R32釬桿受力分析和提高制造質量的探討

張廣海

（魯中礦業有限公司機械廠，山東萊蕪271113）

1 概述

R32鑿巖釬桿（簡稱R32釬桿），目前在國內地下礦山用于鉆鑿垂直或傾斜向上扇形孔口。我公司在中深孔鑿巖作業中，R32釬桿與YGZ-90型氣動導軌式鑿巖機組成的TJ90臺架或鉆車配套使用。R32釬桿在鑿巖過程中要承受沖擊、扭轉、彎曲等載荷產生的復雜交變應力，桿體表面要受到巖石劇烈磨損和芯孔受到礦水的沖擊和侵蝕，失效比較頻繁。R32釬桿作為中深孔鑿巖高成本的消耗材料，質量優劣對礦山開采成本影響很大，因此穩定并提高釬桿的制造質量十分重要。

2 R32釬桿的受力分析

2.1 釬桿受力特性

鑿巖過程中，釬桿承載鑿巖機活塞2000～3000次/分高頻沖擊，在鑿巖機旋轉和推進器推力的共同作用下，進行巖石破碎，其主要受力為：

（1）由鑿巖機活塞沖擊縱波產生的軸向交變壓縮應力和拉伸應力（圖1a）；

（2）由鑿巖機的活塞偏心沖擊產生的彎曲應力（圖1b）；

（3）鑿巖機旋轉時，釬桿傳遞扭矩及鑿巖時夾釬等因素誘發的扭轉應力；

（4）鉆進過程中釬桿承受炮孔內壁巖石的摩擦力；

（5）鉆進過程產生的其他附加振動和沖擊載荷。

圖1 鑿巖機活塞應力波形圖

2.2 R32釬桿受力分析

R32釬桿除承受上述應力和載荷外，隨著孔深增加，連接釬桿的增多，其受力狀況將會變得更加復雜，主要來源于：

（1）釬桿接頭的反射應力波

在深孔鑿巖時，應力波通過釬桿將會產生反射應力波逆向傳播（圖2）：

測試和計算結果表明：應力波通過多個

圖2 應力波通過連接套的傳播

表1 應力波通過多個接頭的能量傳遞效率

表1 應力波通過多個接頭的能量傳遞效率

由表1可以看出：

1）應力波通過接頭傳播，將產生較大的能量損失，除一部分轉化為熱能損耗外，很大一部分將在接頭處形成反射波逆向傳播。導致在接頭部位形成應力疊加。

2）就單一接頭的能量傳播效率而言，愈接近鑿巖機的接頭，其能量傳播效率愈低，應力波反射現象愈嚴重，故接近鑿巖機的釬桿更容易“早期“損壞。

（2）釬桿組的縱向彎曲。

中深孔鑿巖釬桿組是由幾根或者數十根釬桿通過接頭連接起來使用，屬于典型的細長桿件，在壓載荷下極易縱向失穩，產生大的彎曲變形，導致彎曲應力增大。縱向彎曲的臨界力為：

式中E——彈性模量E=2.1×107N/cm2

μ——壓桿的長度系數，對于一端固

定、一端絞接的情況，μ=0.699

將臨界力取為釬桿組的壓載FK=10KN,則可得到對應的臨界長度：

可以看出，當釬桿組超出4.67m以后，即處于失穩狀態。

上述兩方面的原因均將導致R32釬桿較之一般釬桿產生更大的拉壓和彎曲應力增長（特別是在接頭處）；同時由于釬桿組的失穩彎曲，更進一步加劇了釬桿組和孔壁的摩擦作用，將加速釬桿的疲勞失效。

3 R32釬桿的主要失效形式

R32釬桿主要失效形式有螺紋磨損失效如圖3，螺紋與桿體過渡區部位斷裂失效如圖4，桿體部位失效如圖5（不常見）三種情況。

圖3 螺紋磨損失效

圖4 螺紋與桿體過渡區失效

圖5 桿體部位失效

4 R32釬桿的質量問題分析

（1）R32釬桿的中空鋼材質不符合國家標準或雖然符合國標但化學成分配比不佳，熱處理后釬桿的綜合機械性能較低。

（2）桿體材料的直線度、幾何尺寸精度差等缺陷，導致釬桿使用性能差和鑿巖壽命很低。

（3）釬桿端面結構設計不合理、未按標準加工。釬桿通過釬套連接時，釬桿與釬桿端面貼合不好。

（4）過渡區設計不合理及設備的原因，導致螺紋、螺紋根部及過渡區精度低，出現劃痕、螺紋過渡區圓弧存在較大的應力。

（5）波形螺紋與過渡圓弧的銜接不好，存在應力集中，成為危險斷面。

（6）波形螺紋豐滿度低，螺紋體積小，磨損時間短，過早失效。

（7）熱處理后，釬桿表層及芯部組織、硬度沒有得到保證，綜合機械性能差。

（8）由于設備限制，未能進行拋丸及防腐等表面處理，影響了釬桿的綜合機械性能。

5 提高R32釬桿質量的措施

5.1 桿體的結構

端面結構、過渡槽的結構形式也是影響釬桿質量和使用壽命的重要因素，嚴格按照標準設計、加工端面和過渡槽是避免R32釬桿早期破斷的有效措施。

5.2 機械加工

桿體直線度、螺紋端面結構、端面內外圓倒角按照標準加工是保證釬桿使用壽命的主要措施，過渡槽槽溝的深度和槽溝底部的曲率半徑對應力集中系數影響最大，應進行嚴格控制；波形螺紋的豐滿度也是影響釬桿使用壽命的主要因素，豐滿度不好的波形螺紋，體積小，磨損時間短。采用數控或非圓液壓仿形車床雖然能保證豐滿度，但螺紋精度低。尖刀偏心旋風銑削法加工的精度高，但要控制好豐滿度。根據目前的生產要求和產品使用情況，采用尖刀偏心旋風銑削法加工波形螺紋可以滿足要求。

