某鍛造鉬螺栓機加工過程斷裂原因分析

牛 曼，王立曉，韓旭中，李曉龍 ，楊 軍，楊三龍

(1．安泰科技股份有限公司，北京 100081)(2．湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 孝感 430034)(3．安泰天龍鎢鉬科技有限公司，北京 100081 )

0 引 言

螺栓緊固件，是機械設(shè)備裝配過程中應(yīng)用最廣泛的機械基礎(chǔ)件，在航天、航空、兵器、船舶等軍工領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，其可靠性對裝備的使用性能和壽命有很大影響，甚至?xí)?dǎo)致安全隱患。對于某些特殊的應(yīng)用場合，對螺栓的性能提出了更高的要求，在保證高溫強度的同時具備良好的抗熱震性，承受一定的預(yù)緊力載荷和交變載荷。

鍛造鉬材料是上述特殊應(yīng)用場合中，螺栓緊固件的一個非常適合的選擇。目前對鉬材料的研究主要集中在生產(chǎn)工藝等方面[1-5]，對機加工藝的研究比較少。本文針對鍛造鉬螺栓加工過程中發(fā)生斷裂失效的工程實際問題，通過對問題螺栓及同批產(chǎn)品進行分析、追溯，排除了夾雜、成分異常、內(nèi)部缺陷等因素造成斷裂的可能性，提出了直徑φ10 mm鍛造鉬螺栓專用機加工藝，并進行了驗證，為后續(xù)該規(guī)格鍛造鉬螺栓制備及質(zhì)量控制提供參考。

1 試驗過程

1.1 試驗對象

試驗對象為加工過程中發(fā)生斷裂的鉬螺栓零件及剩余鉬棒，見圖1。鉬棒規(guī)格為φ10 mm，牌號Mo1。通過生產(chǎn)追溯，本批產(chǎn)品采用粉末冶金工藝技術(shù)制備，其生產(chǎn)流程為粉末合批處理—冷等靜壓—高溫?zé)Y(jié)—鍛造—機械加工—棒料成品。

產(chǎn)品逐件經(jīng)超聲波探傷檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞等明顯缺陷。其性能參數(shù)見表1，滿足技術(shù)性能要求。

圖1 鉬螺栓試樣圖

表1 性能參數(shù)表

1.2 試驗方法

(1)將斷裂螺栓(編號A)、剩余鉬棒(編號B)，進行了密度、硬度、金相組織等對比分析。

(2)將斷裂的試樣進行清洗后對斷口進行掃描觀察和能譜分析。

(3)重新設(shè)計機加工藝，并進行螺栓加工驗證。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 密度分析

對試樣A、B重新測試密度,結(jié)果為10.21 g/cm3，接近鉬材料的理論密度，未發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 硬度分析

對崩邊處螺紋試樣A和鉬棒試樣B分別進行了硬度測試，結(jié)果見表2，可見兩者的硬度值相差不大，無明顯差異。

表2 硬度測試結(jié)果

2.3 金相分析

試樣A、B的金相組織見圖2，可以看出A、B試樣的顯微組織無明顯差異，晶粒細化且分布均勻。鉬棒經(jīng)鍛造變形后孔隙逐步減少和消除，晶粒呈纖維狀，晶粒相互并存。同一體積內(nèi)的晶粒數(shù)量越多，變形將分布在更多的晶粒內(nèi)進行，應(yīng)力集中減輕，使純鉬在斷裂之前可以承受較大的變形量，材料呈現(xiàn)較好的塑性[6]。

圖2 金相組織

2.4 能譜分析

采用掃描電鏡對試樣A進行形貌觀察和EDS分析，結(jié)果見圖3。由圖3可見：在鉬基體中未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)元素，排除了雜質(zhì)含量超標(biāo)及成分分布不均勻等因素導(dǎo)致加工斷裂的可能性。

