盾构机用高强度螺栓工艺设计探讨

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摘要：在对盾构螺栓工艺设计的分析及工艺尺寸的计算和模具结构设计基础上，制定了产品生产工艺。通过局部加热，预压后再成型工艺锻造头部，最后经热处理再用冷滚丝工艺加工螺纹部分，以达到产品的设计要求，并采用毫克能消除应力和疲劳源，以提高产品的寿命。

关键词：模具结构;热处理;毫克能

1前言

随着经济发展，基础建设加速，城市地铁轻轨、铁路运输、高速公路、饮水工程、越江隧道和城市管道的发展，预计近5年盾构机市场需求大概在500～800台。盾构机市场发展必将带动其零部件需求的增长。盾构螺栓作为盾构机上的重要零部件，直接影响着盾构机的掘进速度和寿命。此前盾构机用螺栓长期依赖国外进口，不仅价格贵而且采购周期长，因此盾构螺栓国产化将提高我国盾构机在国际市场的竞争实力。

2盾构螺栓的技术要求

2.1盾构螺栓尺寸

各尺寸必须符合图纸要求（如图1）。图1螺栓示意图

2.2粗糙度要求

产品表面粗糙度＜1.6μm。

2.3产品机械性能要求

盾构机用高强度螺栓机械性能要求，详见表1。

2.4硬度

硬度35HRC～40HRC，同一件螺栓、螺钉的硬度差不大于3个洛氏硬度单位。

2.5金相组织

产品金相组织应为均匀的回火索式体，允许有少量铁素体，其含量应不大于3%，按第一级别图评定，1~3级合格。

3零件的工艺分析

3.1机械性能

零件的机械性能与标准ISO898-1中10.9级对比，见表2。

3.2螺栓原材料化学成分

螺栓原材料拟采用GB/T3077的18Cr2Ni4WA热扎圆钢，其化学成分见表3。

3.3生产工艺流程

根据产品的结构特色、机械性能等特点，螺栓采用的工艺流程为：备料—头部成型—热处理—表面加工—光杆表面强化处理—制丝—涂油。

4成型设备、模具结构及主要成型工序

4.1切断

材料切断长度确定和备料：根据产品的结构，计算出产品的体积，根据产品的体积，由公式V=πR2L得L=V/πR2算出所需产品的用料长度，然后备出合适的原材料。

4.2头部成型

根据计算镦锻比为1.8，需要压内六角，因一次成型会导致内六角偏心和不满，宜采用二次成型，即先温墩预压再热压成型头部的工艺方式。4.2.1预墩。由于两次成型的镦锻比较大，应合理分配两次成型的镦锻比。实践证明，第一次预墩应尽可能增大变形程度，而使预墩形状接近成型状，第二次热压更容易使头部的内六角压满，见图2。因预墩变形简单，为提高效率、降低成本，宜采用温镦的方式，应注意避开材料的蓝脆温度，所以加热到蓝脆温度以上再结晶温度以下就可以，选取的温度为600℃。4.2.2头部压型。头部成型后产品尺寸，见图3。头部最终成型，为保证产品的内六角镦满，采用热压成型，根据《锻压手册》查表得该材料的始锻温度为1200℃、终锻温度为800℃，因此选用始锻温度为1100~1150℃；

4.3成型设备选型

4.3.1挤压力。根据材料性能、零件结构计算出产品成型挤压力P：P锻=K*W*P1*F1=1.18*1.2*8000*34.2=3874176N=3874.17kN。P为挤压力（kN）；K为安全系数；W为温度与材料的影响系数（查表可得）；P1单位面积挤压力MPa；F1最大挤压面积cm2。由于锻压力P锻≥3874.2kN，根据公司情况选用J31-400双盘摩擦压力机。4.3.2J31-400双盘摩擦压力机设备参数。公称压力4000kN；滑块行程400mm；行程次数16次/min；最大封闭高度710mm；工作台板厚度250mm。

4.4模具设计

关键模具尺寸确定，上模、下模为产品尺寸控制的关键零部件。根据工艺要求，锻压温度为1100℃，18Cr2Ni4WA材料热膨胀系数为K=σ*t=15.1*1100℃*10-6=0.016，模具型腔尺寸设计应考虑1.6%的收缩量，即下模型腔直径D=D0+KD0=φ66*(1+0.016)=φ67.05+0.05(mm)，见图4；上模六方对边尺寸S=S0+KS0=32.25*(1+0.016）=32.7+0.5(mm)，见图5。为提高产品表面质量、延长模具寿命，可在上下模成型适当增加脱模稍度。技术应用echnologyandApplication.

