CN103286246B - 一种风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种风机基础用的高强度螺杆的制造方法，包括以下步骤：选取钢材并按需截成适当长度的坯料；矫直处理；中频感应热处理；进行超声波探伤与涡流探伤；采用设置两个平行的环型滚丝轮的冷挤压滚丝机将工件滚压出连续细螺纹。该风机基础用的高强度螺杆的制造方法，螺纹滚制效率高、稳定性好，滚制出的细螺纹承载能力高、自锁性好，满足风机工作的强度要求。

Description

一种风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法

技术领域

本发明涉及一种多构件连接用的螺杆的加工方法，特别是涉及一种应用于风力发电机基础的细螺纹高强度螺杆的制造方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生资源，越来越受到世界各国的重视，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。风力发电机组工作时，其风轮的转动会产生很大的轴向力、弯矩与水平荷载，因此风机基础在安装时，对于连接风机架与各部件的螺栓的技术要求较高。

螺杆穿过构件上的通孔后与螺母配合进行紧固，是常见的构件连接方式。目前常见的风机基础用高强度螺杆多为按照GB/T 20065-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》生产的热轧成形螺纹钢筋，钢筋为通体间歇螺纹，牙面凹凸不平，尺寸不均匀，椭圆度大，公差范围大，制造精度低；牙型断续，轮廓模糊，受力仅集中在断续螺纹局部，螺纹承载面积小，承载能力差。

风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆，其长度长、螺距大、螺纹底宽大，要求在螺纹冷挤压过程中的金属变形量大，而且连续挤压会产生大量热量。传统的分段接挤冷挤压成形工艺效率低、稳定性差，难以满足风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹成形。

发明内容

为了克服现有高强度螺杆螺纹冷挤压成形中：连续挤压发热量大且不易消散，大长度工件易自转，挤压效率低且成形不稳定的问题，本发明旨在提供一种散热快、挤压成形效率高、稳定性好的高强度螺杆的制造方法。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

①选择钢材并按照需求截取相应长度作为坯料；

②矫直处理；

③利用中频感应炉加热进行热处理；

④探伤；

⑤精整处理，并在工件的螺纹待成形部位涂覆二硫化钼；

⑥工件通过滚丝机冷挤压使连续细螺纹加工成形：

将工件置于滚丝机的托架上，在滚丝机槽轮的带动下，工件匀速直线通过滚丝机的滚丝轮进行螺纹挤压成形，所述工件在传送的同时还作定位自转。

根据以上所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的的制造方法，步骤⑥中所述滚丝机的滚丝轮采用两个平行的环型滚丝轮，两个环型滚丝轮的相对夹角α在螺纹滚制前根据工件螺旋角β与滚丝轮螺旋角γ按照下述公式进行调整：

α=β-γ， tgβ=                                                ，式中：β—工件螺旋角， P —工件螺距，d₂—工件螺纹中径，

γ—滚丝轮螺旋角（本发明的环型滚丝轮γ=0，α=β）；

在连续冷挤压过程中，将滚丝轮挤压力控制在12帕，滚压螺纹所需的滚压力按照下述公式进行计算：E₀=250P，式中：E₀ —滚压力（N），P  —工件螺距（mm），HB—工件材料硬度值，δ —工件材料延伸率，L  —工件螺纹长度（mm），F  —滚压力修正系数F=2，Z  —工件材料硬化系数Z=1~2，K  —滚丝轮头数K=1；

工件在螺纹滚制时还进行风冷散热。

本发明螺纹螺距P=8.45mm，属于大螺距螺纹，其螺纹底宽大，挤压时金属变形量大，单次滚压无法成形，按步骤⑥将螺纹分二次进行冷挤压成形。

步骤①中所述坯料由热轧调质圆钢42CrMo4截取长度为8m—12m。

经过步骤②所述矫直处理后的坯料直线度小于1.5mm/m。

步骤③中频感应炉进行热处理使坯料的机械性能满足：屈服强度R_eL≥930 MPa，抗拉强度R_m≥1080Mpa，断后伸长率A≥9%；-40℃时三个试样的冲击功平均值Akv≥27J；疲劳试验满足在频率15Hz，应力范围40-100MPa情况下，1000万次不发生断裂。

