GH4169拉桿螺栓螺紋滾壓前的工藝準(zhǔn)備

吝濤鋒

（1. 甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心，蘭州730060;2. 渤海裝備蘭州石油化工裝備分公司，蘭州730060）

0 引 言

煙氣輪機(jī)是重油催化裂化裝置中能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)子組是能量回收系統(tǒng)中故障率最高、影響最大的部件。拉桿螺栓又是轉(zhuǎn)子組中的核心部件，其作用是聯(lián)接、緊固主軸與渦輪盤，設(shè)計材質(zhì)為GH4169，螺紋的規(guī)格為M18×1.5-5g6g，螺紋長度為35 mm，加工采用的是徑向滾絲機(jī)滾壓螺紋方式。滾壓工藝是利用滾絲輪在室溫下對金屬進(jìn)行變形加工的一種工藝，加工精度高、生產(chǎn)效率高。在對金屬進(jìn)行滾壓加工過程中,滾絲輪承受很大的周期性擠壓力及圓周方向的摩擦力, 滾絲輪牙齒是受力最大的工作部位，也是截面應(yīng)力集中的地方，在使用過程中會因出現(xiàn)裂紋或崩齒而失效。影響滾絲輪壽命及螺紋加工精度的因素很多，除滾絲輪本身的制造質(zhì)量以外，在材料一定的情況下，很大程度上還取決于滾壓參數(shù)選擇及滾坯的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計。GH4169 屬于強(qiáng)度高、硬度高、導(dǎo)熱性差的難加工材料，在螺紋滾壓前必須選擇合適的滾壓參數(shù)及滾坯工藝結(jié)構(gòu)。

1 材料分析

GH4169 是以體心四方γ″和面心立方γ′沉淀強(qiáng)化的一種鎳基高溫合金，在-253～700 ℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650 ℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能,以及良好的焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，材料硬度為38.8～42.7 HRC，具體參數(shù)如表1 所示。

在螺紋滾壓工藝中，材料的硬度大于37HRC，強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性不好的材料屬于難加工材料，在螺紋滾壓中主要的問題為滾絲輪的壽命低、被加工螺紋牙型質(zhì)量不好。如何在難加工材料上面獲得高質(zhì)量的螺紋，提高滾絲輪的耐用度，尤其對于批量零件的生產(chǎn)，具有十分重要的意義，必須嚴(yán)格控制滾坯的工藝結(jié)構(gòu)、滾坯直徑及滾壓參數(shù)。

表1 GH4169力學(xué)性能（室溫下檢測力學(xué)性能的最小值）

2 滾壓參數(shù)的計算及確定

2.1 滾壓壓力P0

滾壓過程中，被滾壓零件主要受徑向和切向滾壓力，其中使工件變形的主要力為徑向滾壓力，它迫使?jié)L坯材料產(chǎn)生塑性變形，是形成螺紋的一個重要參數(shù)。壓力選擇適當(dāng)，可提高生產(chǎn)效率，同時也可增加滾絲輪的使用壽命；若選擇不當(dāng)，不僅使?jié)L絲輪的壽命大大降低，而且將嚴(yán)重地影響螺紋的牙型。螺紋滾壓過程僅僅是局部材料變形，很難計算出準(zhǔn)確的壓力值。由于被滾壓材料的不均勻性，滾壓過程中金屬材質(zhì)的性質(zhì)不斷發(fā)生變化，以及其它因素的影響，理論計算出的壓力值與所需的實(shí)際壓力會產(chǎn)生一定的誤差，最終的壓力值需要通過試驗(yàn)加工來加以修正。國內(nèi)外有很多滾壓壓力的計算公式，在GH4169 材料螺紋加工中選用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步計算：

式中：P0為滾壓壓力，N；L 為螺紋長度，mm;p 為螺距，mm;HRC 為材料洛氏硬度值；d 為螺紋公稱直徑，mm。

在GH4169 拉桿螺栓螺紋滾壓中，選用多組不同滾壓壓力進(jìn)行試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：選取的壓力過小，導(dǎo)致螺紋的牙型不飽滿，各尺寸不符合圖樣要求；壓力值過大，螺紋表面冷作硬化，引起表層的脫落，造成滾絲輪的損壞。通過多次參數(shù)修正，最終取1.2 倍理論計算值作為GH4169 材料螺紋的滾壓壓力，既能保證零件的加工精度 ，也 提 高 了 滾 絲 輪 的 使 用 壽 命 。

