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機(jī)用絲錐早期失效的分析跟預(yù)防


摘要：總結(jié)了機(jī)用絲錐早期失效的三種形式：斷裂、崩刃及非正常磨損，并分別對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，提出了解決絲錐、板牙早期失效的措施。 

高速鋼絲錐、板牙是廣泛用于瑪鋼管件、不銹鋼管件、閥門、石油機(jī)械、壓力容器等各種機(jī)械零件內(nèi)外縲紋加工的高效加工工具。由于被加工件強(qiáng)度高或被加工件質(zhì)量不穩(wěn)定，再加上絲錐、板牙制造過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，往往導(dǎo)致機(jī)用絲錐、板牙的早期失效。機(jī)用絲錐、板牙的主要失效形式包括斷裂、崩刃、磨損等。由于以這三種方式失效的絲錐、板牙都遠(yuǎn)未達(dá)到正常的使用壽命，因此造成較大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)分別進(jìn)行分析。 

1．?dāng)嗔?nbsp;

斷裂主要發(fā)生在絲錐上（板牙較少發(fā)生斷裂），一般是沿絲錐整個(gè)橫截面裂開。筆者通過(guò)對(duì)大量絲錐斷裂失效案例的分析，認(rèn)為絲錐斷裂的主要原因有以下幾個(gè)方面。 

（1）焊接不良 

為節(jié)省昂貴的高速鋼，絲錐柄、刃分別采用45鋼與高速鋼經(jīng)摩擦對(duì)焊而成。大量的絲錐斷裂是由于焊接不牢造成的。絲錐的焊接質(zhì)量主要由焊接摩擦壓力、摩擦?xí)r間、頂鍛壓力及頂鍛時(shí)間決定。摩擦階段要使45鋼和高速鋼接觸面上的低熔點(diǎn)化合物等有害雜質(zhì)都被擠出，最后在適當(dāng)?shù)捻斿憠毫ο聰D壓在一起。 

焊接時(shí)，由于45鋼在高溫下強(qiáng)度很底，在摩擦壓力下會(huì)產(chǎn)生很大的壓縮變形，形成很大的翻邊；而高速鋼由于有足夠強(qiáng)度使翻邊很小，這就使待焊表面高速鋼一側(cè)的低熔點(diǎn)化合物未被完全擠出，焊后容易產(chǎn)生裂紋，在絲錐使用過(guò)程中裂紋擴(kuò)展造成斷裂。 

此外，絲錐焊接后如果消除應(yīng)力不及時(shí)，也很容易在熱影響區(qū)產(chǎn)生斷裂。 

因此，在生產(chǎn)中我們采用在45鋼一端加保護(hù)套的方法解決上述問(wèn)題(見(jiàn)圖1)。由于保護(hù)套限制了45鋼被過(guò)量壓縮，保證了焊接時(shí)摩擦壓力傳遞到高速鋼一側(cè)，使其翻邊增大，接觸面上的有害雜質(zhì)被擠出來(lái)，焊接很牢固。同時(shí)焊接后要立即將絲錐投入到保溫爐中退火，以消除焊接應(yīng)力。

  
圖1 圖2

（2）結(jié)構(gòu)不合理 

若絲錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理也會(huì)造成斷裂。 

①絲錐有效截面積過(guò)小，導(dǎo)致單位截面積承載力過(guò)大，超過(guò)絲錐強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)行的斷裂。 

②絲錐截面過(guò)渡處尺寸差別太大或沒(méi)有設(shè)計(jì)過(guò)渡圓角導(dǎo)致應(yīng)力集中，使用時(shí)易在應(yīng)力集中處發(fā)生斷裂。柄、刃交界處的截面過(guò)渡處離焊口距離太近(即圖2中S過(guò)小)，導(dǎo)致復(fù)雜的焊接應(yīng)力與截面過(guò)渡處的應(yīng)力集中相迭加，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致絲錐在使用中斷裂。 

（3）熱處理工藝不當(dāng) 

絲錐熱處理時(shí)，若淬火加熱前不經(jīng)預(yù)熱、淬火過(guò)熱或過(guò)燒、不及時(shí)回火及清洗過(guò)早都有可能導(dǎo)致絲錐產(chǎn)生裂紋。 

（4）使用不當(dāng) 

絲錐在使用中遇到高硬工件、尺寸不規(guī)范工件或加工時(shí)絲錐與被加工件不同心，導(dǎo)致扭力過(guò)大，也可能導(dǎo)致絲錐折斷。

2．崩刃 

崩刃是絲錐、板牙使用中早期失效的另一種主要形式，其表現(xiàn)為切削刃崩掉，絲錐、板牙無(wú)法正常使用。導(dǎo)致絲錐崩刃的因素很多，主要有以下幾個(gè)方面： 

