钎头的制造工艺与装备.docx

钎头的制造工艺与装备张国榉 , 张汉斌(中国地质大学掘进工程研究所 , 湖北 武汉 430074)摘要 : 重点论述了钎头制造工艺技术及其装备对于确保钎头质量的重要性 , 详细阐述了各类钎头的制造工艺流程 , 以及我国球齿钎头 “沉底式感应钎焊”和 “过盈” 固齿法相辅相成的演变历程与发展方向 。关键词 : 制造工艺 ; 球齿钎头 ; 沉底式感应钎焊固齿 ; 过盈固齿中图分类号 : td42112 + 5文献标识码 : b轧制的 、退火后检验合格的 ff2710 钢棒材 ,在无心扒皮机床上除去硬表层) 切料 钻 大孔 (粗钻) 和中心水孔 精车锥孔或螺纹大孔 、车螺纹 车外圆 铣刃片槽 ( 立铣)铣粉沟 ( 卧 铣 , 一 次 铣 出 两 道 沟) 铣110刃面 钻侧面水孔 压标记 冲刃片槽 壁凹痕 ( 利用凹痕凸出的毛刺使合金片定位 , 保证合金片两侧焊缝厚薄均匀) 。刃片槽底棱要铣出小的倒角或圆角 , 精度要高 , 表面粗糙度值要低 , 这有利于防止底棱处出 现应力裂纹 , 增强钢体对合金的支撑力 , 同时有助于提高焊缝的牢固性 。我国 1980 年以前 , 对于钎头钢体成型 , 除株洲东方工具厂曾率先采用机械切削法生 产外销钎头外 , 其余厂矿基本上无例外地采用苏联 40 年代使用的锻造成型法生产老式 一字形钎头 , 这种方法的主要缺点是 : 几何形状 、尺寸精度和表面粗糙度不能保证(锻造表面不再加工) ; 高温长时间加热锻 造和退火后的钢体晶粒粗大 , 表面烧蚀脱碳 严重 ; 需要庞大的加热 、锻造设备 ; 使工艺流程复杂化 , 不利于实现自动化作业 ;单件手工锻造 , 毛坯质量受锻工个人因素凿岩机械气动工具 , 2000 (3)几何结构参数是前提 , 材质是基础 , 工艺装备是手段 , 钎具质量很大程度上取决于 先进合理的制造工艺技术 , 成功的关键在于 加工方法先进 。钢体成型方法的选择国际市场上的钎头除个别用有特殊保护 措施精锻成型 ( 如波特硬金属欧洲有限公 司) 外 , 绝大多数采用机械切削加工 , 以瑞 典 secoroc 公司为例 , 该公司钎头钢体成型 , 采用全部机械切削加工 。他们认为 , 机械切 削加工具有如下优点 : 能降低产品的表面 粗糙度值 , 提高疲劳强度 ; 能精确保证产 品的几何结构及尺寸 , 尤其是锥孔或螺纹的 精度 ; 能减少加热次数 , 改善钎头钢体的 金相组织和机械性能 , 并有利于实现自动化 作业 ; 省去了锻造所需的设备 、模具 、能 源等一切费用 , 而切削加工产生的金属屑 , 可回炉利用 。50 年代 , 也采用过锻造毛坯 , 成型后再退火进行机械加工 , 并全部除去表 面疏松氧化层 , 现已不用 。该公司锥体和螺纹连接的十字形钎头钢 体的加工步骤是 : 棒料扒皮 (将专门冶炼和501的影响甚大 , 不利于质量管理 ; 劳动卫生条件差 , 对环境有污染 。从生产厂的局部范 围讲 , 以新型十字 、 型钎头为例 , 锻造成型的优点是可以节省约 20 %的钢材消耗 , 但事实上 , 这节省出的 20 %的钢材 , 还必 须扣除钢材重复加热烧蚀的部分 , 刀花回收 利用的部分 , 以及模具钢额外消耗的部分 。 总之 , 我们认为钎头钢体普通锻造成型的传 统加工工艺 , 已经是一种过时的落后工艺 ,这种工艺加工的钎头钢体 , 外形粗糙 , 内在 缺陷很多 , 疲劳强度低 , 凿岩中钎头事故率 和提前报废率高 , 在全局范围内将导致更大 的浪费 , 此外 , 它不利于环境保护和改善工 人劳动条件 。近十几年来 , 经过钎具科研和生产部门 的共同努力 , 全国已有数十家钎具生产厂先 后采用全机械切削法生产新型钎头 。以 40 马蹄形一字钎头为例 , 价格和老一字钎头相 近 , 而寿命 、钻速 、合金利用率等各项质量指标均大幅度提高 , 外观质量也彻底改观 。 综上所述 , 我们认为进一步向全国钎具 生产厂 , 推荐全部机械切削加工的新的锥体 和螺纹连接钎头钢体成型工艺 , 在技术上是 合理的 , 在生产上是可行的 , 在经济上从全局讲是合算的 。至于有的单位提出 , 为了节 省原钢用量 , 采用一次热锻冲孔成型制成毛 坯 , 然后再对此留有足够的机加工余量的钎 头钢体毛坯 , 进行全机械切削加工 , 以除去 表层软组织 , 并获取与全机械加工相同的有利于提高钎头质量的各种好处 , 锻造组织机 械性能是好的 , 对于大直径钎头毛坯锻造是 可行的 , 但是 , 对于几何形状较为复杂的新 型小直径深锥孔钎头 , 一次冲孔成型的难度 很大 , 如不冲压锥孔 , 综合权衡后很可能得不偿失 , 过去不少钎头生产厂还试用过钎钢 体的精铸成型工艺 , 但所得铸造组织晶粒粗 大 、疏松 , 钢体中常残留气孔 , 强度和韧性 不足 , 外观粗糙 , 工人劳动条件较差 , 故未 能获得推广 。