硬質合金組合件過盈連接的可行性探討

蘇 偉,顏 娟,劉方舟

(自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢 643000)

硬質合金組合件過盈連接的可行性探討

蘇 偉,顏 娟,劉方舟

(自貢硬質合金有限責任公司,四川自貢 643000)

分析了硬質合金與不銹鋼件采用過盈連接出現問題的原因,對于材料選擇、熱處理工藝提出改進措施,同時確定了加工工藝控制要點,為硬質合金與不銹鋼件過盈連接方式提供一定的參考。

硬質合金;過盈量;屈服強度;冷裝

1 引言

在油氣田勘探、開發過程中,需要鉆井過程進行實時測井,以便及時了解地層的含油氣情況。由于鉆探測量部件的工作環境非常惡劣,要求脈沖發生器上的耐磨件對鉆探泥漿的高壓、沖擊、耐磨性、耐腐蝕性、耐沖蝕性非常高,因此在脈沖發生器上使用了大量的硬質合金耐磨件。圖1為我公司向客戶提供的脈沖發生器上的蘑菇頭,該零件采用硬質合金基體(材質YG8)與不銹鋼螺紋套(材質17-4PH)組合式連接結構,要求在80～150 N·m的扭矩工作條件下,螺紋套不產生松動。但自從供貨后,用戶在組裝過程或使用過程中,多次出現不銹鋼螺紋件從合金孔脫落的現象。

2 原因分析

為保證硬質合金基體與不銹鋼螺紋套至少能承受80 N·m的力矩,配合面間需采取足夠大的過盈量,而同時零件本身的強度也需承受足夠大的過盈量。

圖1 脈沖發生器的蘑菇頭示意圖

2.1 最小有效過盈量δmin

當聯接傳遞轉矩T時,應保證在此轉矩作用下不產生周向滑移。當徑向壓力為P時,配合面間所能產生的摩擦阻力矩Mf應大于或等于轉矩T。

式中:d—配合面的公稱直徑,mm;

l—配合長度,mm;

p—配合面的壓力,MPa;

f—配合面的摩擦系數。

因需保證Mf≥T,故得:

根據材料力學有關厚壁圓筒的計算理論,過盈聯接傳遞載荷所需的最小過盈量應為:

式中:△min—最小過盈量,μm;

p—配合面的壓力,MPa;

d—配合面的公稱直徑,mm;

E1、E2—分別為被包容件與包容件材料的彈性模量,硬質合金為600 000 MPa,不銹鋼取200 000 MPa;

C1—被包容件的剛性系數

C2—包容件的剛性系數

d1、d2—分別為被包容件的內徑和包容件的外徑,mm;

μ1、μ2—分別為被包容件與包容件材料的泊松比。對于鋼,μ1=0.3;對于硬質合金,μ2=0.22。

當采用壓入法裝配時,配合表面的微觀峰尖將被擦去或壓平一部分,此時按式(3)求出的理論值△min值應再增加被擦去部分2μ,故計算公式為:

式中:μ—裝配時配合表面上微觀峰尖被擦去部分的高度之和,取其為0.4(RZ1+RZ2);

RZ1、RZ2—分別為被包容件及包容件配合表面上微觀不平度的十點高度。

代入各數據求得過盈聯接的最小有效過盈量δmin=0.024 mm

2.2 過盈聯接的強度校核

采用過盈聯接時,應確保零件本身的強度不使其產生塑性變形,按材料力學中闡明的厚壁圓筒強度計算方法進行校核。

包容件為脆性材料,按最大周向拉(壓)應力用第一強度理論進行校核。零件主要破壞形式是包容件內表層斷裂。設σB2為包容件材料的拉伸強度極限,取值2000 MPa。則強度校核公式為:

被包容件為塑性材料,按第三強度理論檢驗其承受最大應力的表層是否處于彈性變形范圍內,設σs1為被包容件的屈服極限,取值200 MPa,可得不出現塑性變形的檢驗公式為:

根據被包容件屈服強度,可得最大徑向壓力Pmax≤97 MPa:

可得最大過盈量δmax=0.012 mm

因此零件不產生變形的最大過盈量,與連接強度所需要的最小過盈量矛盾,即為保證連接強度所需的壓力已超出材料能承受的屈服強度,鑲接后造成零件產生屈服變形從而使連接失效。

3 改進措施

3.1 增加材料屈服強度

由于該不銹鋼材料在常規情況下,屈服強度無法滿足足夠大的壓力,因此需要對該材料采取特殊處理提高其屈服強度,不銹鋼件17-4ph采用固溶處理,470～490℃保溫,空冷熱處理方式后,屈服強度大于或等于1180 MPa。當屈服強度бs1取值1180 MPa時,根據零件不出現塑性變形的檢驗公式為:

再求出最大過盈量δmax,即得出δmax= 0.072 mm。

3.2 加工工藝控制

在材料強度前提下滿足連接強度,需要控制過盈量為0.024～0.072 mm。

由于壓裝工藝只適合小零件,當過盈量超過直徑的1.5‰,必須用溫差法進行裝配,因此該組合件使用冷裝工藝。

采用冷裝法,液氮能將鋼件堵頭冷卻至-195℃,室溫設定為25℃,鋼件直徑變化量為16×220 ×14.67=0.052 mm,而當溫度迅速升高至-150℃,鋼件直徑變化量為16×150×15.08= 0.036 mm。

綜合考慮操作過程及檢測誤差,過盈量必須控制在0.03～0.036 mm

加工工藝控制要點:①合金內孔及鋼件外圓磨削加工時,務必保證良好的圓柱度,在檢測時使用高精度量具進行測量,保證過盈量控制精確;②冷裝時,取出鋼件后應迅速沉著地放入合金孔中。

4 結語

(1)在鋼件不經過熱處理條件下,硬質合金與鋼件采用過盈連接,相配合所允許的過盈量極小,這對于加工中尺寸控制難度極大,零件工況條件要求也很嚴苛。

(2)在確定配合所需要的過盈量后,可對鋼件采用適當的熱處理方式,滿足零件工況條件同時便于工件制作。

(3)硬質合金與鋼件的過盈連接方式,與常規情況下鋼件與鋼件過盈連接方式存在較大差別,在設計制作過程中,務必對零件強度進行校核,明確工況條件,避免出現質量問題。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2001.

Discussion on the Feasibility of the Interference Connection of Hard Alloy Assembly

SU Wei,YAN Juan,LIU Fangzhou
(Zigong Cemented Carbide Corporation Limited,Zigong 643000,Sichuan,China)

Analysis of interference connection problem between the hard alloy and stainless steel parts,put forward improvement measures for material selection,heat treatment process,and determine the control points of the processing technology,provide a reference for the hard alloy and stainless steel interference connection method.

cemented carbide,magnitude of interference,yield strength,cold assembled

TG95

A

1001-5108(2017)03-0049-03

蘇偉,助理工程師,主要從事硬質合金精加工技術及管理方面的工作。