煤矿用摩擦焊接式外平钻杆加工工艺流程

2020-06-10 15:45:34 admin 342

摩擦焊接式钻杆由公接头、母接头和中间杆三部分组成,公、母接头分别通过摩擦焊接方式与中间杆焊接为一体。摩擦焊接式钻杆连接可靠、拧卸方便,但制造过程复杂,生产成本较高,具体加工工艺流程如图 2-6 所示。

通缆钻杆

图 2-6 摩擦焊接式钻杆加工工艺流程图

摩擦焊接式外平钻杆加工 

(1) 中间杆的加工

钻杆中间杆的加工比较简单。普通钻杆在全自动带锯床上下料,然后直接进行摩擦焊接;高强度钻杆下料后首先进行热处理,热处理后在普通车床上加工两端焊接面, 并作除锈处理,准备焊接。

在锯床的自动送料机构后侧加装管料架,正对着锯床的下料钳口。下料时,先将整捆的管材放在管料架上拆散,滚到自动上料装置上,然后分批次下料,可避免单根管材频繁上料,提高生产效率。

(2) 接头的加工

为了保证接头具有良好的综合机械性能,需要对接头进行一定的热处理,所以接头的加工由粗加工、半精加工、热处理和精加工四个工序组成。

(3) 钻杆的摩擦焊接工艺

① 摩擦焊机及摩擦焊接原理

摩擦焊接的工作原理是:将被焊的两个工件分别置于焊机的两个夹具中,其中的旋转夹具带动一个工件旋转,移动夹具带动另一个工件向旋转的工件移动,两个工件接触后在一定轴向压力(即摩擦压力)作用下继续相对旋转运动,由于机械摩擦生热使焊接界面附近的金属产生粘塑性变形。当焊接界面处的温度达到设定值时,焊机主轴被迅速制动,同时沿工件轴向再施以焊接压力(即顶锻压力),保压一定时间后,即可使两工件可靠地焊接为一个整体。焊接过程如图 2-7 所示。

摩擦焊机的工作过程是一种固态焊接过程,既可以避免在焊接接头中产生与熔化结晶过程相关的诸如气孔、夹杂和结晶裂纹等缺陷,又可在焊接接头中获得锻造组织, 因此焊接质量稳定,接头可靠性好,生产效率高。焊机的驱动、制动—离合、施力等动作由电气控制系统完成,焊接热、力耦合过程由程序控制实现,适于进行自动化或半自动化焊接。在摩擦焊接过程中,通过计算机闭环控制系统对焊接参数进行实时采集显示,并对焊接过程中的干扰因素能够进行有效的调节,从而保证了焊接质量的稳定。

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图 2-7 钻杆与接头摩擦焊接过程

② 钻杆摩擦焊接工艺参数

研究表明,摩擦焊接的焊接质量取决于两个工件的相对滑动速度、轴向摩擦压力、轴向缩短量、顶锻压力和保压时间等因素。在整个摩擦焊接过程中相对滑动速度(与工件直径和回转速度成正比)和轴向摩擦压力几乎保持不变,通常采用定时或定缩短量的方式来控制这一段焊接过程。顶锻压力是在工件停止回转后才施加的,可以单独调整。工件的最终缩短量则是各方面因素综合作用的结果。

摩擦压力与工件回转速度共同影响着摩擦面的发热量,虽然一个方面的减弱可以用另一方面的增强来补偿,但在摩擦焊接时却存在一个合理的搭配范围。当转速很高, 摩擦压力很小时,变形的速率小,会使焊接过程延长,焊接接头产生过热,组织粗大; 当转速很低,摩擦压力很大时,变形速率高,焊接时间缩短,因加热不足,焊接不充分,同样会降低焊接质量。顶锻压力和保压时间表面上是影响工件的缩短量,但更重要的是影响焊合区的金相组织。顶锻力太小会造成两个工件未充分熔合和夹渣,顶锻力太大会产生细微裂纹,对焊缝强度不利。

由于上述因素的影响是多方面的,而且是互相关联的,所以钻杆的摩擦焊接规范还不能通过简单的计算(部分参数可以近似计算)来确定,而需要在实际工作中通过大量的试验来确定。正确的焊接规范应该保证钻杆焊透而又不产生过热组织,晶粒不能过分粗大,同时要有较好的纤维排列,不能有夹渣、裂纹等缺陷,而且热影响区要窄。