但是 , 用 40mnmov 、40crmov凿岩机械气动工具 , 2000 (3)等空冷合金钢与精铸工艺生产的内外表面留有足够加工余量的精铸钢体毛坯 , 制造成小 直径锥体连接钎头 , 在一般硬脆和中硬岩石中 , 可以实现正常报废 , 且能有效降低生产 成本 , 故在有利的凿岩条件下可以使用 。此 外 , 有保护措施的锥孔 、水沟等一次精锻成 型工艺 , 可以保证钎头钢体质量 , 节 省 钢 材 , 并有助于简化机加工工序 , 当 条 件 具 备 、技术经济效益对比合算时是可行的 。2钢体机械切削加工工艺流程及准备用 留 有 加 工 余 量 的 40mnmov 、24simn2ni2crmo 、25simnnicrmov 等圆钢加工 ,轧材要求退火后供应 , 并需检验合格 , 进厂检查发 现有发纹 、裂纹者不得使用 , 如晶粒粗大 , 硬度过高或不均 , 有偏析带状组织出现 , 可 重新作退火处理 , 其加热冷却均在箱式或井 式电炉中进行 , 退火后的硬度应在 hb180260 之间 。(1) 马蹄形整片一字形钎头 。马蹄一字 形钎头的工艺流程是 : 材料进厂检验 棒料 钢材退火 下料 平端面 粗钻内孔 靠模 粗车外圆 粗车内锥孔 锪半球形孔 精车内锥孔 平长短 靠模半精车外圆 铣合金 片槽 铣 110刃面 钻水孔 铣排粉槽 磨 合金片 打毛刺 、清洗 、配片 焊接 喷砂磨 2020锥面 精车裙部 磨 110刃面 细部修磨 成品检查 滚字 锥孔喷涂软金属或装衬垫 表面防锈处理 ( 喷漆或包塑)贴标签 装箱 、入库 。(2) 实芯结构三刃形钎头 。三刃形钎头 的工艺流程是 : 材料进厂检验 棒料钢材退 火 下料 平端面 粗钻内孔 靠模粗车外圆 粗车内锥孔 锪半球形孔 精车内锥孔平长短 钻中心孔 靠模半精车外圆 铣 合金片槽 铣 110刃面 铣排粉槽 钻侧水 孔 磨合金片 打毛刺 、清洗 、配片 焊接喷砂 磨 230锥面 精车裙部 磨 11051刃面 细部修磨 成品检查 滚字 锥孔喷涂软金属或装衬垫 表面防锈处理 (喷漆或 包塑) 贴标签 装箱 、入库 。(3) 锥体连接十字 、 型钎头 。镶芯 型或实芯 型结构的锥体连接十字形钎 头 , 其生产工艺流程与三刃形钎头相同 , 其 中镶芯结构 的 十 字 型 钎 头 , 在 “钻 侧 水 孔”后增加 “钻中部芯孔”, 在 “配片”前 增加 “装芯”。(4) 锥体连接球齿形钎头 。锥体连接球 齿钎头的工艺流程是 : 材料进厂检验 棒料 钢材退火 下料 平端面 粗钻内孔 靠模 粗车外圆 粗车内锥孔 锪半球形孔 精车 内锥孔 平长短 靠模半精车外圆 车边齿锥面 检查 铣排粉槽 铣边齿孔 铣中齿 孔 钻水孔 磨球齿柱面 (并抛光钝化) 打毛刺 、清洗 、配齿 焊接 喷砂 精磨 3 锥面 精车裙部 细部修磨 成品检查 滚 字 锥孔喷涂软金属或装衬垫 表面防锈处理 (喷漆或包塑) 贴标签 装箱 、入库 。(5) 螺 纹 连 接 十 字 、 型 钎 头 。以金龙牌 50 十字 型波形螺纹连接钎头 为例 , 其工艺流程是 : 材料进厂检查 棒料 钢材退火 下料 平端面 粗钻内孔 粗车外圆 平长短 精车螺纹内孔 钻 14 水窝车螺纹退刀槽及着力台端面 铣波形螺纹钻中心水孔 精车外圆 铣合金片槽 铣110刃面 铣排粉槽 钻侧水孔 磨合金片打毛刺 、清洗 、配片 焊接 喷砂 复钻 中心水孔及扩口 精磨 3隙角 磨 110刃面细部修磨 成品检查 滚字 表面防锈处理 (包塑或喷漆)贴标签 装箱 、入库 。 十字 型钎头与此类似 , 只另加 “钻中部芯 孔”和 “装芯”两道工序 。(6) 螺 纹 连 接 x 形 、 型 钎 头 。其 工艺流程与螺纹连接十字 、 型钎头相 同 。(7) 螺纹连接球齿形钎头 。以模锻毛坯 的成探牌 50 球齿波形螺纹钎头为例 ,52其工艺流程见表 1 。表 150 球齿波形螺纹钎头工艺流程3合金片齿的镶配国外对固片 、固齿以及合金片 、齿的镶配工艺极为重视 , 认为它是固片 、固齿成败的关键 , 由有经验的技工实行严格的操作 , 成功的要诀是严密 、精细 、干净 。瑞典人不 但对一字 、三刃形整体钎子和十字 、x 形钎 头的焊缝厚度要求十分严格 , 还把热嵌固齿球齿钎头的配合公盈等固齿工艺作为企业机密 。