水雾冷却对车轮模具使用寿命的影响
车轮作为铁路列车的关键零部件，其热锻成形工艺为镦粗→预成形→轧制→压弯成形。热锻模作为锻造的重要工具，直接影响车轮锻件的精度和成形质量，由于车轮模具工作条件苛刻，经常出现型腔板表面裂纹、局部严重磨损或塌陷等非正常失效的缺陷，导致车轮锻件出现批量报废，而且更换模具所需时间长，造成了能源的浪费，提高企业的锻件制造成本，使模具费用占车轮锻件成本的15%以上，预防热锻模非正常失效是车轮成形工序的关键，也是车轮生产企业节约成本的途径之一。
原因分析
- 热锻模的失效分为正常失效和非正常失效，非正常失效也叫早期失效，是指模具由于材料、制造工艺、工作过程等原因导致模具还未达到使用寿命要求就无法继续使用。因此，预防非正常失效应从以下几个方面进行优化。
01材料选择
车轮成形过程中，需经多次成形才能达到设计要求，每次成形时模具承受的压力很大，甚至达到5000MPa。因此，为降低生产成本、延长车轮模具的使用寿命，车轮模具的材料应具备良好的韧性、导热性和耐磨性。其材料应选择优质钢材，避免因钢材内部缺陷（如金属夹杂物、气孔、白点等）导致模具发生非正常失效。
国内目前广泛采用3Cr2W8V、5CrMnMo热模钢作为热锻模的材料。根据车轮模具的结构形式、材料价格及生产毛坯数量等综合因素考虑，选择5CrMnMo作为模具材料，并批量采购（经真空冶炼的钢材），入厂复检（从化学成份、金相组织等方面）等措施，严格控制材料的采购质量，5CrMnMo的化学成份如表1所示。
2.制造工艺
车轮模具的制造工艺为锻造、热处理、机加工。材料经高温加热和温度均匀后进行自由锻造，锻造后的毛坯及时进行等温退火处理，避免了锻后毛坯因冷却速度过快而产生裂纹。退火后的毛坯经加热、油淬、回火后进行性能检验，检验合格后进行机加工和成品检查，经检查合格的模具才能投入车轮生产。整个生产过程工艺参数固定，设备状态完好，确保了模具的制造质量。
3.模具工作过程
热锻模的正常使用寿命为2000~4000件，模具的正确使用与维护对使用寿命影响很大，若使用方法不当，会使使用寿命急剧降低几倍甚至几十倍，导致其非正常失效。现针对影响车轮模具使用寿命的环节进行具体分析。
关键点1模具冷却
车轮模具在工作状态时，模具零件与950~1050℃的高温坯料进行频繁接触，其表层的温度可达到500~600℃。高温使模具零件出现软化现象，导致模具零件硬度降低，从而缩短使用寿命。因此每个车轮成形后，模具需快速冷却，才能保证其使用寿命。
关键点2留模时间
车轮在成形时，成形时间决定了模具温度升高的幅度和回火时间的长短。温度高、留模时间长，回火效应增大，导致模具零件硬度降低，引起异常磨耗。因此在实际生产中应减少留模时间，这样既可以降低模具零件表面的温度，又可以缩短回火时间，提高生产效率，延长模具的使用寿命。
关键点3 润滑
车轮模具在工作时，模具零件表面与坯料在较高压力下进行剧烈摩擦，一些金属氧化皮或残余金属屑对模具零件表面产生拉伤及磨粒磨损。因此车轮成形后，应及时清理模具零件表面附着物，并做相应的润滑处理。通过以上分析得出，避免车轮模具非正常失效应从其工作过程进行优化。优化冷却、润滑方式、提高生产效率是降低车轮模具非正常失效的有效措施。经过不断改进，模具材料、制造工艺已经成熟，但同种规格模具的使用寿命仍存在较大差别，主要是因为使用过程冷却不当造成，为此采用不同冷却方式进行试验。
为了验证不同的冷却方式对模具使用寿命的影响，选用留模时间最长、订货数量较大的HDSA车轮预成形模具进行试验。
冷却方式与生产车轮数量统计如图2所示，从图2可以看出，采用压缩空气吹扫方式冷却模具时，生产车轮的件数最少；采用水雾冷却模具时，生产车轮的件数最多。车轮成形后，采用压缩空气进行模具冷却时，受整个车轮锻轧的影响，冷却时间短，空气冷却强度弱，模具零件表层的温度高达450~550℃，长时间处于高温状态，模具零件局部软化塌陷造成车轮废品。车轮成形后，采用自来水（压力0.07MPa）人工喷射方式进行模具冷却，模具零件表面清理采用压缩空气（压力0.6~0.8MPa）人工吹扫。人工喷射自来水冷却效果不均匀，模具型腔内易存有积水，积水被高温金属封闭后，形成高温高压的气体，脱模的瞬间，高压气体会冲出，造成型腔底部冲击而产生深坑，这些深坑成为断裂的起点，导致模具失效。采用增压自来水进行模具冷却，利用自来水的管道，将原自来水压力提高到0.8~1MPa，在出口处加喷头，并固定在压力机上，使水流强喷到模具零件上进行冷却及清理。采用该冷却方式会导致模具零件个别部位冷却速度过快，测量表面温度为150~200℃，多次锻造生产后发现尖角处出现崩裂，导致模具失效。同时由于水压过大，冷却水直接喷到模具零件表面会出现不同程度的冲击点，直接导致模具开裂。
最后设计自控混合喷头用于自来水与压缩空气混合，喷头的数量和布置方式根据模具结构进行改进。因车轮为圆形，车轮成形后上、下模均需冷却，喷头设计时采用圆盘状作框架，喷头分上、下层均布，上层喷嘴向上，下层喷嘴向下，每层的喷头数量和布置方式如图4所示。
为了避免喷头堵塞，将自来水软化处理后加压形成高压水雾对模具进行冷却、清理。为了使模具使用寿命延长到极限，将自动机械臂、压力机的动作与喷雾冷却过程进行集成，同时对高压水雾所需的压强进行试验，发现水压调整为0.5~0.6MPa时车轮预成形模具可达到均匀冷却的效果，模具零件表面温度控制在300~350℃，实现了车轮成形后自动冷却清理，不仅提高了车轮锻轧的生产效率（每个车轮的生产时间由原来的100s降低到60~65s），而且使模具使用寿命延长到2500~3000件。