2.2 滾壓速度v

滾壓速度是指在滾壓過程中滾絲輪在滾坯圓周處的線速度，與材料的物理-力學(xué)性能、被滾壓螺紋的幾何參數(shù)和精度有關(guān)，是決定材料的變形程度和變形速度的因素之一，直接影響螺紋的滾壓質(zhì)量。滾壓速度過低會影響生產(chǎn)效率，而金屬材料的塑性變形需要時間，轉(zhuǎn)速不能太高,應(yīng)選取最佳速度，即用最小的滾壓力加工出質(zhì)量合格的螺紋，按照推薦表中的數(shù)值，GH4169 高溫合金材料選取滾壓線速度v 為15 m/min，如表2 所示。

表2 滾絲輪滾制螺紋時所推薦的滾壓速度 m/min

按照不同直徑規(guī)格的滾絲輪可根據(jù)如下公式計算出滾絲機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速n：

式中，D 為滾絲輪直徑，mm。

加工中選用的的滾絲輪為11 頭，直徑D 為187.286 mm，v=15 m/min，代入公式計算可得主軸轉(zhuǎn)速n=25.5 r/min。GH4169 材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度偏高，變形困難，因此在主軸轉(zhuǎn)速選取時遵循選小不選大的原則。Z28-35 型滾絲機(jī)共設(shè)置5、8、12、18、30、45 r/min6 種主軸轉(zhuǎn)速，對于M18×1.5 螺紋的滾壓選取主軸轉(zhuǎn)速n 為18 r/min。

2.3 滾壓進(jìn)給量S

滾壓進(jìn)給量是指坯件每旋轉(zhuǎn)一周，滾絲輪相對于坯件的徑向進(jìn)給距離，它的選取影響加工效率、螺紋滾壓質(zhì)量及滾絲輪使用壽命。進(jìn)給量太小，加工效率上不去；進(jìn)給量過大，會使坯件的溫度上升造成螺紋中徑、圓度的誤差，進(jìn)而產(chǎn)生廢品。

滾坯每轉(zhuǎn)一圈，滾壓進(jìn)給量與被滾壓螺紋的螺距、材料特性有關(guān)，難加工材料的進(jìn)給量可參考表3 進(jìn)行選取。

表3 滾絲輪滾制螺紋時難加工材料進(jìn)給量推薦表 mm/r

從表3 中可看出以下規(guī)律：在螺距一定的情況下，被滾壓材料的抗拉強(qiáng)度越大，滾壓進(jìn)給量取值應(yīng)越小。而GH4169 抗拉強(qiáng)度為965 MPa，該材料變形困難，為確保滾絲輪的使用壽命，進(jìn)給量S 可按照表3 中推薦的下差值來選取，或者取值更小，即為S≤0.018 mm/r,保證了加工質(zhì)量，也能確保滾絲輪的使用壽命。

由于GH4169 材料的特殊性能，難于滾壓螺紋，在滾壓過程中會造成滾絲輪急劇磨損，甚至損壞，因此在滾壓進(jìn)給量的選擇時應(yīng)綜合考慮加工效率和加工質(zhì)量因素。

3 滾坯的工藝結(jié)構(gòu)

滾坯的工藝結(jié)構(gòu)是指零件在滾壓螺紋前滾坯端部形狀、滾坯直徑、圓度及表面粗糙度，圖1 為拉桿螺栓滾壓前的滾坯示意圖，端部有工藝倒角α，螺紋長度為35 mm，滾坯直徑為D1。拉桿螺栓滾坯端部形狀主要指M 處的結(jié)構(gòu)形狀，該處結(jié)構(gòu)的合理與否直接影響滾絲輪的使用壽命。

圖1 拉桿螺栓滾坯示意圖

3.1 螺紋滾壓時受力分析

從以上受力分析可以看出，在螺紋滾壓前，滾坯端部作工藝倒角十分必要，常規(guī)材料的工藝倒角可取值α=15°～25°，但對于高硬度的材料，該倒角取值應(yīng)越小。在滾壓GH4169 拉桿螺栓螺紋時，工藝倒角最終取值為α=10°～12°，倒角收尾處取值D-1.5p(p 為螺紋螺距),如圖4所示。