他 们 表 示 : 球 齿 孔 径 的 公 差 离 散 度 值 (每 10 000 个孔的直径差) , 可以作为衡 量企业技术水平和管理水平的指标 。瑞典secoroc 公 司 1978 年 达 到 的 水 平 是 4 28m ; 1980 年曾计划达到 410m 。凿岩机械气动工具 , 2000 (3)序号工序加工设备1下料g2722模锻坯料560 kg 空气锤锻模3坯料退火井式电炉4粗钻内孔c6205靠模粗 、精车外圆c6206铣刀扩孔 、平端面 、倒角c620 专用靠模7精车头部端面 、边齿锥面c6208钻 14 孔c6209铣螺纹退刀槽c620 专用成形铣刀10铣波形螺纹专用铣床 、专用铣头11检验12铣边 、顶齿孔x52 k 专用工具13铣 r10 排粉槽专用铣床专用夹具14钻顶水孔z5135 钻模15钻侧水孔同上16打毛刺 、清洗 、配齿17钎焊gp210018喷砂喷砂机专用夹具19磨 3锥面专用磨床20细部修磨21成品检验21防锈处理 、打字 、贴标签 、 入库喷漆机 、打字机311 片齿修磨和槽孔的清理为了平整合金片 、齿的钎焊面 , 并除去 其疏松的氧化表层 , 以改善焊料对合金片的润湿性 , 保证焊缝均匀致密 , 不少国家 (例 如前苏联) 始终保留了用金刚石砂轮湿磨三 面的磨片工艺 , 还特别强调了对合金片底面 进行研磨的重要性 。磨片也可用中软的 46 目绿色碳化硅砂轮 。砂轮圆周速度不宜过 高 , 一般可取 1215 m/ s ; 每次研磨深度不宜过大 , 一般不超过 0102 mm ; 磨削温度有 时高达 1 0001 500 , 最好采用砂轮开槽 的断续磨削 , 磨削时必须连续供给充分的冷 却液 , 可用流量 1012 l/ min 的中性自来水 或皂化液 。研磨后的合金片齿钎焊面应光亮如镜 , 不允许有粗糙擦痕 、微细裂纹和烧焦 痕迹 。球齿钎头的合金齿柱面 , 则用无心磨 床研磨 , 并作翻斗研磨抛光的钝化处理 。真空烧结 、无渗碳层 、表面平整 、几何 尺寸能满足配片要求 、焊接面积较小的合金片 、齿 , 应尽量少磨合金 , 也可试行只沿长 轴方向顺磨底面并进行钝化处理后 , 直接清 洗配片的工艺 , 如不具备上述条件中的一 项 , 仍应坚持正确磨削的磨片工艺 。对于槽孔的清理国内有两种意见 , 成都工具研究所的同志认为 : “刀片槽表面粗糙 度值越低 , 焊缝强度也随着提高 。”并举出 用刨 、铣 、磨三种方法加工的 45 钢车刀杆 体 , 钎焊表面粗糙度不同 , 用紫铜钎焊 yt 合金 片 后 , 焊 缝 平 均 抗 剪 强 度 分 别 为 90mpa 、125 mpa 、159 mpa 。钎焊一书的作 者则认为 , 粗糙的表面可以增强毛细作用和 焊料接触面积 , “表面越光滑 , 强度下降越 多”。作者以银焊料 “料 308”在氢气炉中 钎焊低碳钢试件为例 , 指出 : “用 120砂纸研磨过的表面得到最高的接头强度 , 砂纸 愈细 , 强度愈低 。”根据我们在钎头感应钎 焊中的体会 , 对毛细作用和焊缝强度影响最 大的因素 , 是焊缝的性质 (能否形成扩散良 好的焊缝界面) 、厚度和均匀程 度 。因 此 ,凿岩机械气动工具 , 2000 (3)保证槽孔有较高的精度和较低表面粗糙度值是有必要的 。我们的工艺卡规定 , 槽孔只能 铣不能刨 、钻 , 槽孔壁表面粗糙度值应低于 ra613 。迄今还未发现表面粗糙度值过低的弊害 , 只是加工上不经济才未作更高要求 , 抗剪试验和凿岩实践表明 ra613312 的槽 孔壁表面粗糙度是适用的 。槽孔的清理 , 主 要目的是除去毛刺和锈迹 , 一般应尽可能在 铣完槽 、孔后 , 立即清洗配片焊接 , 以使钎 焊面保持光亮平整 。312 焊接组件的清洗国内各钎具厂大都忽略了这件工作的重 要意义 , 有的只是按工艺流程走过场 , 没有真正起到净化钎焊面的作用 。例如 : 有的铣 槽孔后未作防锈处理 , 而放置时间过长 , 配 片时并不认真除去锈迹 ; 有的铣槽孔后又对 裤体加热作单独的淬火处理 , 配片时 , 大略 地用锉刀 、砂布擦拭一下 , 较好的作法也不过对槽孔喷一次砂 , 氧化皮和脏物几乎保留无遗 ; 多数生产厂配片时只洗合金片 , 不洗 刀片槽 ; 一般都用酒精淘洗合金片 , 酒精水溶液对金属有腐蚀性 , 又不易干 , 工人多用 “火焚法”烧去酒精 , 在合金片上仍留下碳酸水汽和腐蚀物 , 使合金片磨面失去光泽 ; 多数生产厂配片工人不着清洁的工作服 , 有 的满手汗渍和污物在泥土地面上配片 , 尘土 飞扬 , 重复污染钎焊表面 。