硬质合金组合件过盈连接的可行性探讨

苏 伟,颜 娟,刘方舟

(自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡 643000)

硬质合金组合件过盈连接的可行性探讨

苏 伟,颜 娟,刘方舟

(自贡硬质合金有限责任公司,四川自贡 643000)

分析了硬质合金与不锈钢件采用过盈连接出现问题的原因,对于材料选择、热处理工艺提出改进措施,同时确定了加工工艺控制要点,为硬质合金与不锈钢件过盈连接方式提供一定的参考。

硬质合金;过盈量;屈服强度;冷装

1 引言

在油气田勘探、开发过程中,需要钻井过程进行实时测井,以便及时了解地层的含油气情况。由于钻探测量部件的工作环境非常恶劣,要求脉冲发生器上的耐磨件对钻探泥浆的高压、冲击、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲蚀性非常高,因此在脉冲发生器上使用了大量的硬质合金耐磨件。图1为我公司向客户提供的脉冲发生器上的蘑菇头,该零件采用硬质合金基体(材质YG8)与不锈钢螺纹套(材质17-4PH)组合式连接结构,要求在80～150 N·m的扭矩工作条件下,螺纹套不产生松动。但自从供货后,用户在组装过程或使用过程中,多次出现不锈钢螺纹件从合金孔脱落的现象。

2 原因分析

为保证硬质合金基体与不锈钢螺纹套至少能承受80 N·m的力矩,配合面间需采取足够大的过盈量,而同时零件本身的强度也需承受足够大的过盈量。

图1 脉冲发生器的蘑菇头示意图

2.1 最小有效过盈量δmin

当联接传递转矩T时,应保证在此转矩作用下不产生周向滑移。当径向压力为P时,配合面间所能产生的摩擦阻力矩Mf应大于或等于转矩T。

式中:d—配合面的公称直径,mm;

l—配合长度,mm;

p—配合面的压力,MPa;

f—配合面的摩擦系数。

因需保证Mf≥T,故得:

根据材料力学有关厚壁圆筒的计算理论,过盈联接传递载荷所需的最小过盈量应为:

式中:△min—最小过盈量,μm;

p—配合面的压力,MPa;

d—配合面的公称直径,mm;

E1、E2—分别为被包容件与包容件材料的弹性模量,硬质合金为600 000 MPa,不锈钢取200 000 MPa;

C1—被包容件的刚性系数

C2—包容件的刚性系数

d1、d2—分别为被包容件的内径和包容件的外径,mm;

μ1、μ2—分别为被包容件与包容件材料的泊松比。对于钢,μ1=0.3;对于硬质合金,μ2=0.22。

当采用压入法装配时,配合表面的微观峰尖将被擦去或压平一部分,此时按式(3)求出的理论值△min值应再增加被擦去部分2μ,故计算公式为:

式中:μ—装配时配合表面上微观峰尖被擦去部分的高度之和,取其为0.4(RZ1+RZ2);

RZ1、RZ2—分别为被包容件及包容件配合表面上微观不平度的十点高度。

代入各数据求得过盈联接的最小有效过盈量δmin=0.024 mm

2.2 过盈联接的强度校核

采用过盈联接时,应确保零件本身的强度不使其产生塑性变形,按材料力学中阐明的厚壁圆筒强度计算方法进行校核。

包容件为脆性材料,按最大周向拉(压)应力用第一强度理论进行校核。零件主要破坏形式是包容件内表层断裂。设σB2为包容件材料的拉伸强度极限,取值2000 MPa。则强度校核公式为:

被包容件为塑性材料,按第三强度理论检验其承受最大应力的表层是否处于弹性变形范围内,设σs1为被包容件的屈服极限,取值200 MPa,可得不出现塑性变形的检验公式为:

根据被包容件屈服强度,可得最大径向压力Pmax≤97 MPa:

可得最大过盈量δmax=0.012 mm

因此零件不产生变形的最大过盈量,与连接强度所需要的最小过盈量矛盾,即为保证连接强度所需的压力已超出材料能承受的屈服强度,镶接后造成零件产生屈服变形从而使连接失效。

3 改进措施

3.1 增加材料屈服强度

由于该不锈钢材料在常规情况下,屈服强度无法满足足够大的压力,因此需要对该材料采取特殊处理提高其屈服强度,不锈钢件17-4ph采用固溶处理,470～490℃保温,空冷热处理方式后,屈服强度大于或等于1180 MPa。当屈服强度бs1取值1180 MPa时,根据零件不出现塑性变形的检验公式为:

再求出最大过盈量δmax,即得出δmax= 0.072 mm。

3.2 加工工艺控制

在材料强度前提下满足连接强度,需要控制过盈量为0.024～0.072 mm。

由于压装工艺只适合小零件,当过盈量超过直径的1.5‰,必须用温差法进行装配,因此该组合件使用冷装工艺。

采用冷装法,液氮能将钢件堵头冷却至-195℃,室温设定为25℃,钢件直径变化量为16×220 ×14.67=0.052 mm,而当温度迅速升高至-150℃,钢件直径变化量为16×150×15.08= 0.036 mm。

综合考虑操作过程及检测误差,过盈量必须控制在0.03～0.036 mm

加工工艺控制要点:①合金内孔及钢件外圆磨削加工时,务必保证良好的圆柱度,在检测时使用高精度量具进行测量,保证过盈量控制精确;②冷装时,取出钢件后应迅速沉着地放入合金孔中。

4 结语

(1)在钢件不经过热处理条件下,硬质合金与钢件采用过盈连接,相配合所允许的过盈量极小,这对于加工中尺寸控制难度极大,零件工况条件要求也很严苛。

(2)在确定配合所需要的过盈量后,可对钢件采用适当的热处理方式,满足零件工况条件同时便于工件制作。

(3)硬质合金与钢件的过盈连接方式,与常规情况下钢件与钢件过盈连接方式存在较大差别,在设计制作过程中,务必对零件强度进行校核,明确工况条件,避免出现质量问题。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2001.

Discussion on the Feasibility of the Interference Connection of Hard Alloy Assembly

SU Wei,YAN Juan,LIU Fangzhou
(Zigong Cemented Carbide Corporation Limited,Zigong 643000,Sichuan,China)

Analysis of interference connection problem between the hard alloy and stainless steel parts,put forward improvement measures for material selection,heat treatment process,and determine the control points of the processing technology,provide a reference for the hard alloy and stainless steel interference connection method.

cemented carbide,magnitude of interference,yield strength,cold assembled

TG95

A

1001-5108(2017)03-0049-03

苏伟,助理工程师,主要从事硬质合金精加工技术及管理方面的工作。