滚压成型钎杆波形螺纹工艺

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石，用水冲走岩粉，达到钻孔的目的。分析 一组垂直向上的钎杆在凿岩过程中的受力情 况，可以看出 其 危 险 点 是 最 下 面（连 接 钻 机）一根钎杆的螺纹与杆体的过渡处。取一 微观体进行应力分析，如图 * 所示。 以钻石 *##.1( 型钻机及 234$# 凿岩机 为例进行定量分析，其已知参数如下： 额定拉动力 !5)# 6 冲击能（工作气压在 #+/" 789 时） : %%+- ; 活塞质量 冲击频率 转钎扭矩 ! <= : ") >?
& ! ! " ##$%# 通过以上计算，可以看出钎杆在工作中 承受着很高的载荷。按第三强度理论：
则
据资料介绍：形变热处理是对金属材料有效 地综合利用形变强化及相变强化，将压力加 工与热处理操作相结合，使成型工艺同获得 最终性能统一起来的一种工艺方法。这种方 法在冶金工艺、机械制造业及尖端技术领域 受到普遍重视。形变热处理又分为低温形变 热处理和高温形变热处理两种。将钢加热到 奥氏体状态，保持一定时间，快速 冷 却 到 "#’ 以下，在亚稳定奥氏体状态下进行形变， 然后淬火得到马氏体组织的综合工艺叫低温 形变淬火。将钢加热到稳定奥氏体区保持一 段时间，在该状态下形变，随后进行淬火以 获得马氏体组织的综合处理工艺，称为高温 形变淬火。 我们根据工件的工况条件及工艺条件采 用的是高温形变热处理工艺。高温形变淬火 辅以适当温度的回火处理，能在提高钢的
滚压成型钎杆波形螺纹工艺
周为民
（白银公司研究所钻具室，甘肃 白银 !"#$##）
摘要：矿山井下钻凿中深孔时所用的 !"% && 的钎杆，传统的加工方法是车削 加工，容易产生表面缺陷，螺纹根部与杆体的过渡处易产生应力集中。现介绍一种 新的加工工艺— — —滚压形变热处理钎杆波形螺纹的工艺及其优缺点。 关键词：凿岩钎杆；受力分析；滚压形变热处理 中图分类号：’()%*+% , 文献标识码：.
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这个值 已 接 近 弹 性 极 限 值 "2 ，而 ! !
" ##$%#&说明最大主应力与 ! 轴的夹角接近 负 #1 & ，是典型的剪应力负载状况。转钎扭 矩是产生剪应力的主要载荷。凿孔时，钎杆 不是一条直线往前走，因此杆体还要承担弯 矩载荷。一般断杆多发生在一组钎杆的中下 部，说明这部分承受弯曲应力后，实际应力 状况比分析的危险点处的还要大。 钎杆负载高，还承受脉动载荷，为了提 高疲劳寿命，首先要求有较高的表面加工质 量，其次要克服螺纹根部的应力过渡问题。 从前面的受分析可以看出，钎杆受力的危险 点发生在螺纹与杆体的过渡处。车削螺纹过 程中，此处将产生尖角，需要加工一个过渡 圆弧来消除尖角。这样，工件的最小截面直 径为#/3 4#/3$1 ((。另外，工件在加工过 程中产生的微观缺陷在其后的渗碳与淬火工 艺中，也容易产生微观裂纹并有扩大的趋 势。以上问题在车削加工钎杆螺纹中都不易 解决。
"7 、 "2 的 情 况 下，改 善 钢 的 塑 性 和 韧 性。 高温形变淬火可提高钢材的裂纹扩展功、冲 击疲劳抗力、断裂韧性、疲劳断裂抗力（特
别是在超载区的疲劳破断抗力） 、延迟破断 裂纹扩展抗力、高接触应力下局部表面破损 抗力和接触疲劳抗力（尤其是超载区） 。 滚压形变钎杆工艺过程为：将工件进行 表面渗碳处理，然后在中频炉上将工件快速 加热到奥氏体区域进行形变（滚压螺纹） ， 随后进行等温淬火，获得下贝氏体（心部） 与马氏体（表面组织） 。达到表面硬、心部 软，即能抗磨损，又具有一定柔韧性。实践 表明：表层硬度达到 89:11 以上，心部硬 度保持在 89:#1 左右，就能使钎杆满足凿 岩要求。另外，按照标准，#%/ (( 的钎杆 螺纹直径为 #%’$’5 4 #%’$%# ((，杆体直径 一般 为 #%6 4 #%/$1 (( （实 际 产 品 检 测） 。 采用滚压螺纹工艺时，杆体直径只要保持在
*
钎杆的受力分析
钎杆在工作过程中不但负载高，受力状
Hale Waihona Puke 况也较复杂。冷加工中产生的微观裂纹很容 易造成钎杆早期失效。为了说明问题，对钎 杆的受力（如图 * 所示）作简单定量分析。 凿岩过程中，钻机通过钎杆把功率传递 给钎头进行破岩，机械动作是在一定频率的 冲击下，通过不断地旋转改变冲击点破碎岩
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・ : *)!# 6 & 根据物理学动能定理得：
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03 + ! 1"2 !! * ( 1 〔 （ ） 〕 ) 0 . " ) 式中 — —工作阻力，4 ’— — —上部钎杆的自重，4 (— — —钻机的拉动力，4 &— — —钎 杆 退 刀 槽 处 的 直 径 为 "2%& )— )) — —钎杆水孔直径为 0/ )) *—
