盾構機用高強度螺栓工藝設計探討

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摘要：在對盾構螺栓工藝設計的分析及工藝尺寸的計算和模具結構設計基礎上，制定了產品生產工藝。通過局部加熱，預壓后再成型工藝鍛造頭部，最后經熱處理再用冷滾絲工藝加工螺紋部分，以達到產品的設計要求，并采用毫克能消除應力和疲勞源，以提高產品的壽命。

關鍵詞：模具結構;熱處理;毫克能

1前言

隨著經濟發展，基礎建設加速，城市地鐵輕軌、鐵路運輸、高速公路、飲水工程、越江隧道和城市管道的發展，預計近5年盾構機市場需求大概在500～800臺。盾構機市場發展必將帶動其零部件需求的增長。盾構螺栓作為盾構機上的重要零部件，直接影響著盾構機的掘進速度和壽命。此前盾構機用螺栓長期依賴國外進口，不僅價格貴而且采購周期長，因此盾構螺栓國產化將提高我國盾構機在國際市場的競爭實力。

2盾構螺栓的技術要求

2.1盾構螺栓尺寸

各尺寸必須符合圖紙要求（如圖1）。圖1螺栓示意圖

2.2粗糙度要求

產品表面粗糙度＜1.6μm。

2.3產品機械性能要求

盾構機用高強度螺栓機械性能要求，詳見表1。

2.4硬度

硬度35HRC～40HRC，同一件螺栓、螺釘的硬度差不大于3個洛氏硬度單位。

2.5金相組織

產品金相組織應為均勻的回火索式體，允許有少量鐵素體，其含量應不大于3%，按第一級別圖評定，1~3級合格。

3零件的工藝分析

3.1機械性能

零件的機械性能與標準ISO898-1中10.9級對比，見表2。

3.2螺栓原材料化學成分

螺栓原材料擬采用GB/T3077的18Cr2Ni4WA熱扎圓鋼，其化學成分見表3。

3.3生產工藝流程

根據產品的結構特色、機械性能等特點，螺栓采用的工藝流程為：備料—頭部成型—熱處理—表面加工—光桿表面強化處理—制絲—涂油。

4成型設備、模具結構及主要成型工序

4.1切斷

材料切斷長度確定和備料：根據產品的結構，計算出產品的體積，根據產品的體積，由公式V=πR2L得L=V/πR2算出所需產品的用料長度，然后備出合適的原材料。

4.2頭部成型

根據計算鐓鍛比為1.8，需要壓內六角，因一次成型會導致內六角偏心和不滿，宜采用二次成型，即先溫墩預壓再熱壓成型頭部的工藝方式。4.2.1預墩。由于兩次成型的鐓鍛比較大，應合理分配兩次成型的鐓鍛比。實踐證明，第一次預墩應盡可能增大變形程度，而使預墩形狀接近成型狀，第二次熱壓更容易使頭部的內六角壓滿，見圖2。因預墩變形簡單，為提高效率、降低成本，宜采用溫鐓的方式，應注意避開材料的藍脆溫度，所以加熱到藍脆溫度以上再結晶溫度以下就可以，選取的溫度為600℃。4.2.2頭部壓型。頭部成型后產品尺寸，見圖3。頭部最終成型，為保證產品的內六角鐓滿，采用熱壓成型，根據《鍛壓手冊》查表得該材料的始鍛溫度為1200℃、終鍛溫度為800℃，因此選用始鍛溫度為1100~1150℃；

4.3成型設備選型

4.3.1擠壓力。根據材料性能、零件結構計算出產品成型擠壓力P：P鍛=K*W*P1*F1=1.18*1.2*8000*34.2=3874176N=3874.17kN。P為擠壓力（kN）；K為安全系數；W為溫度與材料的影響系數（查表可得）；P1單位面積擠壓力MPa；F1最大擠壓面積cm2。由于鍛壓力P鍛≥3874.2kN，根據公司情況選用J31-400雙盤摩擦壓力機。4.3.2J31-400雙盤摩擦壓力機設備參數。公稱壓力4000kN；滑塊行程400mm；行程次數16次/min；最大封閉高度710mm；工作臺板厚度250mm。

4.4模具設計

關鍵模具尺寸確定，上模、下模為產品尺寸控制的關鍵零部件。根據工藝要求，鍛壓溫度為1100℃，18Cr2Ni4WA材料熱膨脹系數為K=σ*t=15.1*1100℃*10-6=0.016，模具型腔尺寸設計應考慮1.6%的收縮量，即下模型腔直徑D=D0+KD0=φ66*(1+0.016)=φ67.05+0.05(mm)，見圖4；上模六方對邊尺寸S=S0+KS0=32.25*(1+0.016）=32.7+0.5(mm)，見圖5。為提高產品表面質量、延長模具壽命，可在上下模成型適當增加脫模稍度。技術應用echnologyandApplication.

