一種新型錨固鉆桿的研制

賈文廣，劉建芳

一種新型錨固鉆桿的研制

賈文廣，劉建芳

(河北省地礦局第一地質(zhì)大隊,河北 邯鄲 056001)

本文主要通過分析接頭螺紋的受力狀況及有限元分析，從扣型、材質(zhì)、熱處理和工藝方案等多方面進(jìn)行了獨(dú)特的改進(jìn)和創(chuàng)新，大大提高了錨固鉆桿的連接強(qiáng)度，減少了折斷率，帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

錨固；鉆桿；摩擦焊；螺紋；強(qiáng)度

0 概述

在現(xiàn)代工程施工中，錨固工程廣泛應(yīng)用于隧道開挖，地災(zāi)治理，鐵路護(hù)坡等領(lǐng)域。其中，施工機(jī)械和器具性能的優(yōu)劣將直接影響到工程施工的進(jìn)度和質(zhì)量，尤其是錨固鉆桿如果在施工中失效斷裂，不僅處理事故時間長、難度大，而且會造成施工費(fèi)用大大增加，延誤工期。我單位經(jīng)過廣泛調(diào)研，通過創(chuàng)新設(shè)計的新型錨固鉆桿不僅避免了目前存在的缺點(diǎn)，而且以強(qiáng)度大、壽命長、可靠性高、擰卸速度快等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)市場。

1 錨固鉆桿的使用工況和主要失效形式

在錨固工程施工鉆進(jìn)過程中鉆桿不僅要把動力傳遞到鉆頭，而且還是輸送風(fēng)壓和泥漿的主要通道。鉆桿在鉆進(jìn)孔中主要承受沖擊、扭轉(zhuǎn)、拉伸、彎曲等復(fù)雜交變應(yīng)力，工作條件極為惡劣。隨著使用時間的增加很容易產(chǎn)生疲勞裂紋從而造成鉆桿斷裂，斷裂大多數(shù)發(fā)生在鉆桿接頭外螺紋倒數(shù)第二扣和焊縫處。所以主要針對這兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)。

2 工藝路線設(shè)計

針對上述特點(diǎn)，通過仔細(xì)研究鉆桿受力狀態(tài)，使用三維建模進(jìn)行應(yīng)力分析，找出薄弱點(diǎn)對鉆桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并制定了先進(jìn)合理的工藝路線。

鉆桿桿體采用低合金鋼R780材質(zhì)，不僅抗拉強(qiáng)度高而且韌性強(qiáng)，完全滿足設(shè)計需要。使用廠內(nèi)YDG200型鐓管機(jī)對桿體兩端進(jìn)行加厚鐓粗，增加焊接截面積。

鉆桿接頭采用鋼級更高的35CrMo材質(zhì)，粗車后調(diào)質(zhì)處理，使用精密的數(shù)控機(jī)床加工接頭內(nèi)、外螺紋，然后對接頭進(jìn)行液體滲氮加強(qiáng)螺紋表面強(qiáng)度，提高螺紋副抗粘扣性和抗腐蝕性。

關(guān)鍵工藝就是使用HMZ40型全自動摩擦焊機(jī)焊接桿體和接頭，克服了傳統(tǒng)CO2保護(hù)焊易產(chǎn)生的夾渣，氣孔等缺陷。最后使用100 kW中頻爐對焊縫進(jìn)行高溫回火處理，消除鉆桿的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，提高綜合力學(xué)性能。

錨固鉆桿的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 錨固鉆桿結(jié)構(gòu)圖

3 新型螺紋設(shè)計

目前國內(nèi)錨固鉆桿大多采用三角形螺紋連接，這種螺紋牙型結(jié)構(gòu)簡單，加工效率高，成本低，但由于螺紋槽底呈尖棱狀，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著長時間反復(fù)沖擊作用，產(chǎn)生微小裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展加深，最后疲勞斷裂，事故率比較高。我單位鉆桿螺紋采用圓弧形螺紋，增加了螺紋接觸面，降低了表面應(yīng)力，不僅抗扭強(qiáng)度大，而且表面經(jīng)滲氮強(qiáng)化后大大提高了螺紋強(qiáng)度和抗粘扣性。這種螺紋外表光滑，沒有三角形螺紋的突變轉(zhuǎn)折，加工及使用過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較小，可以承受較大的彎曲力矩和扭矩。同時，大螺距設(shè)計加快了鉆桿的裝卸速度，大幅度減少了輔助工作時間，提高了鉆機(jī)純鉆進(jìn)時間。