步骤④所述探伤采用超声波探伤与涡流探伤。

本发明螺纹属于大螺距螺纹，其螺纹底宽大、挤压时金属变形量大，单次滚压无法成形，则按步骤⑥将螺纹分二次进行冷挤压成形。    

以上所述的本发明的技术方案与现有技术相比有这样的有益效果：

滚丝机采用相对夹角可调整的平行的两个滚丝轮，且设置滚丝托架与槽轮，保证工件在挤压过程中匀速直线运动，减小工件自转的阻力，提高挤压效率和挤压稳定性。

待挤压螺纹部位涂有二硫化钼并在挤压过程中进行风冷，加快连续挤压产生的热量的消散，减小对挤压设备尤其是滚丝轮和轴的不良影响。

中频感应炉热处理以及采用超声波探伤与涡流探伤，有利于提高工件的机械性能。

采用本方法挤压的高强度螺杆的螺纹承载能力高，自锁性能好。

附图说明

图1是GB/T 20065-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》中规定的钢筋表面及截面形状。

图2是米制梯形螺纹设计牙型及截面形状。

图3是本发明实施例的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆螺纹牙型及截面形状。

图4是风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的高强度螺杆的制造方法的一个实施方式进行详细说明。

附图1中：d_h—基圆直径，d_v—基圆直径，h—螺纹高，b—螺纹底宽，l—螺距，R—螺纹根弧，α—导角；

附图2中：d—外圆直径，d₂—中径， d₃—小径， R1—外径圆角半径， R2—螺纹根角半径，P—螺距， h3—螺纹高；

附图3中：外径d，中径d₂，基圆直径d₁，导角α，螺纹高h=2mm，螺距P=8.45mm，外径圆角半径R≤0.25mm，螺纹根角半径R≤0.5mm，螺纹底宽b=5.5mm。

参见图3，本发明实施例上的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹为细牙梯形螺纹，其螺纹线是连续的，比GB/T 20065-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》中螺纹线为间歇式的螺纹自锁性好、受力面积大、螺纹承载能力高。

参见图4，实施例为参照本发明制作的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆示意图，此风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆全长11000mm，其材质采用热轧调质圆钢42CrMo4，两端螺纹长度≥600mm，右旋连续螺纹，冷挤压工艺成形，其主要参数为：外径d=φ44mm，中径d₂=φ41.275mm，基圆直径d₁=φ40mm，螺纹高h=2mm，螺纹底宽b=5.5mm，螺距P=8.45mm，导角α=86°16＇18＂。

从成形工艺来看，预应力混凝土用螺纹钢筋采用热轧成形后再进行热处理，它是一种螺纹状无纵肋且两侧螺纹在同一螺旋线上的螺纹钢筋，螺纹线是间断的，如图1，其轮廓模糊，表面粗糙，牙面凹凸不平，螺纹间歇残缺，椭圆度大，制造精度低，受力仅集中断续螺纹局部，承受应力部分仅为左右，螺纹承载面积小，承载能力差；而风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹先采用中频炉调质处理后再进行冷挤压成形，它是一种严格意义上的细牙梯形螺纹，螺纹线是连续的，其轮廓分明，表面光滑，牙面平整一致，螺纹连续饱满，椭圆度小，制造精度高，整过螺纹部分均匀受力，螺纹承载面积大，承载能力强。

GB/T 20065-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》中钢筋的直径范围为18mm~50mm，常用规格钢筋的各项参数如下表：

 风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆两端为长度大于600 mm的连续螺纹，采用冷挤压成形，直径范围为M36-M64（右旋），螺距P=8.45mm，牙顶角90°，螺纹高h=2mm，螺纹底宽b=5.5mm，外螺纹外径上的圆角R1≤0.25mm，螺纹根角R2≤0.5mm，常用规格螺纹的各项参数如下表：

注：可根据用户要求提供其它规格的高强螺杆。

实验结果表明，此风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的承载能力高于相同基圆直径、同等机械性能要求的预应力混凝土用螺纹钢筋，也高于相同外径、螺距相仿、同等机械性能要求的梯形螺纹。这是因为基圆直径φ40mm（外径φ44）的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹公称截面面积为1297mm²，而基圆直径φ40mm的预应力混凝土用螺纹钢筋的公称截面面积为1256.6mm²，且承受应力部分仅为左右；公称直径φ44mm、螺距7mm的米制梯形螺纹的应力截面积则为1149mm²。根据螺杆最小拉力载荷计算公式：F= A_S×Rm min可知，当抗拉强度Rm相同时，螺纹承载面积越大，其承载能力就越强。