圖2 滾絲輪各齒受力分析（滾坯端部無工藝倒角）

圖3 滾絲輪各齒受力分析（滾坯端部有工藝倒角）

3.2 滾坯直徑的計算及確定

圖4 工藝倒角取值

螺紋滾壓前滾坯直徑尺寸對滾壓加工質(zhì)量有很大的影響，在螺紋滾壓成型過程中，雖然金屬經(jīng)過了強(qiáng)烈的塑性變形，但金屬的總體積保持不變。我們可以這樣理解，在螺紋滾壓中，滾絲輪牙齒將牙底的金屬一成不變地擠壓到牙頂空隙。滾坯直徑選取過大，滾絲輪槽中無法容納多余的金屬而引起滾絲輪壽命下降，甚至損壞；若滾坯直徑偏小，滾壓加工的螺紋中徑和外徑小于設(shè)計尺寸，造成廢品,因此要精確確定滾坯直徑尺寸。

在滾坯直徑理論值計算方面，國標(biāo)GB/T 18685-2002里面也做了要求，國內(nèi)外有很多計算公式，計算過程復(fù)雜程度不一，但只適合于普通螺紋滾坯直徑的取值，在實(shí)際生產(chǎn)加工中，對于高精度螺紋的滾壓加工，尤其是硬度高的材料，因?yàn)槭艿綄?shí)際生產(chǎn)條件及其它因素的影響，理論計算滾坯直徑的公式，需要通過生產(chǎn)試驗(yàn)來修正，國內(nèi)常用的滾坯直徑計算公式為

式中:d 為螺紋公稱直徑；p 為螺距；當(dāng)滾坯為熱處理鋼時a=0，滾坯為非熱處理鋼時a=0.125。

將M18×1.5-5g6g 螺紋相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中，計算得出滾坯直徑d0=16.996，在GH4169 拉桿螺栓試驗(yàn)加工中，參考理論值選取了4 組不同數(shù)據(jù)的試件，每組3 件試件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表4 所示。

從表4 中可以看出，滾坯直徑尺寸對螺紋的外徑、中徑加工精度有很大影響，滾坯直徑越大，滾壓后的螺紋外徑、中徑越大。因此，為了保證加工出合格的產(chǎn)品，在滾壓前需要嚴(yán)格控制滾坯直徑尺寸。

在生產(chǎn)加工中，由于車削或磨削產(chǎn)生的波峰波谷的存在，粗糙度值高的滾坯外表面，相當(dāng)于間接減小了滾坯的直徑尺寸，直接影響螺紋滾壓的尺寸精度。在批量零件加工中，由于外圓尺寸及精度的一致性相對較差，對外圓表面粗糙的滾坯，滾坯直徑尺寸要稍微加大。結(jié)合GH4169 拉桿螺栓的精度要求及工藝因素，在加工試驗(yàn)中采取磨削外圓的方式，表面粗糙度為Ra＝0.8～1.6 μm，既消除了車削可能帶來的錐度問題，也能保證同批次滾坯直徑的一致性。因此，對M18×1.5-5g6g 螺紋的加工，滾坯磨削直徑D1取值范圍為φ16.945～16.965 mm。

表4 GH4169材料螺紋滾壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

4 結(jié) 語

螺紋滾壓是一個復(fù)雜多變的過程，導(dǎo)致滾絲輪損壞的因素很多，除了滾絲輪本身的制造質(zhì)量以外，很大程度上取決于工藝狀況。通常情況下，造成滾絲輪損壞、螺紋質(zhì)量問題是由多種相互關(guān)聯(lián)的因素疊加造成的，我們可以通過對起決定性的因素采取相應(yīng)的措施來預(yù)防和控制，就可大大降低問題發(fā)生的概率。總之，對高硬度、高精度材料進(jìn)行螺紋滾壓，必須嚴(yán)格做好滾坯的結(jié)構(gòu)設(shè)計和滾壓參數(shù)的選擇，對提高滾絲輪的使用壽命、螺紋尺寸精度、表面精度有很大作用。