3.1 螺紋成形原理

此種螺紋是由一個圓面按一定規(guī)律移動所形成的軌跡，其移動規(guī)律是當(dāng)圓面作軸向移動時，其圓心的軌跡不是接頭軸線，而是保持一定旋轉(zhuǎn)半徑和一定螺距的螺旋線。因此，可以把這種螺紋看作是許多同樣大小的圓形薄片按螺紋規(guī)律組合而成，既有X軸方向運(yùn)動又有Y軸方向運(yùn)動，是兩軸運(yùn)動的合成。

3.2 加工原理和方法

要加工成符合圖紙要求的螺紋難度比較大，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和實(shí)際情況基本有以下三種方法：

第一種方法是直接使用成型刀按普通加工程序進(jìn)行，這種方法缺點(diǎn)是刀具切削面大，吃刀深，走刀快，切削余量大，切削阻力大，再加上數(shù)控車床剛性較差，隨時有悶車，扎刀現(xiàn)象發(fā)生。而且表面粗糙度較大，成型刀具在市場上不好買價格昂貴，不可取。

第二種方法是采用機(jī)夾三角形螺紋車刀利用系統(tǒng)循環(huán)功能里的宏指令進(jìn)行車削。因為螺紋表面是圓弧形，我們可以依據(jù)“數(shù)據(jù)密化”原理推理，只要根據(jù)曲線公式表達(dá)出曲線上坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后用加工螺紋指令G92沿著這些坐標(biāo)值依次移動就能形成圓弧螺紋。這種方法的缺點(diǎn)是牙型表面粗糙，刀尖容易磨損和崩刃，如果增加進(jìn)刀次數(shù)，切削時間加長，加工效率低，適用于切深較小的單件螺紋加工。當(dāng)遇到螺紋弧形較深時，刀尖就會產(chǎn)生干涉和過切現(xiàn)象，也不可取。

第三種方法是采用直徑較小的圓弧刀具(必須小于圖紙圓弧尺寸)來加工。車削較大螺距的圓弧螺紋時，牙型較深、寬度較大、螺距也較大，切削抗力大，所以擬定采用“分層法”加工，避免了傳統(tǒng)加工方法的缺陷。“分層法”就是不一次性把螺紋槽切削出來，而是分成若干層，每層深度根據(jù)實(shí)際情況而定，轉(zhuǎn)化成若干個較淺的螺紋槽來進(jìn)行切削，降低車削難度。始終只有一個側(cè)刃參加切削，從而使排屑比較順利，刀尖的受力和受熱情況大大改善，通過數(shù)控系統(tǒng)宏程序加工出表面光滑的高質(zhì)量螺紋，效果非常好。而且由于采用精密數(shù)控加工，保證了加工的一致性，保證了鉆桿的互換性。走刀路線如圖2所示。

圖2 走刀路線圖

3.3 數(shù)控編程

刀位點(diǎn)為R1.5圓弧刀的圓心，采用宏程序編程如下(以下編程以FANUC系統(tǒng)為例)：

O0001G99 G97 初始化

T0101 用1號刀具

M03 S300 轉(zhuǎn)速300 r/min

G0X78 Z8 刀具定位

M08 切削液開

#1=-30 壓型切深初始角

N1 #2=1*SIN#1 牙型切深X方向變量

#3=1*CON#1 牙型切深Z方向變量

#4=65.8-2*#2 螺紋加工時X坐標(biāo)

G0X68.8Z8-#3 刀具借刀

G92X#4Z-75F7 螺紋加工循環(huán)指令

#1=#1+5 牙型角角度變量增加

IF{#1 LE 90}TOTO1 判斷角度是否在范圍之內(nèi) G0 X100 Z100 M05 退刀主軸停止

M09 切削液關(guān)

M30 程序結(jié)束

4 結(jié)束語

本次研制工作主要針對目前市場上錨固鉆桿出現(xiàn)的缺陷，分別從鉆桿材質(zhì)的選擇，加工工藝的制定，新型焊接技術(shù)的運(yùn)用，新型螺紋牙型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，焊后熱處理和螺紋表面滲氮處理幾方面進(jìn)行了優(yōu)化。采用三維設(shè)計軟件建立力學(xué)模型進(jìn)行全面有限元受力分析，分清主次原因和關(guān)鍵參數(shù)的選擇，不僅技術(shù)先進(jìn)，而且加工成本低，很好滿足了客戶和市場需求。

[1] 李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1992.

[2] 曹巖,趙汝嘉.SolidWorks2007精通篇[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[3] 劉菊蓉,戴俊平,王旭飛,等.基于Pro/E的新型真空油泵設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2010(1):35-36.

2016-11-01

賈文廣(1978-)，男，河北張家口人，河北省地礦局第一地質(zhì)大隊高級工程師，主要從事新產(chǎn)品開發(fā)工作，河北省邯鄲市陵園路92號，Tel:13131062403，E-mail:1029908069@qq.com。

P634.4

A

1009-282X(2017)01-0011-02