芯棒去應(yīng)力退火工藝的研究

王曉明 李成鑫

(天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津300301)

芯棒是一種用于無縫鋼管擴(kuò)孔定型的重要工具。我國(guó)作為一個(gè)無縫鋼管生產(chǎn)大國(guó)，芯棒的大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化已迫在眉睫。由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)芯棒的經(jīng)驗(yàn)較少，在生產(chǎn)中出現(xiàn)很多問題。其中一個(gè)問題就是由于內(nèi)應(yīng)力的作用，在生產(chǎn)芯棒的過程中，往往會(huì)在機(jī)加工序出現(xiàn)粗車后芯棒變彎的現(xiàn)象。文章對(duì)芯棒去應(yīng)力工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以解決芯棒機(jī)加工后變彎的問題。

1 試驗(yàn)分析

1.1 芯棒變彎原因

機(jī)加工芯棒變彎是內(nèi)應(yīng)力造成的，這里的內(nèi)應(yīng)力分兩部分：(1)加工時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。芯棒使用車床加工時(shí)，車刀作用在工件上會(huì)產(chǎn)生車削應(yīng)力，如果芯棒很直，車削力均勻的作用在芯棒的圓周上，分布均勻，達(dá)到平衡狀態(tài)，芯棒會(huì)越車越直。但當(dāng)芯棒本身存在彎曲度時(shí)，車刀就會(huì)車削不均勻即偏心車，這樣芯棒圓周的車削量不同導(dǎo)致作用在芯棒圓周上的車削力不均勻，受力不均就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。芯棒的彎曲度越大，車削越不均勻，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力達(dá)到一定程度后，大于芯棒的屈服強(qiáng)度時(shí)，芯棒就會(huì)變彎。(2)加工鍛造鋼材在冷卻過程中，因表面和心部冷卻速度不同所造成的內(nèi)外溫差會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力與后續(xù)工藝因素疊加，易使工件發(fā)生變形[1]。芯棒必須要經(jīng)過矯直以減少變形量為后續(xù)機(jī)加工做準(zhǔn)備，但矯直時(shí)矯直機(jī)的壓力會(huì)使芯棒內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，芯棒矯直后必須去應(yīng)力退火。如果不能很好的消除芯棒機(jī)體中的應(yīng)力，機(jī)加工過程中應(yīng)力釋放就會(huì)導(dǎo)致芯棒變彎。所以控制芯棒機(jī)加工前的彎曲度(下文簡(jiǎn)稱原始彎曲度)以及確保芯棒的內(nèi)應(yīng)力完全去除干凈是解決問題的唯一辦法，即確定一個(gè)合適的去應(yīng)力退火工藝。完整的去應(yīng)力工藝參數(shù)包括升溫速率、退火溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式。影響芯棒去應(yīng)力質(zhì)量的兩個(gè)主要參數(shù)為退火溫度和保溫時(shí)間。本試驗(yàn)分兩步，第一步確定合適的退火溫度，以保證芯棒原始彎曲度在合適的范圍，第二步確定合適的保溫時(shí)間，以保證芯棒內(nèi)應(yīng)力完全去除干凈。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)

內(nèi)應(yīng)力的去除程度取決于退火溫度及保溫時(shí)間。一般來說，在進(jìn)行去應(yīng)力退火時(shí)，溫度過低，工件不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)完成局部應(yīng)力松弛的塑性變形，所需保溫時(shí)間很長(zhǎng)。常溫也可以起到去除內(nèi)應(yīng)力的效果即時(shí)效，但時(shí)間太長(zhǎng)，一般需要幾個(gè)月，不適用于生產(chǎn)。溫度越高，所需保溫時(shí)間越短，應(yīng)力去除越徹底，但也不能太高，以免發(fā)生金屬組織結(jié)構(gòu)變化。所以一般低于Ac1線以下100～200℃[2]為宜。

1.2.1 去應(yīng)力溫度的確定

芯棒材料為H13鋼，H13鋼的Ac1溫度為860℃，而奧氏體化后回火溫度一般為 550～650℃。為了不影響工件的力學(xué)性能并保證芯棒的回火索氏體組織，去應(yīng)力溫度需低于回火溫度，因此將去應(yīng)力溫度定為360～500℃。

1.2.2 保溫時(shí)間的確定

確定去應(yīng)力溫度后，還要有足夠的時(shí)間保證局部塑性變形和應(yīng)力的釋放。而保溫時(shí)間與工件有效加熱面積(本試驗(yàn)所選材料全部為棒材，故有效加熱面積為試驗(yàn)材料的直徑)有關(guān)，工件有效加熱面積越大，所需保溫時(shí)間越長(zhǎng)。本次試驗(yàn)芯棒的直徑為271 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式將保溫時(shí)間定為12 h～19 h。