5热处理

5.1热处理

由于对螺栓有较高的综合性能要求，热处理是盾构螺栓工艺的关键。同时由于产品为细长杆，易产生热处理变形。为减少变形，热处理时采取竖直吊装的方法进行加热和淬回火。

5.2热处理工艺试验

通过查阅《热处理工程师手册》可得，18Cr2Ni4WA材料全奥氏体转变温度为810℃。由于淬火温度越高，越容易造成淬火后晶粒粗大，可采用两淬两回的热处理工艺对产品进行晶粒细化。为验证两淬两回对产品综合性能的影响，分别对同一批材料的18Cr2Ni4WA进行了热处理试验对比。第一组采用一淬一回的工艺，淬火温度为880℃、回火温度为530℃；第二组采用两淬两回的工艺，第一次淬火温度为880℃、第二次淬火温度为850℃、两次回火温度均为530℃，两组热处理材料试验结果见表3.根据工艺试验数据表明，18Cr2Ni4WA采用两淬两回的热处理工艺可以细化晶粒和使材料的组织充分转变，从而提高产品韧性，以达到最好的综合性能。表3数据表明，采用两淬两回的热处工艺可以满足产品的性能要求，因此确定热处理工艺为两淬两回。

6表面强化处理

为提高产品机械性能，对产品表面进行强化处理。由于机加切削造成表面刀花影响产品的性能，在工艺上考虑对产品表面进行滚压，达到消除表面刀花应力影响的目的，但传统的滚压方式表面工作效率低，且表面质量不稳定；因此在工艺上考虑采用毫克能表面处理技术，减少产品的表面粗糙度和增加产品的表面压应力，采用此工艺技术可以使产品表面粗糙度达到0.05μm之内，且在表面增加了均匀的压应力，提高了产品的抗疲劳性能。（毫克能技术是在0.2MPa的作用下，以20000次/min的频率让球头刀在工件表面冲击。）

7制丝

7.1滚丝

产品螺纹直径较大，为了保证滚丝后螺纹表面的粗糙度，在热处理后进行冷滚丝，由于产品精度要求高，滚丝需要一次性成型，不能反复滚压，则需要大功率的滚丝机。

7.2设备的选择

根据《紧固件工艺指南》中公式：468115N=468.115kNE0为滚丝时所需的滚压力；δ为材料的延伸率15%；L为螺纹长度96mm；P为螺距4.5mm；HB为硬度361HB；K为滚丝轮头数3；F为修正系数1；Z为硬化系数2。因此，确定滚压力E0≥468.115kN的压力机，根据公司情况选用635kN滚丝机。采用滚丝机无屑加工方式冷滚螺纹，既保证了螺纹的精度，又保证了螺纹的强度和表面质量。

8成品检验情况

通过上述工艺小批量生产，按技术条件对产品进行了检验，结果表明，外形尺寸、机械性能、金相均满足产品的设计要求。

9结束语

经生产实践证明，模具结构紧凑、合理，工艺可靠，满足了产品质量的要求，成功与国内盾构机契合，产品质量居国内领先水平。

参考文献

1成都标准紧固件工业公司技术研究所.紧固件工艺指南[S].成都，1988.

2樊东黎，徐跃明，佟晓辉.热处理工程师手册[S].北京：机械工业出版社，2011.

3中国机械工程学会，中国模具设计大典编委会.中国模具设计大典[S].南昌：江西科学技术出版社，2003.

4中国机械工程学会锻压学会.锻压手册[S].北京：机械工业出版社，1993.

5成大先.机械设计手册[S].北京：北京化学工业出版社，2008.

作者：冯斌