R32釬桿受力分析和提高制造質(zhì)量的探討

張廣海

（魯中礦業(yè)有限公司機(jī)械廠，山東萊蕪271113）

1 概述

R32鑿巖釬桿（簡(jiǎn)稱R32釬桿），目前在國(guó)內(nèi)地下礦山用于鉆鑿垂直或傾斜向上扇形孔口。我公司在中深孔鑿巖作業(yè)中，R32釬桿與YGZ-90型氣動(dòng)導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)組成的TJ90臺(tái)架或鉆車配套使用。R32釬桿在鑿巖過(guò)程中要承受沖擊、扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷產(chǎn)生的復(fù)雜交變應(yīng)力，桿體表面要受到巖石劇烈磨損和芯孔受到礦水的沖擊和侵蝕，失效比較頻繁。R32釬桿作為中深孔鑿巖高成本的消耗材料，質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)礦山開采成本影響很大，因此穩(wěn)定并提高釬桿的制造質(zhì)量十分重要。

2 R32釬桿的受力分析

2.1 釬桿受力特性

鑿巖過(guò)程中，釬桿承載鑿巖機(jī)活塞2000～3000次/分高頻沖擊，在鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)器推力的共同作用下，進(jìn)行巖石破碎，其主要受力為：

（1）由鑿巖機(jī)活塞沖擊縱波產(chǎn)生的軸向交變壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力（圖1a）；

（2）由鑿巖機(jī)的活塞偏心沖擊產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力（圖1b）；

（3）鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，釬桿傳遞扭矩及鑿巖時(shí)夾釬等因素誘發(fā)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；

（4）鉆進(jìn)過(guò)程中釬桿承受炮孔內(nèi)壁巖石的摩擦力；

（5）鉆進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的其他附加振動(dòng)和沖擊載荷。

圖1 鑿巖機(jī)活塞應(yīng)力波形圖

2.2 R32釬桿受力分析

R32釬桿除承受上述應(yīng)力和載荷外，隨著孔深增加，連接釬桿的增多，其受力狀況將會(huì)變得更加復(fù)雜，主要來(lái)源于：

（1）釬桿接頭的反射應(yīng)力波

在深孔鑿巖時(shí)，應(yīng)力波通過(guò)釬桿將會(huì)產(chǎn)生反射應(yīng)力波逆向傳播（圖2）：

測(cè)試和計(jì)算結(jié)果表明：應(yīng)力波通過(guò)多個(gè)

圖2 應(yīng)力波通過(guò)連接套的傳播

表1 應(yīng)力波通過(guò)多個(gè)接頭的能量傳遞效率

表1 應(yīng)力波通過(guò)多個(gè)接頭的能量傳遞效率

由表1可以看出：

1）應(yīng)力波通過(guò)接頭傳播，將產(chǎn)生較大的能量損失，除一部分轉(zhuǎn)化為熱能損耗外，很大一部分將在接頭處形成反射波逆向傳播。導(dǎo)致在接頭部位形成應(yīng)力疊加。

2）就單一接頭的能量傳播效率而言，愈接近鑿巖機(jī)的接頭，其能量傳播效率愈低，應(yīng)力波反射現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故接近鑿巖機(jī)的釬桿更容易“早期“損壞。

（2）釬桿組的縱向彎曲。

中深孔鑿巖釬桿組是由幾根或者數(shù)十根釬桿通過(guò)接頭連接起來(lái)使用，屬于典型的細(xì)長(zhǎng)桿件，在壓載荷下極易縱向失穩(wěn)，產(chǎn)生大的彎曲變形，導(dǎo)致彎曲應(yīng)力增大。縱向彎曲的臨界力為：

式中E——彈性模量E=2.1×107N/cm2

μ——壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)，對(duì)于一端固

定、一端絞接的情況，μ=0.699

將臨界力取為釬桿組的壓載FK=10KN,則可得到對(duì)應(yīng)的臨界長(zhǎng)度：

可以看出，當(dāng)釬桿組超出4.67m以后，即處于失穩(wěn)狀態(tài)。

上述兩方面的原因均將導(dǎo)致R32釬桿較之一般釬桿產(chǎn)生更大的拉壓和彎曲應(yīng)力增長(zhǎng)（特別是在接頭處）；同時(shí)由于釬桿組的失穩(wěn)彎曲，更進(jìn)一步加劇了釬桿組和孔壁的摩擦作用，將加速釬桿的疲勞失效。