因此 , 我们建议 废止上述不恰当作法 , 采用去污力强 、不含水 、对金属无腐蚀性的烷烃类有机溶剂汽油( c6 h14 c12 h26)或四氯化碳 ( ccl4) 作清洗剂 , 对所有焊接组件的钎焊表面作彻底清洗 , 洗后干燥和配片均在专门的工作室实行 无尘操作 , 杜绝锈斑 、灰尘 、油脂 、汗渍等再次污染焊接表面 。313焊缝间隙的选择焊缝间隙值是确保焊接质量的 重 要 参 它与焊料性质 、焊接面积大小 、是否用数 ,补偿片 、焊缝受力情况等因素有关 , 国外比较一致的看法是 : 焊缝越薄 , 焊接 强 度 越53高 , 但焊接应力越大 ; 焊缝越厚 , 焊接应力越小 , 但焊接强度越低 。底部焊缝承受合金 片正面冲击力 , 又是钎头使用后期固结合金的主要焊缝 , 要求具有较高的焊接强度和刚 性 , 因此越薄越好 , 但以不 “挤死”为限 。 为了降低焊接应力 , 侧部焊缝应比底缝厚50 60 年代 , 各国采用的焊缝间隙普遍较薄 。美 国 对 小 钎 头 规 定 , 底 缝 厚 01030105 mm ; 侧缝单侧缝厚 0103 0108 mm 。 侧缝使用补偿片时 , 补偿片厚 0125 mm , 补偿片与合金和钢体之间的间隙 , 分别 0108mm 。前苏联当时规定 : 一字形小钎头用黄 铜焊料时 , 侧缝双侧间隙共计 0115 mm , 底 缝未作规定 。60 年代以后 , 侧部焊缝有加 大趋势 。瑞典一字形整体钎子 , 钎头单侧焊缝间隙一般在 012 mm 左右 ; 日本工业标准j ism3916 1977 推荐的钎头双侧焊缝间隙值(银焊料) 为 01150125 mm 。表 2 是根据样 品实测获得的焊缝间隙值 。些 ,料 ,料 ,并且两侧焊缝厚度应当相等 。低温银焊小面积钎焊 , 焊缝应薄些 , 高温铜基焊 大面积钎焊 , 焊缝应厚些 。薄焊缝只要不出现 “挤死”, 毛细作用强 , 双侧焊缝厚薄均匀 , 配片和钎焊操作比较方便 , 焊料消 耗较少 ; 厚焊缝需要专门方法固片 , 钎焊操 作要更为仔细 , 否则易造成双侧焊缝厚薄不匀 ,或使焊液流出导致脱焊 。表 2 几种小直径钎头的焊缝间隙值我国老一字钎头旧工艺卡片规定的焊缝间隙太小 , 双侧共计 0108 0115 mm , 而且 钎焊面较大 ( 合金片高 18 mm) , 焊接温度 较 高 ( h62 、h68 黄 铜 焊 料 焊 接 加 热 超 过1 000 ) , 这是造成焊接应力过大和引起脱碎片的原因之一 。不少生产厂对底缝的质量 注意不够 , 槽底棱不倒角或倒角过大 , 槽底 面常出现粗糙的波形刀痕 , 合金片不磨底 面 , 以及焊片操作不仔细等 , 引起焊缝厚薄 不均 , 底缝厚度甚至比侧缝还厚 , 这也是使焊缝受力恶化而导致脱碎片的重要原因 。 根据国内外的经验和我们多次试钻的体54会 , 对 片 厚 和 齿 径 为 8 、9 、10 、11 、12(mm) 的中小直径钎头的焊缝间隙特作如下 规定 : 对 片 高 15 mm 的 一 字 形 钎 头 , 采 用105 、801 焊料时 , 双侧焊缝间隙 共 计 01200130 mm , 用 0125 mm 的厚薄规配片 ; 采 用银基料 315 、料 304 焊料时 , 双侧焊缝间隙共计 0115 0125 mm , 用 0120 mm 厚薄规配片 ; 对三刃形和十字 、 型钎头 , 双侧 焊缝间隙共计 0115 0125 mm , 105 、801 或 银焊料 , 均用 0120 mm 的厚薄规配片 ; 对直径较大的 x 形 、 型钎头 , 焊缝间隙值 与一 字 形 钎 头 相 同 , 双 侧 0120 0130 mm ;凿岩机械气动工具 , 2000 (3)国别厂家钎 头 特 点备注外形直径(mm)合金片尺寸( 长 高 厚)(mm)焊料焊片方法焊缝厚度 (mm)侧缝( 单侧)底缝日本三菱公司 三菱公司 东洋公司十字形 一字形 十字形42423616 12 6 (4 片)42 12 812 12 8 (4 片)银基 银基 紫铜感应钎焊0112011101250107010701041966 年样品 ,显微放大 1201966 年样品 ,显微放大 1201966 年样品 ,显微放大 120瑞典山特维克塞科洛克整体一字形 螺纹十字形整体一字形 十字形3248363632 16 101615 19 . 5 10 . 5(4 片)36 18 1013 15 815 (4 片)紫铜 银基银基 银基感应钎焊0120011401280120013001050 . 090 . 041966 年样品1982 年样品1978 年样品 ,显微放大 1251978 年样品 ,显微放大 125英国韦克曼公司十字形4215 11 8 (4 片)银基感应钎焊01100 . 