附：1、 螺杆最小拉力载荷计算公式：F= A_S×Rm min，式中：A_S  —应力截面面积，Rm min—最小抗拉强度。

2、 梯形螺纹应力截面积计算公式：A_S=()²，式中：d₁—基圆直径（米制梯形螺纹为小径d₃），d₂—中径，π—圆周率。

3、螺纹的自锁性比较：

①螺旋升角的计算公式：tanφ = ，式中：φ为螺旋升角，P—螺距，d₂—螺纹中径；

②风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹导角α=90°- φ；

③螺旋升角愈小，螺纹自锁性能愈好。这是因为升角越小，沿螺纹面方向的分力越小，垂直于螺纹面的分力越大，则摩擦力越大，自锁能力越强，反之，沿垂直于螺纹面的分力越小，自锁能力越弱，甚至不能自锁；

④在基圆直径相同的情况下，由于风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹螺距比预应力混凝土用螺纹钢筋的螺距小，因此，螺纹升角要小些，故具有较好的自锁性能；

⑤在外径相同、螺距相仿的情况下，由于风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的螺纹中径比米制梯形螺纹的中径大，因此，螺纹升角相对要小，故具有较好的自锁性能。

以上所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法是：

①选择8000-12000mm长的热轧调质圆钢42CrMo4作为坯料；

②对坯料表面形状进行矫直处理，使坯料直线度小于1.5mm/m；

③利用中频感应炉加热进行热处理并对坯料的机械性进行检测以满足风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的机械性能：屈服强度R_eL≥930 MPa，抗拉强度Rm≥1080MPa，断后伸长率A≥9%；-40℃时三个试样的冲击功平均值Akv≥27J；疲劳试验满足在频率15Hz，应力范围40-100Mpa情况下，1000万次不发生断裂。

本发明在中频感应加热热处理过程中，加热时间很短，升温很快，而且，在任何既定时间内只有一小段钢材（约500-1000mm）处于淬火或回火温度下，因此钢材表面仅出现很少的氧化铁皮，基本上不脱碳，钢材表面质量好；而传统台车式电阻炉热处理或步进式淬火炉和回火炉加热时间长，升温慢，并且，整根钢材全部至于炉内长时间受热，因此钢材表面形成较厚的氧化铁皮，表面脱碳严重，钢材表面质量差。由于本发明采用先热处理后再进行螺纹冷挤压加工，而表面脱碳对螺纹承载能力的影响较大，所以采用中频处理较传统处理方法大大地提高了螺纹的承载能力。

风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的材料为42CrMo4，进行感应加热淬火时存在余热自回火现象，有利于消除淬火应力，不易产生淬火裂纹，因此，可用水作冷却介质而螺杆从未发生过裂纹。普通加热淬火时，对这种材料不能用水作冷却介质，否则容易产生裂纹。

本发明的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆在进行中频感应加热热处理前预先进行了矫直处理，热处理后弯曲变形很小，不需再经过矫直处理，便能满足使用要求，而普通加热热处理后，母材变形较为严重，后续矫直困难，工作量大。

中频感应加热热处理后的金属显微组织晶粒极细，综合机械性能好，强度高，具有很高的韧性和延伸性，冲击试验证明，上述风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆经中频感应加热热处理后螺杆的脆性裂纹的转变温度较低，在环境温度范围-40℃-50℃，相对湿度≤95%，盐份及风沙大的寒冷地区使用时也能具有足够的抗冲击性能；而普通加热热处理由于采用油冷，处理后钢材抗低温冲击能力差，不能适应风电设备在-40℃-50℃，相对湿度≤95%，盐份及风沙大的寒冷地区中使用的特殊要求。。