2 試驗(yàn)過程

2.1 確定合適的退火溫度

保溫時(shí)間不變，對(duì)退火溫度進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最佳保溫溫度。GB/T16923—1997“鋼件的正火與退火”中規(guī)定去應(yīng)力退火的允許溫度偏差為±25℃，因此我們?cè)谠囼?yàn)中48支矯直后的?271 mm芯棒分為8組，每6支為一組，在360～500℃間，從360℃開始每增加20℃作為一種保溫溫度。具體保溫溫度如表1所示。工藝結(jié)束后待芯棒冷卻到室溫，用檢測(cè)臺(tái)架與百分表檢測(cè)彎曲度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。用車床對(duì)48支芯棒進(jìn)行車削加工，加工后再次測(cè)量彎曲度，得到不同溫度所對(duì)應(yīng)的彎曲度。

表1 保溫溫度Table 1 Holding temperature

表2 保溫時(shí)間相同、保溫溫度不同條件下芯棒彎曲度的試驗(yàn)結(jié)果(單位：mm)Table 2 The test results of mandrel bending under same holding time and different holding temperatures (unit: mm)

2.2 確定合適的保溫時(shí)間

退火溫度不變，對(duì)保溫時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最佳保溫時(shí)間。為了具有代表性，同樣將48支矯直后的?271 mm芯棒分為8組，每6支為一組。保溫時(shí)間在12 h～19 h之間，從12 h開始每增加1 h作為一種保溫時(shí)間。具體保溫時(shí)間如表3所示。工藝結(jié)束后待芯棒冷卻到室溫，用檢測(cè)臺(tái)架與百分表檢測(cè)彎曲度，結(jié)果如表4所示。用車床對(duì)48支芯棒進(jìn)行車削加工，加工后再次測(cè)量彎曲度，分析保溫時(shí)間與加工后彎曲度的關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

保溫溫度相同保溫時(shí)間不同條件下芯棒彎曲度的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 保溫時(shí)間Table 3 Holding time

表4 保溫溫度相同保溫時(shí)間不同條件下芯棒彎曲度的試驗(yàn)結(jié)果(單位：mm)Table 4 The test results of mandrel bending under same holding temperature and different holding times (unit: mm)

從表2可以看出，在同樣的保溫時(shí)間的情況下，當(dāng)去應(yīng)力溫度大于420℃時(shí)，芯棒去應(yīng)力后彎曲度明顯增大，小于420℃時(shí)，芯棒去應(yīng)力后彎曲度基本不變。這是因?yàn)樾景舻那?qiáng)度一般隨著溫度升高而下降，存在較大內(nèi)應(yīng)力的芯棒被加熱，溫度升高時(shí)，其屈服強(qiáng)度會(huì)降低。當(dāng)屈服強(qiáng)度小于內(nèi)應(yīng)力時(shí)，材料內(nèi)部組織就會(huì)發(fā)生屈服，釋放應(yīng)力，直到殘余內(nèi)應(yīng)力與屈服強(qiáng)度達(dá)到平衡。去應(yīng)力退火就是基于這個(gè)原理，溫度過高，屈服強(qiáng)度過低，芯棒在內(nèi)應(yīng)力的作用下就會(huì)變形，溫度越高，變形量越大。從圖1可以看出，當(dāng)去應(yīng)力溫度小于400℃時(shí)，芯棒的加工后彎曲度明顯變大，這是因?yàn)槿?yīng)力溫度過低，芯棒內(nèi)應(yīng)力沒有釋放完全，沒有起到去應(yīng)力退火的作用，在車削加工過程中殘余內(nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致芯棒變彎。當(dāng)去應(yīng)力溫度大于440℃時(shí)，芯棒加工后彎曲度也明顯變大，這是因?yàn)樾景艏庸で霸紡澢冗^大(見表2)，芯棒車削加工時(shí)偏心車，車削量不均勻產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致芯棒變彎。因此去應(yīng)力溫度在400～440℃之間比較合適，420℃為最低點(diǎn)，故芯棒去應(yīng)力退火的最佳保溫溫度為420℃。

圖1 去應(yīng)力溫度與加工后彎曲度關(guān)系Figure 1 The relationship between stress relief temperature and bending after machining

圖2 去應(yīng)力時(shí)間與加工后彎曲度關(guān)系Figure 2 The relationship between stress relief time and bending after machining

表4中數(shù)據(jù)為不同的保溫時(shí)間所對(duì)應(yīng)的不同彎曲度。芯棒去應(yīng)力退火保溫時(shí)間對(duì)原始彎曲度沒有太大影響。由圖2可知，芯棒加工后彎曲度在一定范圍內(nèi)隨著保溫時(shí)間的增大而減小。這是因?yàn)樵诤线m的去應(yīng)力溫度下，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，芯棒的內(nèi)應(yīng)力去除越干凈，對(duì)后續(xù)機(jī)加工序的影響越小。當(dāng)去應(yīng)力保溫時(shí)間大于17 h后，芯棒加工后彎曲度控制在很小的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為此時(shí)芯棒殘余內(nèi)應(yīng)力很少，不足以影響后續(xù)加工?？紤]生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期等情況，將最佳去應(yīng)力保溫時(shí)間定為17 h。

4 結(jié)論

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，芯棒最佳去應(yīng)力退火工藝為在420℃保溫17 h?？蛇_(dá)到完全消除芯棒組織內(nèi)應(yīng)力的目的。

[1] 陸興.熱處理工程基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 劉永剛，李顯，李少華.焊后去應(yīng)力退火的機(jī)理及應(yīng)用(J).金屬加工，2009.