150 . 06裤体 hrc35芬兰科密塔公司一字形3838 15 10银基感应钎焊01150 . 051978 年样品平均3248感应钎焊0 . 130 . 06一字 、十字形 、银焊料为主球齿钎头齿孔径差 01150125 mm 。实际上 ,钎焊后的真实焊缝厚度 , 将比厚薄规定的限 值稍 大 。此 外 , 所 有 底 缝 的 厚 度 以 不 “挤死”为限 , 越 薄 越 好 , 一 般 规 定 为 0105 0110 mm , 其值只能通过严格的铣槽孔 、磨 片和正确的钎焊操作来保证 。314 合金片和焊料 、焊剂的布放方法国外常用的片状合金钎头的布片方法有 两种 : 金属丝定位法 ( 如图 1a 所示) 和毛刺定位法 (如图 1b 所示) 。瑞典新近介绍一 种配片方法 , 即将焊料箔片冲成 u 形槽盒 状 , 放入干净的刀片槽中 , 再嵌入合金片 , 然后撒上焊剂 。u 形槽盒的尺寸应比充满焊 缝需用量多出 10 % 。名的 钎 具 公 司 ( 如 sandvik 、secoroc 、boart等) 均 采 用 “热 嵌 固 齿”或 “热 压 固 齿”,前苏联采用 “焊接固齿” ( 见 oct6086 75和 oct17196 77) , 其固齿工艺 的 细 节 均 不详 。关于 “热嵌固齿”, 瑞典 secoroc 公司 经理 b1 罗森德先生曾解释说 : “牙轮钻头要 求低些 , 可以用冷装 , 冲击式凿岩要求高 , 故用热装 。热装工艺我们研究了 10 年 , 是 本公司的机密 。”1980 年以前 , 国内用 “浮放焊片钎焊”和 “冷压”固齿工艺 。我们则 从实践中摸索出一种适应中小直径球齿钎头 特点 、符合我国国情条件的 “沉底式感应钎 焊固齿法”。该工艺来源于我们对中小直径 片状合金钎头固片经验的研究 。411 “过盈配合固齿法”的局限性瑞典人介绍的 “热嵌固齿法”在大中直 径球齿钎头中被证明是比较成功的 。sandvik 公司用此法生产的 48 七齿钎头 , 在大瑶山 隧道平均寿命可达 300 m 。但是 , 我们仍然认为 , 至少目前不能在中小直径球齿钎头方 面全部照搬这个经验 。这是因为 : (1) 瑞典 中小直径球齿钎头投放市场的时间还不太 长 , 他们在这个领域的作法也还带探索性 质 。例如 , sandvik1982 、1983 年的最新产品57 九齿 、48 七齿钎头在张滩和大瑶山隧 道均出现钻速低 、早期中齿碎断 、中后期边 齿外翻掉齿 、碎齿现象 , 基本上不具备重磨 条件 。 ( 2) 球齿钎头的发展历史是从大直 径 、不修磨开始的 。大直径布齿比较自由 ,柱齿周围的钢体较厚 , 可以提供足够的抱紧 力来保证固齿质量 ; 不修磨对于凿岩所带来 的操作方便 、时间和劳动力的节省 , 对工业 发达国家有巨大的经济意义 , 为了赚钱而浪 费一点资源 (硬质合金等) 被认为是可以接受的 。既然不修磨 , 嵌入钢体内的合金柱高 度就是不变的 , 完全可以按照压配合的固齿 要求来设计 。相反 , 大直径钎头由 于 齿 孔 多 、柱齿倾角各异和钢体很厚 , 如用感应加 热钎焊容易发生因加热不均 、操作不便带来55图 1 瑞典的两种合金片定位方法示意图11 钎头体 21 焊剂与焊料 31 合金片41u 形不锈钢丝 51 感应圈为了保证焊剂充分润湿全部钎焊面 , 并 使焊液均匀地渗满焊缝 , 我们采用了 a1 浮放焊片法 , b1 槽底置片法 , c1 三面插片法 , d1 金属丝固片法四种布片和定位方法 。其中 a 、b 两种方法较为简便 , 焊缝较薄时适用 ; c 、d 两种方法焊缝更为均匀 , 并适于 炉中钎焊 。此外 , 还可采用毛刺定位法 , 中小钎头由于焊缝较薄 , 多采用浮放焊片法 。球齿钎头的固齿工艺球齿钎头是从大直径球齿牙轮钻头演变 而来的 。中小直径球齿钎头国内外都是 70 年代才逐步发展 、成熟起来的新产品 , 其固 齿工艺 , 西北欧的瑞典 、爱尔兰等国一些著凿岩机械气动工具 , 2000 (3)4的固齿质量问题 。但是 , 这一切对于中小直径球齿钎头 , 情况正好相反 。瑞典一开始对 小直径球齿钎头 , 也沿用大直径的压配合固齿方法 。近来由于资源和利润问题的刺激 , 他们也开始考虑大直径甚至中小直径球齿钎 头的重磨问题了 。可以预料 , 修磨问题的提 出 , 也许会使他们对压配合固齿技术作出新 的探索 。 ( 3) 压配合固齿 , 齿孔之间的精 度 、粗糙度和过盈量要求极其严格 。按瑞典人的说法 : “各齿孔公差离散度 ( 每 1 万 个孔的直径差) 值 , 要达到 410m”。