圖3 試樣A形貌及EDS能譜分析

3 分析討論

從硬度、密度、金相和能譜分析結(jié)果來看，材料結(jié)果正常或性能符合要求，沒有現(xiàn)象表明是原材料問題導(dǎo)致的螺栓斷裂。進一步推測可能性為螺栓在車削過程中，刀具發(fā)生磨損，由于未及時調(diào)整，造成加工參數(shù)與工件加工不匹配，進而導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。應(yīng)該根據(jù)刀具的使用狀況進行相應(yīng)的調(diào)整，如及時更換、改變扣刀前角等。

為了驗證以上推測，結(jié)合現(xiàn)有工藝，針對鍛造鉬材料的螺栓加工，在合金刀具材料的選擇、刀具的幾何角度和加工的切削用量的參數(shù)設(shè)置以及對切削過程的冷卻潤滑等方面，進行重新設(shè)計。

加工過程對零件加工表面積及表層內(nèi)可能產(chǎn)生影響引起狀態(tài)變化，從而影響構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及服役性能。一些關(guān)鍵件的應(yīng)用材料在加工過程中，切削力過大，溫度高，刀具磨損快，導(dǎo)致構(gòu)件表面出現(xiàn)刀痕，棱邊損傷、微裂紋、組織損傷等表面完整性問題，甚至尺寸或形位精度不滿足要求。目前文獻[7-8]對一些材料加工工藝條件對切削力、切削溫度的影響規(guī)律的建模預(yù)測，研究不同加工條件產(chǎn)生的表面形貌及內(nèi)部特征的影響。根據(jù)前文推測，螺栓可能由于切削力造成的斷裂。切削力對工藝參數(shù)的敏感性有切削深度、進給量、切削速度等參數(shù)。

目前關(guān)于工藝參數(shù)變化規(guī)律的研究暫無一致的的結(jié)論，本文直徑φ10鉬棒為例，按經(jīng)驗試驗中選取0.04 mm、0.10 mm、0.15 mm三個進刀量，其中0.1 mm是原始進給量。對比發(fā)現(xiàn)，選取的機加進刀量對涂層表面形貌、表面粗糙度無明顯差別，0.04 mm加工參數(shù)的粗糙度均勻程度稍好。加工刀具也是影響產(chǎn)品的因素，比如材料、形狀、姿態(tài)、使用情況等。刀具的磨損量會增加與工件表面的接觸面積，使工件接觸界面受到更大的摩擦和擠壓，晶粒產(chǎn)生拉伸和滑移[9]。本次加工鉬螺栓選擇YG8硬質(zhì)合金刀具，以轉(zhuǎn)速為800～1 000 r/min，扣刀前角控制在在15°～20°，刃磨時加大牙角，減小左側(cè)刃后角，加大右側(cè)刃后角；退刀槽采用錯刀方法加工進給量0.02 mm/r；外圓加工時切削深度由之前的0.1 mm增加到0.3 mm，進給量由0.1 mm/r減小到0.04 mm/r；螺紋也采用錯刀方法加工，切削深度由原來的0.03 mm減小到0.02 mm。對余料B試樣參照上述工藝進行加工驗證，結(jié)果如圖4所示，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，基本可以驗證該推斷的正確性。工藝參數(shù)組合效果盡量采用平衡的方法，保證工件質(zhì)量和表面粗糙度的同時縮短加工時間。

圖4 新機加工藝試制加工的螺釘對比

4 結(jié) 論

(1)鍛造鉬產(chǎn)品加工螺紋，機加工藝是影響成品質(zhì)量的重要因素。應(yīng)該在刀具材的選擇、刀具的幾何角度、加工的切削用量、切削過程的冷卻潤滑等方面，針對不同的材料和產(chǎn)品進行設(shè)置和選擇。

(2)鍛造鉬材料加工φ10 mm及以下螺栓時，可以考慮YG8硬質(zhì)合金刀具，轉(zhuǎn)速設(shè)置800～1 000 r/min，扣刀前角控制在在15°～20°；外圓加工時切削深度為0.3 mm，進給量為0.04 mm/r；退刀槽和螺紋采用錯刀方法加工進給量為0.02 mm/r。后續(xù)可就機加工藝參數(shù)對微觀形貌和力學(xué)性能的影響進行研究。