5熱處理

5.1熱處理

由于對螺栓有較高的綜合性能要求，熱處理是盾構螺栓工藝的關鍵。同時由于產品為細長桿，易產生熱處理變形。為減少變形，熱處理時采取豎直吊裝的方法進行加熱和淬回火。

5.2熱處理工藝試驗

通過查閱《熱處理工程師手冊》可得，18Cr2Ni4WA材料全奧氏體轉變溫度為810℃。由于淬火溫度越高，越容易造成淬火后晶粒粗大，可采用兩淬兩回的熱處理工藝對產品進行晶粒細化。為驗證兩淬兩回對產品綜合性能的影響，分別對同一批材料的18Cr2Ni4WA進行了熱處理試驗對比。第一組采用一淬一回的工藝，淬火溫度為880℃、回火溫度為530℃；第二組采用兩淬兩回的工藝，第一次淬火溫度為880℃、第二次淬火溫度為850℃、兩次回火溫度均為530℃，兩組熱處理材料試驗結果見表3.根據工藝試驗數據表明，18Cr2Ni4WA采用兩淬兩回的熱處理工藝可以細化晶粒和使材料的組織充分轉變，從而提高產品韌性，以達到最好的綜合性能。表3數據表明，采用兩淬兩回的熱處工藝可以滿足產品的性能要求，因此確定熱處理工藝為兩淬兩回。

6表面強化處理

為提高產品機械性能，對產品表面進行強化處理。由于機加切削造成表面刀花影響產品的性能，在工藝上考慮對產品表面進行滾壓，達到消除表面刀花應力影響的目的，但傳統的滾壓方式表面工作效率低，且表面質量不穩定；因此在工藝上考慮采用毫克能表面處理技術，減少產品的表面粗糙度和增加產品的表面壓應力，采用此工藝技術可以使產品表面粗糙度達到0.05μm之內，且在表面增加了均勻的壓應力，提高了產品的抗疲勞性能。（毫克能技術是在0.2MPa的作用下，以20000次/min的頻率讓球頭刀在工件表面沖擊。）

7制絲

7.1滾絲

產品螺紋直徑較大，為了保證滾絲后螺紋表面的粗糙度，在熱處理后進行冷滾絲，由于產品精度要求高，滾絲需要一次性成型，不能反復滾壓，則需要大功率的滾絲機。

7.2設備的選擇

根據《緊固件工藝指南》中公式：468115N=468.115kNE0為滾絲時所需的滾壓力；δ為材料的延伸率15%；L為螺紋長度96mm；P為螺距4.5mm；HB為硬度361HB；K為滾絲輪頭數3；F為修正系數1；Z為硬化系數2。因此，確定滾壓力E0≥468.115kN的壓力機，根據公司情況選用635kN滾絲機。采用滾絲機無屑加工方式冷滾螺紋，既保證了螺紋的精度，又保證了螺紋的強度和表面質量。

8成品檢驗情況

通過上述工藝小批量生產，按技術條件對產品進行了檢驗，結果表明，外形尺寸、機械性能、金相均滿足產品的設計要求。

9結束語

經生產實踐證明，模具結構緊湊、合理，工藝可靠，滿足了產品質量的要求，成功與國內盾構機契合，產品質量居國內領先水平。

參考文獻

1成都標準緊固件工業公司技術研究所.緊固件工藝指南[S].成都，1988.

2樊東黎，徐躍明，佟曉輝.熱處理工程師手冊[S].北京：機械工業出版社，2011.

3中國機械工程學會，中國模具設計大典編委會.中國模具設計大典[S].南昌：江西科學技術出版社，2003.

4中國機械工程學會鍛壓學會.鍛壓手冊[S].北京：機械工業出版社，1993.

5成大先.機械設計手冊[S].北京：北京化學工業出版社，2008.

作者：馮斌