显 然 , 要达到这样高的精度要求 , 必须有高水 平的机加工力量 、测试手段和企业管理水 平 。这在国内一时是难以作到的 , 因要大幅度增加投资并提高产品成本 , 同时要大批量 生产时产品质量的稳定性和供货速度较难保 证 。 ( 4) 无论是 “热嵌”、“热压”或 “冷 压”固齿 , 齿 与 钢 体 最 终 仍 为 压 配 合 连 接 件 , 不能成为一个整体 , 难以克服钢体磨蚀和蠕变引起的抱紧力松弛 , 尤其冷压固齿 , 孔壁钢体和合金柱内将出现巨大的切向 、径 向 、轴向三向应力 ; 柱齿底面难以消除的空 气垫和柱齿壁巨大的不均匀拉压应力的存 在 , 极易造成齿壁钢体的疲劳和柱齿的动摇 。这种情况下 , 大倾角边齿不但容易最先 脱落或折断 , “球齿钎头害怕径向磨损”也 就成为难以克服的先天性缺陷 。因此 , sec2 oroc 、sandvik 、boart 等公司均认为 : “球齿 钎头多因径向过度磨损造成边齿脱落或直径过小而报废”; “球齿钎头当柱齿周围的钢体 疲劳时就报废了”; “球齿钎头用于硬脆岩石 效果良好 , 但不适于径向磨蚀性大的岩石 , 用于铁矿石效果不明显”; “热嵌固齿冷却要 十分小心 , 否 则 易 造 成 柱 齿 或 钢 体 炸 裂”,这就是说 , 他们承认 secoroc 公司 “花了 10 年功夫”研究成功的热嵌固齿技术 , 并未圆 满地解决中小直径球齿钎头的固齿质量问 题 , 球齿钎头的这些问题 , 并不是它本身所 固有的 , 我们完全有理由在实践中究其根源56加以克服 。(5) 难以减小边齿倾角和保证中小直径球齿钎头破岩所必须的足够齿数 。由 于要优先保证压配合的固齿质量 , 只能用大倾角边齿来满足边齿周围的钢体厚度要求 , 于是造成边齿受力恶化 , 并因布齿困难而被 迫减少齿数 , 这也是瑞典小直径球齿钎头发 展迟缓的重要原因 。sandvik 48 三中齿球齿 钎头只能布置七齿 , 并被迫取消中心水孔 , 采用较坚固的半球齿冠和较低的露齿高度 ,从而牺牲了钻速和动力消耗指标 , 直径再小 就更困 难 了 。1986 年 前 , 瑞 典 人 表 示 他 们 的小直径球齿钎头 , 直径可以小到 38 mm 。 但提供的样本和实物照片 , 却只能小到 45 mm (六齿) 。1983 年我国大瑶山隧道工程进口的瑞典球齿钎头 , 只有直径 57 、48 ( mm) 两种 , 而直径 43 mm 则 只 能 提 供 十 字 形 钎 头 。直 到 1990 年 , 由 于 采 用 7 、 8 、 9(mm) 小直径热等静压烧结的优质柱齿 , 其 产品样本中才出现了直径 40 mm 左右的锥体连接球齿钎头 , 用于钻凿较软的硬脆岩石 。 为什么在瑞典直径 45 mm 以下的小球齿钎头 发展缓慢 (比我国晚了约 10 年) 呢 ? 基本 原因是受制于过盈配合的固齿工艺 , 而近代 采矿 、采石 、修路 、地下空间建筑等采掘工程中 , 小直径炮眼光面爆破 、控制爆破 、喷 锚支护技术正方兴未艾 , 不开辟新的固齿道 路是不行的 。国内使用过的 “浮放焊片焊接固齿”不 能解决排气 、脱焊和焊缝氧化问题 , 且焊液流淌 , 操作不便 , 所焊钎头固齿和外观质量 均不 合 要 求 , 使 用 寿 命 较 低 。用 “冷 压 固 齿”工艺生产的球齿钎头 , 齿孔之间应力状 态紧张 , 难以消除齿孔壁擦伤和孔底的空气 垫 , 有的在压齿过程中就发生合金或钢体开裂 , 淬火后钢体铰孔以及配齿测试均较困 难 。用 “热嵌 (或热压) 固齿”工艺生产的 球齿钎头 , 固齿牢度和齿孔应力状态比 “冷 压固齿”好 , 可用于中大直径球齿钎头的固 齿 。在小直径球钎头方面 , 同样具有所有过凿岩机械气动工具 , 2000 (3)盈固齿工艺的共同局限性 。412“沉底式感应钎焊固齿法”综述片状合金钎头已有半个世纪的历史 ,合金钎头的 “槽底置片钎焊法”演进为球齿钎头的 “沉底式毛细钎焊固齿法”, 也就是 现在通称的 “沉底式感应钎焊固齿法”。用这种方法钎焊球齿钎头 , 甚至比钎焊片状合 金钎头更为成功 。其特点是 :(1) 固齿牢固 , 焊液在绝氧条件下充分 扩散 , 能形成致密 、均匀 、饱满的焊缝 。据 固齿孔板试验 , 侧缝 、底缝的抗剪强度可达300350 mpa , 合金柱面 、底面均起固齿作用 。“冷压固齿”的柱面抱紧力一般不超过150 mpa , 齿底的空气垫不但没有固齿作用 , 还构成应力波反射的薄弱环节 。不同固齿方 法的牢度比较见表 3 ;国内外都有一套成熟的固片经验 。