3 R32釬桿的主要失效形式

R32釬桿主要失效形式有螺紋磨損失效如圖3，螺紋與桿體過(guò)渡區(qū)部位斷裂失效如圖4，桿體部位失效如圖5（不常見）三種情況。

圖3 螺紋磨損失效

圖4 螺紋與桿體過(guò)渡區(qū)失效

圖5 桿體部位失效

4 R32釬桿的質(zhì)量問(wèn)題分析

（1）R32釬桿的中空鋼材質(zhì)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或雖然符合國(guó)標(biāo)但化學(xué)成分配比不佳，熱處理后釬桿的綜合機(jī)械性能較低。

（2）桿體材料的直線度、幾何尺寸精度差等缺陷，導(dǎo)致釬桿使用性能差和鑿巖壽命很低。

（3）釬桿端面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、未按標(biāo)準(zhǔn)加工。釬桿通過(guò)釬套連接時(shí)，釬桿與釬桿端面貼合不好。

（4）過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)不合理及設(shè)備的原因，導(dǎo)致螺紋、螺紋根部及過(guò)渡區(qū)精度低，出現(xiàn)劃痕、螺紋過(guò)渡區(qū)圓弧存在較大的應(yīng)力。

（5）波形螺紋與過(guò)渡圓弧的銜接不好，存在應(yīng)力集中，成為危險(xiǎn)斷面。

（6）波形螺紋豐滿度低，螺紋體積小，磨損時(shí)間短，過(guò)早失效。

（7）熱處理后，釬桿表層及芯部組織、硬度沒(méi)有得到保證，綜合機(jī)械性能差。

（8）由于設(shè)備限制，未能進(jìn)行拋丸及防腐等表面處理，影響了釬桿的綜合機(jī)械性能。

5 提高R32釬桿質(zhì)量的措施

5.1 桿體的結(jié)構(gòu)

端面結(jié)構(gòu)、過(guò)渡槽的結(jié)構(gòu)形式也是影響釬桿質(zhì)量和使用壽命的重要因素，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、加工端面和過(guò)渡槽是避免R32釬桿早期破斷的有效措施。

5.2 機(jī)械加工

桿體直線度、螺紋端面結(jié)構(gòu)、端面內(nèi)外圓倒角按照標(biāo)準(zhǔn)加工是保證釬桿使用壽命的主要措施，過(guò)渡槽槽溝的深度和槽溝底部的曲率半徑對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)影響最大，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制；波形螺紋的豐滿度也是影響釬桿使用壽命的主要因素，豐滿度不好的波形螺紋，體積小，磨損時(shí)間短。采用數(shù)控或非圓液壓仿形車床雖然能保證豐滿度，但螺紋精度低。尖刀偏心旋風(fēng)銑削法加工的精度高，但要控制好豐滿度。根據(jù)目前的生產(chǎn)要求和產(chǎn)品使用情況，采用尖刀偏心旋風(fēng)銑削法加工波形螺紋可以滿足要求。

5.3 熱處理工藝

我廠生產(chǎn)的R32釬桿使用的材質(zhì)為國(guó)內(nèi)常用的35SiMnMoV合金鋼，其熱處理工藝曲線如圖6，滲碳（碳氮共滲）+強(qiáng)制風(fēng)冷+兩端螺紋淬火+回火。

圖6 熱處理工藝曲線

5.3.1 滲碳

滲碳屬于化學(xué)熱處理，通過(guò)加熱和保溫，使氣氛中的某些元素滲入鋼鐵表層，來(lái)改變表層的化學(xué)成分，使芯部與表層具有不同的組織和力學(xué)性能。在滲碳過(guò)程中，滲碳溫度高、碳勢(shì)高、滲碳速度快；溫度低、碳勢(shì)低、滲碳速度慢。滲碳層表層的含碳量過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物，增加滲碳層的脆性和缺口敏感性。淬火后會(huì)產(chǎn)生粗大馬氏體和過(guò)多奧氏體；滲碳層表面奧氏體會(huì)影響釬桿表面硬度和耐磨性。因此滲碳參數(shù)的正確選取是影響滲碳質(zhì)量最重要的因素。