（1）原材料質(zhì)量問(wèn)題 

我廠采用W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V作為制造絲錐、板牙的原材料，經(jīng)淬火、回火后硬度一般在64～66HRC，材料脆性很高，強(qiáng)韌性較低。當(dāng)原材料中化學(xué)成分C及雜質(zhì)S、P、Si、Mn超標(biāo)時(shí)，會(huì)使絲錐脆性增大；當(dāng)?shù)捅督M織中存在夾雜氣孔、組織疏松時(shí)，也會(huì)使材料脆性增加，造成絲錐使用時(shí)崩刃。 

原材料碳化物不均勻度過(guò)大，絲錐也容易崩刃。若材料組織中出現(xiàn)大塊碳化物，絲錐使用過(guò)程中大塊碳化物處會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力，使大塊碳化物脫落，造成崩刃。若一次碳化物出現(xiàn)網(wǎng)狀分布，由于碳化物網(wǎng)對(duì)基體有割裂作用，因此也易使絲錐崩刃。通過(guò)對(duì)實(shí)際使用中出現(xiàn)崩刃和完好無(wú)損的絲錐切削刃進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)未崩刃的絲錐中碳化物細(xì)小、圓整、分布均勻，而發(fā)生崩刃的絲錐中碳化物分布不均、呈堆積狀或顆粒較大。 

（2）熱處理不當(dāng) 

絲錐熱處理不當(dāng)如淬火加熱溫度過(guò)高、回火不充分等都會(huì)導(dǎo)致崩刃現(xiàn)象。 

絲錐熱處理時(shí)如出現(xiàn)過(guò)熱，其組織晶粒度將變粗大。經(jīng)驗(yàn)表明：淬火晶粒度大于9.5級(jí)時(shí)，材料組織的脆性將增大。而熱處理嚴(yán)重過(guò)熱時(shí)，組織中的碳化物將在晶粒邊界聚集后析出，碳化物出現(xiàn)脫尾，甚至出現(xiàn)半網(wǎng)狀碳化物。這樣的組織使得絲錐、板牙變得非常脆，使用時(shí)容易崩刃。

 
圖3 W6Mo5Cr4V2高速鋼中存在大塊碳化物的組織500×

 
圖4 W6Mo5Cr4V2高速鋼中的過(guò)熱組織500×

此外，絲錐淬火后的回火也很關(guān)鍵。如果回火不充分，組織中殘余奧氏體較多。由于絲錐、板牙加工螺紋時(shí)切削阻力很大，絲錐與工件接觸部分溫度很容易升高，當(dāng)再次冷卻時(shí)，組織中未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體將會(huì)有一部分轉(zhuǎn)變成馬氏體。這部分馬氏體在絲錐下次使用前是未經(jīng)回火的，而未經(jīng)回火的馬氏體非常脆，容易導(dǎo)致崩刃的發(fā)生。 

我們?cè)谫|(zhì)量檢測(cè)中針對(duì)回火爐內(nèi)溫度分布不均勻造成一部分絲錐回火不充分的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)采用560℃×1小時(shí)三次回火，使絲錐全部達(dá)到充分回火，大大減少了崩刃現(xiàn)象。 

3．磨損 

絲錐、板牙的磨損是指絲錐、板牙使用時(shí)間不長(zhǎng)，其切削刃就被磨掉一部分，使牙型尺寸變小而無(wú)法使用。導(dǎo)致這種現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)原因。 

（1）基體硬度低 

材料成分中C及合金元素含量低或碳化物不均勻分布可導(dǎo)致硬度低。淬火加熱不足、表面脫碳、表面腐蝕都可使絲錐表面硬度降低而導(dǎo)致耐磨性不足。 

（2）磨削退火導(dǎo)致耐磨性下降 

有時(shí)絲錐、板牙的基體硬度正常，但在切削時(shí)仍易磨損。在排除了被加工件異常的因素后，對(duì)參與切削加工的絲錐牙型進(jìn)行了硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有一部分牙尖較軟。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)由于磨削時(shí)吃刀過(guò)大，牙型溫升太快，產(chǎn)生了磨削退火，導(dǎo)致牙尖硬度降低，耐磨性不夠。經(jīng)改進(jìn)磨削工藝后，絲錐耐磨性顯著提高。 

4．絲錐失效的預(yù)防措施 

（1）精選材料：嚴(yán)格控制絲錐材料的化學(xué)成分、低倍組織及碳化物不均勻度。 

（2）優(yōu)化工藝：焊接柄、刃部時(shí)加保護(hù)套，熱處理時(shí)嚴(yán)防過(guò)熱，回火一定要充分，磨削時(shí)要絕對(duì)防止磨削退火。 

（3）精心設(shè)計(jì)：截面尺寸有變化時(shí)要注意有圓角過(guò)渡，避免應(yīng)力集中；柄、刃部對(duì)焊件焊口離柄刃交界處距離不能太小。

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