金属发挥最佳工作性能，降低曲轴模具修复成本，首先要选择合适的堆焊材料。选择堆焊材料，要遵循以下原则：

（1）满足曲轴模具的工作条件。根据曲轴模具的工作条件来判断损伤类型，选取最适合抵抗该损伤类型的堆焊合金。

（2）满足经济性要求。在满足曲轴模具工作条件的同时，考虑选取最便宜、堆焊工艺简便、加工费用较低的堆焊材料。最好选用单位使用寿命成本低的堆焊合金。

（3）具有良好的焊接性。选取的堆焊材料易于堆焊，与基体结合良好。当母材碳含量较高时，可以采取预热、缓冷、焊后热处理等工艺，避免曲轴模具堆焊修复过程中产生裂纹等缺陷。

3.1.1选择过渡层材料

曲轴模具的材料为45Cr2NiMoVSi钢，含碳量0.45%，碳当量较高，故其焊接性较差，堆焊过程中极易产生裂纹，为克服这一缺点，在曲轴模具堆焊修复过程中要堆焊过渡层金属。RMD535型堆焊材料具有韧性好、强度高的特点，适用于各类严重开裂模具修复的打底层堆焊及大截面锻模根部的堆焊修复。堆焊金属的硬度适中，抗拉强度与冲击韧性较高，较经济，故适于作为该曲轴模具的过渡层。

3.1.2选择工作层材料

曲轴模具在工作中要求具有较高抗裂性和耐磨损性，修复后采用CNC机床进行模腔加工，要求堆焊合金具有合适的硬度、良好的抗裂性、粘着磨损性能、回火稳定性、较高抗拉强度及冲击韧性。据研究，RMD248材料具有上述性能，使堆焊金属具有耐磨性、抗疲劳及抗变形能力，综合力学性能极佳，同时RMD～8堆焊材料的成本合适，故适于曲轴模具的堆焊修复。

3.2堆焊修复工艺

要保证修复的曲轴模具零件具有良好的工作性能，必须制定合理的堆焊修复工艺。曲轴模具的堆焊修复工艺主要包括堆焊前的准备、堆焊表面预处理、堆焊合金层和焊后热处理等。堆焊修复工艺如下：

（1）堆焊前的准备。堆焊前的准备主要有工艺制定，材料、工具和设备的准备，如MillerDimen.sion812型多功能焊机，堆焊过渡层材料RMD535，工作层材料RMD～8。堆焊层高度应高于飞边桥部2～5mm。

（2）堆焊表面预处理。堆焊表面的预处理主要包括以下几个环节：①基体表面的清理，首先进行堆焊表面的清洗、脱脂处理，可采用丙酮进行清洗;②基体表面的疲劳层处理，为提高堆焊质量，采用数控加工的方法除去表面疲劳层，根据曲轴模具的磨损情况，去除8～10mm的疲劳层;③堆焊前的预热，曲轴模具材料的含碳量较高，在堆焊修复过程中易产生裂纹，模具在堆焊前应进行预热处理。采用箱式电阻炉对曲轴模具预热。当曲轴模具升温至450℃时，保温10h左右。

（3）堆焊合金层。①堆焊过渡层：对预处理后的曲轴模具应立即采用熔化极气体保护焊进行堆焊过渡层，应从模腔最深处逐层堆焊，过渡层材料RMD535，焊机电流400A，电压30v，保护极气体比例Ar：0为4：1;②堆焊工作层：更换焊丝，采用RMD248焊丝进行堆焊，焊机电流500A，电压36V，保护极气体比例Ar：0为4：1。

（4）焊后热处理。为消除焊接部位的残留应力，改善焊接接头的韧性和塑性，减少裂纹的产生，焊后要先进行缓冷，再进行600℃高温回火处理。

（5）堆焊后的机加工。堆焊后曲轴模具型腔采用数控机床进行加工，加工至设计尺寸。

4结束语

针对曲轴模具的工作条件和材料的特性，选择了堆焊材料，其中堆焊过渡层材料选用RMD535，工作层材料选用RMD248。为保证修复的曲轴模具型腔具有良好的工作性能，制定了正确合理的堆焊修复工艺。工艺过程为：堆焊前的准备→堆焊表面预处理→堆焊合金层→焊后热处理→堆焊后的机加工。实践证明，采用堆焊修复工艺修复曲轴模具，较大地提高了模具型腔硬度，模具初次使用寿命达3200件，提高了模具使用寿命，降低了企业生产成本。

参考文献：

[1] 吕陶梅，王西建，陶江平.曲轴模具的堆焊修复工艺研究[J].模具工业，2014（10）.

[2] 陈海洲.大型船用曲轴曲拐弯曲锻造模具及预成形毛坯的设计方法[J].科技与创新，2016，000（004）：P.116-116.

（作者单位：保定市保胜车架有限公司）