我们从讲求底部焊缝质量的小直径片状合金钎头的钎焊 经验获知 : 40 十字 型钎头 , 在极坚硬的 石英岩中 , 残留刃高磨至 45 mm , 直径减 小到 3217 mm 仍能正常工作 。此时十字 型 钎头合金片的受力状况 , 和边齿倾角较小的球齿钎头边齿类似 。根据这一现象的启示 ,1981 年我们设计了第一轮直径 40 mm 的三 、 四 、五 、六 齿 球 齿 钎 头 , 采 用 较 小 的 8、15、25边齿倾角 。为了确保焊接质量 , 我 们利用齿孔和毛细钎焊的有利条件 , 把片状表 3不同固齿方法的牢度比较成探、金龙 24 、5 号试件为厚焊缝焊缝连接钢体硬度 hrc4446(2) 合金和钢体的应力状态良好 , 合金柱面只承受焊液冷凝收缩时产生的较小径 向和切向压应力 , 不存在轴向拉压应力 (这一点与热嵌固齿相同) 。而冷压固齿存在巨 大的径向 、切向和轴向三向应力状态 , 且分 布不均 : 光弹试验显示齿底 、齿根有应力集 中 ; 由于轴向摩擦力的存在 , 合金柱处于受 拉状态 , 孔板试验推出合金柱时 , 多次发现柱齿中部已垂直轴线断裂 ; 柱齿拉伸 、弯曲模拟试验 , 均沿齿根危险面断裂 ; 压齿过程 中就有钢体和合金碎裂现象发生 。冷压固齿孔壁和柱齿摩擦力的分布 , 如图 2 所示 ;(3) 合金性能基本不受影响 , 由于焊接 温度不超过 750 ( 低温银基或铜基焊料)950 ( 普通 801 # 、105 # 铜基焊料) , 钎 焊时间很短 (感应钎焊一个 50 九齿波形螺凿岩机械气动工具 , 2000 (3)57钎头名称及 固齿方法试件 编号结合面尺寸(mm)结合面积(mm2)双侧缝厚或( 齿孔径差)(mm)加载速度(n/ s)破坏荷重(t)抗剪强度(mpa)备注直径 d高度 h牌 小 直 径 球 齿 钎头 : 沉底式感 应钎焊固齿1345平均9 . 709 . 709 . 809 . 739 . 709 . 739 . 509 . 509 . 259 . 308 . 759 . 26289 . 35289 . 35284 . 64283 . 26266 . 51282 . 620 . 200 . 200 . 200 . 400 . 500 . 30200 ( 静)200 ( 静)200 ( 静)200 ( 静)快速 ( 冲击)-9 . 709 . 1510 . 008 . 309 . 309 . 29335316351293349328感应加热钎 头 头 部 钢 体 硬 度hrc38425 号试件为冲击载荷孔板试验国 内 冷 压 固 齿 球齿钎头-1010314 . 160. 080 . 15静45( 孔板)14 . 32钎 头 头 部 钢 体 硬 度hrc3842过盈达 0 . 25 mm 常发生齿压碎或钢体压裂压配合连接孔板试验瑞典 sandvik 48 半 球 七 齿 钎 头 (中齿) , 热嵌固 齿8 . 9510281 . 170 . 04静3 . 5( 实物解 剖应力 缓解后)12 . 45齿 孔 壁 有 蓝 黑 色 氧 化 膜 ,为 550 固齿时形成破坏时发出响声压配合连接孔板试验人约 10 年 。其 中 , 经 过 焊 接 工 艺 的 改 进 ,飞龙、川雁牌产品在 892t38 大直径 球齿钎头 和 80 、 90 、 100 mm 潜 孔 钻 头领域 , 也获得了很大的成功 。 “沉底式感应钎焊固齿法”焊料 、焊剂的布放见图 3 。为了确保 “沉底钎焊”的固图 2 冷压固齿残余摩擦力的分布情况a. 加润滑油 b. 不加润滑油 纹钎头只需要 1 2 min ; 焊一个 40 、 42 球齿钎头时间更短) , 合金表面因均匀撒布 有焊剂粉 , 绝氧条件较好 , 齿面暴露和应力 分布情况比片状合金钎头更加有利 , 焊后金 相组织和机械性能均无明显变化 ;(4) 操作方便 , 质量稳定性好 , 生产效 率高 。工人认为 , 只要机加工和配片质量有了保证 , 钎焊过程的一级品或优质品率比片状合金钎头还高 。而 “冷压固齿”工艺齿孔 过盈量误差很难精确控制 , 钢体硬度 、齿孔 壁精度和粗糙度 、孔壁涂油与否 、压装工具和操作 (偏心加压或其他异常事故) 等 , 都十分敏感地影响每个齿的质量 ;(5) 易于推广 、见效快 。不需要新添高 精度的专用机床 、压装设备 、热处理设备和复杂的齿孔过盈量检测手段 , 只要改进工装 确保铣孔质量 , 一般技工精心操作便可保证产品质量 。这一点 , 几乎所有钎头专业厂都立即可以办到 。