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中深孔用凿岩钎杆在采矿作业中承担着 传递钻机功率到凿岩钎头进行破岩的任务。 工作过程中受到压、扭、弯及脉动 冲 击 合 力，同时表面还要受到磨，蚀等作用。工况 较为恶劣，因此，对材质及加工都有很高的 要求。 /# 0 !# 年代以来，我国发展起了自己 的钎钢和钎具产品，但中深孔用凿岩钎杆的 螺纹部分及螺纹与杆体的过渡处，一直是该 产品的薄弱环节。在使用中，很多失效形式 都表现为这部分发生断裂，影响使用寿命。 其根本原因是这部分在材料加工中产生大量 微观裂纹，以及在杆体与螺纹过渡处不易消 除应力集中的影响。
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#%6(( 左右即可。这样，整根钎杆的重量 比原 来 轻 了 约 ’ ;<，可 节 约 原 材 料 费 约 3 元。尤其可取的是，把磨损较大的 头 部 切
掉，仍可用这种工艺加工螺纹，给修旧利废
凿岩机械气动工具，/66’（%）
万方数据
创造了可行性。 用这种工艺加工成的钎杆在实际生产中 的寿命要高于原工艺下的钎杆。这是由于加 工方式不同，螺纹与杆体的过渡处有效截面 积不同，同等载荷下承受的应力不同。由于 凿岩过程中，岩孔不是一条直线，钎杆在传 递载荷的同时，还要承受弯曲应力和转矩产 生的剪应力。更为重要的是，在脉动循环载 荷的作用下， !!" ## 的钎杆由于退刀槽处 直径较小，应力大，这对钎杆的疲劳强度是 有影响的。 由材料力学知识可知，在对称循环交变 应力作用下，应力集中对疲劳极限的影响用 有效应力集中系数 !" 或 !# 表示，它代表光 滑试件的疲劳极限与同样尺寸但有应力集中 试件的疲劳极限之比值。圆角半径愈小，有 效应力集中系数愈大，材料的静强度极限 "$ 愈高，应力集中对疲劳极限的影响愈显 著。对承受脉动载荷作用的钎杆来说，显然 用滚压成型工艺加工的钎杆的耐疲劳载荷的 能力高，使 用 寿 命 长。 %&&% 年 长 沙 矿 冶 研 究院把我们用该工艺加工的钎杆与其他厂家 生产的钎杆在凿岩试验台上做模拟试验，试 验结果证明我们厂的钎杆寿命达到了国内先 进水平。从 %&&% 年至今我厂一直采用这种 工艺生产钎杆，在我公司深部铜矿的生产使 用中反映较好，近十年的生产统计表明该钎 杆的单位消耗有了一定幅度的减少。滚压形 变热处理工艺于 %&&% 年获国家“实用新型” 项目专利，并获有色总公司科技进步四等 奖。 滚压螺纹成型工艺也有其不足之处。目 前工艺是用较大直径模具来成型钎杆的外螺 纹，而与之配合的内螺纹套管则还要在车床 上车制。为了取得一致的螺纹，滚模与钎杆 的螺旋升角应相一致，即：
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波形螺纹的滚压成型工艺
我室于 ’556 年完成了滚压成型波形螺 纹工艺的研制，替代了车削工艺，从而大大 地提高了钎杆的使用寿命，降低了制造成 本，较好地解决了车削加工产生的上述缺 陷。滚压工艺为不去除材料加工，螺纹被挤 压成型，不会形成表面缺陷。在组织内部， 晶粒被挤压后更加致密，并沿波形螺纹形成 流线，对提高螺纹部分的柔韧性极有好处。 滚压螺纹与杆体连接处是自然过渡，不需加 工过渡圆弧。钎杆波形螺纹滚压成型工艺 中，滚压与淬火是连续进行，一气呵成的， 这种形变热处理是一种较新的热处理技术。
" ()* % ’ ! !+%,（ # - $ ） — —螺距 "— — —钎杆直径 #— — —螺纹深度 $— "% ()* $" ’ !+%,（ & - $ ） — —螺纹头数 %— — —滚模直径 &—
（%）
（"）
从式（%）和式（"）中可以看出：直径 # 或 & 减 少，则 $ 值 增 大， # 或 & 增 大， 则 $ 值减小。也就是说如果钎杆与滚模在 中径上的 $ 值是一致的，而滚模的中径以 内与钎 杆 的 直 径 以 外 $ 值 则 是 一 个 增 大， 一个减小，反之亦然。所以用滚模来滚压钎 杆，再与用车床车出的套管相配合，结合面 一定是线接触，很难达到精确配合。为什么 会产生这种现象呢？主要是因为两者直径不 同，我们知道，在车床上可以设定一定的走 刀距，但对不同直径的工件却有不同的螺旋 升角，同时在车床上加工套管与钎杆，由于 配合螺纹直径基本相同，螺纹升角的变化也 基本一致，配合自然没有问题。而滚模直径 较大，变化自然不同，所以才会产生如此问 题。实际凿岩过程中，由于传递载荷较大， 又有泥沙矿岩水的磨蚀，初始的磨合时间是 较短的，很快就能由线接触过渡到面接触， 所以对使用质量影响并不明显。这个问题是 可以通过改变加工工艺彻底解决的。从式 （"）可以看出，当 & 增大（为了保持 $ 值 不变， % 增大）时，在一定范围内螺旋升角 的变化值要小于 & 在小直径时一定范围内 的直径变化后$ 值的变化值。所 以 可 以 想 象，当 & 值无限增大，变成平板来进行搓 丝时，就可达到与车床加工同样的效果，这 也是今后改进工艺的一个方向。 以上从几个方面分析、介绍了滚压形变 处理钎杆波形螺纹的工艺，尽管还存在一些 问题，但却提高了钎杆的使用寿命，降低了