根据摩擦焊机的结构参数,综合考虑摩擦压力、顶锻压力、摩擦时间的相互影响, 经过反复试验来确定摩擦焊接工艺参数,工艺参数如表 2-5 所示。

表 2-5 钻杆摩擦焊接工艺参数 

钻杆直径

(mm)

摩擦压力

(MPa)

摩擦时间

(s)

顶端压力

(MPa)

保压时间

(s)

油缸直径

(mm)

焊机型号

50

2.7

5

4.7

5

140

C250

63.5

2.8

4.5

4.5

5

160

C320

73

3.2

6

5.0

5

160

C320

89

7.5

7.5

12.5

5

150

C450

(1) 钻杆的热处理工艺

① 钻杆摩擦焊接前热处理

钻杆工作时受力复杂、工况恶劣,所以选用的材料要具有良好的综合机械性能。为了提高钻杆的整体强度,我们分别对接头和钻杆中间杆进行了热处理。

热处理用的设备为淬火炉+回火炉,调质处理后可获得具有良好综合机械性能的回火索氏体组织。

a) 淬火处理

调质的第一步为淬火。将一批接头竖直按梅花状交错放置在铁筐中(便于空气对流,使加热均匀),然后放进炉箱内加热至淬火温度(约 840℃-860℃),保温后在油中冷却。

中间杆热处理是将中间杆一根一根摆放在“U”型架上,层与层之间用铁条间隔开, 然后送进箱式炉内,加热至淬火温度,保温后在油中冷却。

b) 回火处理

回火是使调质钢的机械性能定型化的最重要工序,可以消除内应力,调整硬度, 增加韧性。为了使接头具有最良好的综合机械性能,在淬火后对接头进行高温回火处理。

② 钻杆摩擦焊接后热处理

钻杆在焊接时,由于焊缝区的高速摩擦和塑性变形而产生约 1200℃-1300℃左右的高温,并伴随着奥氏体组织转变。在顶锻完成后,依靠焊缝两侧冷金属的热传导作用,使发生组织相变的焊缝区域迅速冷却而淬火。该区域不仅硬度很高(最高可达HB520),晶粒及显微组织十分粗大,还存在着不同程度的内应力及焊接脆化现象,其组织和性能难以达到要求。

为改善摩擦焊接区的性能必须进行去应力处理,即进行回火处理(回火温度550℃,保温时间 4 小时),其主要目的是:

a) 消除或减少内应力;

b) 调整硬度,减少脆性,得到所需要的韧性、塑性,以利切削加工;

c) 促使不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体稳定化,以保证工件在以后的使用过程中不再发生尺寸和形状的改变。

(2) 钻杆的数控加工技术

① 数控车床的特点

为保证钻杆接头的加工精度,提高生产效率,用数控车床来进行高强度钻杆的车削加工。数控车床比普通车床具有下列优点:

a) 采用高性能的主轴部件,具有传递功率大、刚度高、抗震性好及热变形小等优点;

b) 进给伺服传动一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等高性能传动件, 具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点;

c) 有较完善的刀具自动交换和管理系统,工件在车床上一次安装后,能自动完成工件多道加工工序;

d) 对应于不同的零件,只需改变加工指令信息——程序即可,使之与以往的自动机床相比具有“柔性”。

② 数控加工工艺的确定

钻杆接头焊接前后的加工是钻杆加工的关键工序,直接影响着钻杆的质量。为了保证接头螺纹的加工精度,一般要经过精车外圆、车端面、精车螺纹等多次切削才能完成,为保证加工精度,精车螺纹又分多刀加工完成,每刀车削量约 0.10mm。

为了提高工效、延长刀具使用寿命,选用成型螺纹车刀。钻杆接头螺纹根部由退刀而自然形成牙型,不作退刀槽,同时在钻杆接头螺纹始端作去毛刺处理,加工面光洁美观不伤手,图 2-8 所示为 φ73mm 与 φ63.5mm 钻杆公接头螺纹。


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图 2-8 钻杆公接头螺纹

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