（1）滲碳溫度

一般為900℃～950℃，溫度高、滲碳速度快、時(shí)間短，溫度低一點(diǎn)，滲碳時(shí)間長(zhǎng)，表面含碳量易控制，大多數(shù)廠家使用930±10℃。

（2）滲碳層的碳濃度

適當(dāng)?shù)谋韺犹紳舛葘?duì)改善滲碳鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度，沖擊韌性具有重要影響；滲碳表層有較好的強(qiáng)韌性配合，可以提高疲勞性能。一般把滲碳層表面含碳量控制在0.8～0.85C%，不要超過(guò)0.95C%。

（3）滲碳層的深度

要獲得芯部要求的韌性，滲碳層的深度不能太深，實(shí)踐證明，滲碳層厚度控制在0.75～0.85mm較合適，不要超過(guò)1.0mm。

（4）強(qiáng)滲與擴(kuò)散時(shí)間

強(qiáng)滲時(shí)間一定要大于擴(kuò)散時(shí)間，強(qiáng)滲時(shí)間與擴(kuò)散時(shí)間分配要合理，否則會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：擴(kuò)散時(shí)間短，碳沒(méi)有充分向里擴(kuò)散，碳濃度未達(dá)到理想的梯度變化，將導(dǎo)致熱處理后疲勞性能降低；強(qiáng)滲時(shí)間短，沒(méi)有太多的碳向里擴(kuò)散，造成滲碳層深度不夠。如果滲碳時(shí)間一定，強(qiáng)滲碳時(shí)間與擴(kuò)散時(shí)間的合理分配是影響滲碳質(zhì)量的重要因素。

5.3.2 桿體淬火

滲碳后強(qiáng)制風(fēng)淬是控制桿體硬度，保證貝氏體材料組織的重要工序，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析我廠采用1440rpm風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，表層組織：馬氏體+碳氮化合物+奧氏體，芯部組織：下貝氏體+少量馬氏體。芯部組織具有較高的疲勞性能、彈性性能及強(qiáng)度和韌性的配合。

5.3.3 螺紋淬火、回火

兩端螺紋淬火，采用中頻感應(yīng)加熱，為防止人為對(duì)溫度誤判，用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫?；鼗饡r(shí)根據(jù)滲碳后每爐桿體硬度調(diào)整回火溫度。其淬火溫度、工藝為：880～900℃加熱、淬油。回火溫度為：200～500℃，在回火過(guò)程中要防止250～350℃和400～500℃兩個(gè)溫度區(qū)間中出現(xiàn)的第一、第二類回火脆性。

5.4拋丸及防腐

拋丸和防腐也是提高釬桿質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一，它對(duì)提高釬桿疲勞壽命有著重要的影響，是必不可少的工序。目前國(guó)內(nèi)對(duì)釬桿表面處理的廠家較少，這也是國(guó)內(nèi)與國(guó)外釬桿質(zhì)量存在較大差異的一個(gè)重要因素。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)受力分析表明：R32釬桿除了承受一般釬桿的拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力外，由于深孔鉆進(jìn)中，釬桿接頭應(yīng)力波反射和長(zhǎng)桿壓載失穩(wěn)的影響，其受力狀況較之一般釬桿更加復(fù)雜和惡劣，誘發(fā)更大的拉壓和彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致釬桿加速疲勞失效。

（2）R32釬桿有螺紋磨損，螺紋與桿體過(guò)渡區(qū)斷裂和桿體部位失效三種主要失效形式。以螺紋磨損和螺紋與桿體過(guò)渡區(qū)斷裂失效居多，造成失效的主要原因是疲勞損傷和磨損。

（3）目前R32釬桿存在的質(zhì)量問(wèn)題主要有：a.中空鋼材的缺陷；b.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；c.加工問(wèn)題；d.熱處理未達(dá)要求。上述問(wèn)題是造成釬桿早期失效的重要原因。

（4）本文從桿體結(jié)構(gòu)、機(jī)械加工、熱處理工藝及拋丸防腐幾方面全面論述并提出了提高釬桿制造質(zhì)量的措施。

（5）本工作可供釬桿的設(shè)計(jì)、制造參考，對(duì)提高釬桿的質(zhì)量有所助益。

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