5.3 熱處理工藝

我廠生產的R32釬桿使用的材質為國內常用的35SiMnMoV合金鋼，其熱處理工藝曲線如圖6，滲碳（碳氮共滲）+強制風冷+兩端螺紋淬火+回火。

圖6 熱處理工藝曲線

5.3.1 滲碳

滲碳屬于化學熱處理，通過加熱和保溫，使氣氛中的某些元素滲入鋼鐵表層，來改變表層的化學成分，使芯部與表層具有不同的組織和力學性能。在滲碳過程中，滲碳溫度高、碳勢高、滲碳速度快；溫度低、碳勢低、滲碳速度慢。滲碳層表層的含碳量過高，會出現網狀碳化物，增加滲碳層的脆性和缺口敏感性。淬火后會產生粗大馬氏體和過多奧氏體；滲碳層表面奧氏體會影響釬桿表面硬度和耐磨性。因此滲碳參數的正確選取是影響滲碳質量最重要的因素。

（1）滲碳溫度

一般為900℃～950℃，溫度高、滲碳速度快、時間短，溫度低一點，滲碳時間長，表面含碳量易控制，大多數廠家使用930±10℃。

（2）滲碳層的碳濃度

適當的表層碳濃度對改善滲碳鋼的彎曲疲勞強度、抗彎強度，沖擊韌性具有重要影響；滲碳表層有較好的強韌性配合，可以提高疲勞性能。一般把滲碳層表面含碳量控制在0.8～0.85C%，不要超過0.95C%。

（3）滲碳層的深度

要獲得芯部要求的韌性，滲碳層的深度不能太深，實踐證明，滲碳層厚度控制在0.75～0.85mm較合適，不要超過1.0mm。

（4）強滲與擴散時間

強滲時間一定要大于擴散時間，強滲時間與擴散時間分配要合理，否則會出現以下問題：擴散時間短，碳沒有充分向里擴散，碳濃度未達到理想的梯度變化，將導致熱處理后疲勞性能降低；強滲時間短，沒有太多的碳向里擴散，造成滲碳層深度不夠。如果滲碳時間一定，強滲碳時間與擴散時間的合理分配是影響滲碳質量的重要因素。

5.3.2 桿體淬火

滲碳后強制風淬是控制桿體硬度，保證貝氏體材料組織的重要工序，經過試驗分析我廠采用1440rpm風機進行強制風冷，表層組織：馬氏體+碳氮化合物+奧氏體，芯部組織：下貝氏體+少量馬氏體。芯部組織具有較高的疲勞性能、彈性性能及強度和韌性的配合。

5.3.3 螺紋淬火、回火

兩端螺紋淬火，采用中頻感應加熱，為防止人為對溫度誤判，用紅外線測溫儀進行測溫。回火時根據滲碳后每爐桿體硬度調整回火溫度。其淬火溫度、工藝為：880～900℃加熱、淬油。回火溫度為：200～500℃，在回火過程中要防止250～350℃和400～500℃兩個溫度區間中出現的第一、第二類回火脆性。

5.4拋丸及防腐

拋丸和防腐也是提高釬桿質量的關鍵措施之一，它對提高釬桿疲勞壽命有著重要的影響，是必不可少的工序。目前國內對釬桿表面處理的廠家較少，這也是國內與國外釬桿質量存在較大差異的一個重要因素。

6 結語

(1)受力分析表明：R32釬桿除了承受一般釬桿的拉壓、彎曲和扭轉交變應力外，由于深孔鉆進中，釬桿接頭應力波反射和長桿壓載失穩的影響，其受力狀況較之一般釬桿更加復雜和惡劣，誘發更大的拉壓和彎曲應力，導致釬桿加速疲勞失效。

（2）R32釬桿有螺紋磨損，螺紋與桿體過渡區斷裂和桿體部位失效三種主要失效形式。以螺紋磨損和螺紋與桿體過渡區斷裂失效居多，造成失效的主要原因是疲勞損傷和磨損。

（3）目前R32釬桿存在的質量問題主要有：a.中空鋼材的缺陷；b.結構設計不合理；c.加工問題；d.熱處理未達要求。上述問題是造成釬桿早期失效的重要原因。

（4）本文從桿體結構、機械加工、熱處理工藝及拋丸防腐幾方面全面論述并提出了提高釬桿制造質量的措施。

（5）本工作可供釬桿的設計、制造參考，對提高釬桿的質量有所助益。

［1］趙統武.沖擊鉆進動力學[M].冶金工業出版社，1996:188,159.

［2］黎炳雄.螺紋釬桿的失效分析和斷裂機理[J].鑿巖機械氣動工具，1999（2）:55-60.

［3］洪大靈，顧太和等.特殊鋼叢書，釬鋼與釬具[M].冶金工業出版社,2000.9.ISBN7-5024-2463-6：288-311.

［4］成大先.機械設計手冊(第一卷)[M].化學工業出版通.