④对经步骤③热处理后满足所述机械性能的工件进行探伤，采用涡流探伤对工件表面进行缺陷探伤，采用超声波探伤检测工件内部缺陷；

⑤对有表面缺陷的工件进行补矫、修磨、切除等精整处理，并在工件的螺纹待成形部位涂覆二硫化钼以加快工件被冷挤压时产生的热量散发；冷挤压加工时会产生大量热量，滚丝轮温度急剧升高，采用润滑油进行冷却时，滚丝轮温度急剧冷却，实际证明，滚丝轮使用寿命大大降低，由于二硫化钼属于脂类润滑剂，在加快滚丝轮冷却的同时，不至于使滚丝轮冷却过快，因此使得滚丝轮的使用寿命得到了提高。

⑥工件通过滚丝机冷挤压使连续细螺纹加工成形：

将待挤压成形的工件置于滚丝机的托架上，根据以上所述的螺纹规格（包括螺纹中径、螺纹螺旋角、螺纹螺距），按照公式：

α=β-γ， tgβ= ，式中：β—工件螺旋角， P —工件螺距，d₂—工件螺纹中径，

γ—滚丝轮螺旋角（本发明的环型滚丝轮γ=0，α=β）；

调整两个平行滚丝轮的相对夹角，调整滚丝机的挤压力为12帕，开启滚丝机，槽轮转动将工件传送到滚丝轮并且带动工件进行自转进行螺纹挤压，挤压过程中使用风冷加快热量消散。

本风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆，其螺纹螺距P=8.45mm，属大螺距螺纹，进行冷挤压（滚丝）加工时，金属变形量大，为了更好地保证产品质量同时兼顾挤压设备的使用寿命，也可将滚丝轮的挤压力按比例分配依步骤⑥对螺纹分二次冷挤压成形。

在螺纹滚制过程中，通过检测螺纹外径、中径以及使用配套螺母来控制螺纹尺寸。

将完成挤压成形的工件静置，待工件恢复常温后对表面涂覆防锈油并入库。

Claims (6)

1.一种风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

①选择钢材并按照需求截取相应长度作为坯料；

②对坯料进行矫直处理；

③对坯料利用中频感应炉加热进行热处理；

④对坯料进行探伤处理；

⑤对坯料进行精整处理，并且螺纹待成形部位涂覆二硫化钼作为待成形工件；

⑥工件通过滚丝机冷挤压使连续细螺纹加工成形：

将工件置于滚丝机的托架上，在滚丝机槽轮的带动下，工件匀速直线通过滚丝机的滚丝轮进行螺纹挤压成形，所述工件在传送的同时还作定位自转，

步骤⑥中所述滚丝机的滚丝轮采用两个平行的环型滚丝轮，两个环型滚丝轮的相对夹角α在螺纹滚制前根据工件螺旋角β与滚丝轮螺旋角γ按照下述公式进行调整：

α=β-γ，tgβ= ，式中：

β—工件螺旋角

 P —工件螺距

d₂—工件螺纹中径

γ—滚丝轮螺旋角，所述环型滚丝轮γ=0，α=β；

在连续冷挤压过程中，将滚丝轮挤压力控制在12帕，滚压螺纹所需的滚压力按照下述公式进行计算：E₀=250P

式中：E₀ —滚压力（N）

        P  —工件螺距（mm）

       HB—工件材料硬度值

       δ —工件材料延伸率

       L  —工件螺纹长度（mm）

F  —滚压力修正系数F=2

Z  —工件材料硬化系数Z=1~2

K  —滚丝轮头数K=1；

工件在螺纹滚制时还进行风冷散热。

2.根据权利要求1所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：步骤①中所述坯料由热轧调质圆钢42CrMo4截取长度为8m—12m。

3.根据权利要求1所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：经过步骤②所述矫直处理后的坯料直线度小于1.5mm/m。

4.根据权利要求1所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：步骤③利用中频感应炉进行热处理使坯料的机械性能满足：屈服强度R_eL≥930MPa，抗拉强度Rm≥1080MPa，断后伸长率A≥9%；-40℃时三个试样的冲击功平均值Akv≥27J；疲劳试验满足在频率15Hz，应力范围40-100MPa情况下，1000万次不发生断裂。

5.根据权利要求1所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：步骤④所述探伤采用超声波探伤与涡流探伤。

6.根据权利要求1所述的风力发电机基础用细螺纹高强度螺杆的制造方法，其特征在于：高强度螺杆的螺纹螺距P=8.45mm，属于大螺距螺纹，其螺纹底宽大、挤压时金属变形量大，按步骤⑥将螺纹分二次进行冷挤压成形。