因此 , 可以认为 “沉底式感应钎焊固齿 法”, 对于中小直径球齿钎头的固齿 , 是一种比较科学的方法 , 适合我国国情 , 已经受了凿岩实践的检验 。该法诞生 15 年来 , 已 生产了上千万支球齿钎头 , 约占全国小直径球齿钎头年产量的 80 %左右 , 其推广速度远远超过了其他固齿方法 。成探、飞 龙、金龙、青龙、雪龙、钻石、五岭、j t、清河、川雁牌中小直 径球齿钎头 , 已为国内广大采掘部门认可 ,部分已远销国外 , 这使我国 45mm 以下小 直径球齿钎头在质量 、品种方面超越了瑞典58图 3 沉底式感应钎焊固齿焊料 、焊剂的布放方法1. 合金齿 2. 焊剂 3. 钢体 4. 焊料齿质量 , 最常用的 40 mm 四 、五齿钎头的布 齿和排粉系统 ,选择了如图 4 所示的典型方 案 ,其他锥体连接小直径球齿钎头和球齿形 整体钎子的布齿方式 ,也基本相似 。用此法 生 产 的 中 直 径 螺 纹 连 接 球 齿 钎 头 与 cop1038 hd 重型液压凿岩机配 合 使 用 的 工 作情况为 :在 d = 134 mpa 石英细砂岩中 ,用 cop1038 hd 凿岩机凿孔 : 金龙50 弹头九 齿 ( yj 1 ) 钎 头 , 寿 命 415 m/ 支 , 钻 速 154 cm/ min ,碎边齿报废 ; 瑞典 sandvik 48 半球七齿 钎头 ,寿命 432 m/ 支 ,钻速 143 cm/ min ,掉边齿 报废。图 4 飞龙 40 四 、五齿 (焊) 钎头的典型布齿方案对比国产和瑞典两类固齿工艺中直径钎凿岩机械气动工具 , 2000 (3)头的工作情况 , 可以发现由于钎焊和过盈固齿工艺特点引起的钎头边 、中齿和水沟 、水 孔的不同布置方式 , 直接影响到钎头破岩效果 、排粉能力和边齿齿根的磨损状况 , 也就 间接影响到边齿的固齿牢度 。热嵌固齿用35边齿倾角 , 为保持齿孔周围足够的钢体 厚度 , 布置了中齿后再无中心水孔位置 , 只 能在平面水沟中设计两个侧水孔 。钻孔时岩 粉被水流封在孔底重复破碎后 , 从无水流的齿根之间强力挤出 , 造成钎头钻速慢 , 头部 钢体急剧磨损 , 迅速出现圆柱化变形 , 并使 逆时针方向远离侧水孔第二齿齿根 , 严重裸 露呈悬臂状态 , 导致外翻掉齿或碎齿报废 。 钎焊固齿可以采 用 较 小 的 ( 20 25)边齿倾角 , 布 6 个边齿和 3 个中齿后 , 还可 设置 1 个中心水孔和 3 个内陷式排粉沟 , 排 粉通道畅通 ,孔底干净 ,边齿出现“牙床形磨 损”也不掉齿 ,故钻速快 ,保径能力强 。因为 逆时针方向远离侧水孔第 2 齿齿根磨损较快 ,故 3 侧孔会造成 3 个危险边齿 ; 1 个侧孔 只有 1 个危险边齿 ; 无侧水孔则所有边齿均 匀磨损 ,此时 ,以尽可能减少侧水孔为宜 。1982 年瑞典 atlas copco 公 司 阿 列 克 森 先生在大瑶山隧道 , 观察了该公司配套的瑞典 sandvik 公司无中心水孔 48 半球七齿钎 头 , 和我国带中心水孔 50 弹头九齿钎头的 作业情况后 , 认为我国钎头几何结构参数和 水孔布置比瑞典钎头合理 , 具有破岩有效 、 排粉及时 、保径能力强 、边齿有自锐能力等特点 , 故钻速快而稳定 , 寿命较长 。从这以 后 “, 4 边齿 、2 中齿 、2 平面水沟侧水孔 ,无中 心水孔”的 48 七齿钎头 , 就从瑞典 sandvik 公司的产品样本中逐渐消失了 ,而代之以现 在流行的“5 边 齿 、2 中 齿 、2 内 陷 水 沟 侧 水孔 、一中心水孔”的新型 48 七齿钎头 。 从试验样品中 , 可以看到 , 边齿全部裸露时 , 钎头还能正常工作 , 这一点是所有过 盈固齿工艺无法作到的 。1982 年美国人 g. w. laswell 在成都见到钎焊固齿球齿钎头的凿岩机械气动工具 , 2000 (3)“牙床形磨损”残体时 , 伸出大拇指称赞说 :“西方不敢这样作”。中国地质大学 、都江堰市凿岩钎具厂和 四川绵阳钻 具 厂 , 用 此 法 生 产 的 飞 龙、川 雁 牌 89 t38 球 齿 钎 头 , 和 80 、90 、100 、110 潜孔球齿钻头 , 配合重型 导轨式凿岩机在四川广元水电部第五工程 局 、成渝高速公路隧道 、攀枝花二滩电站等 地使用 , 也都取得了良好的凿岩效果 。413 中大直径球齿钎头的热嵌固齿对于中大直径球齿钎头 , 除采用 “沉底 式感应钎焊固齿” ( 通过调整感应圈形状和 参数 , 采用 21540 khz 中频或超音频电炉 , 并选用较低熔点的焊料) 外 , “热嵌固齿”具有更多的优势 。 螺纹连接的中大直径球齿钎头 , 主要用于重型凿岩钻车 ,