懸浮活柱外圓滾壓加工及其影響因素的分析

姚君立，姚亞偉

（1.兗礦集團(tuán)唐村實業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 273522；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號煤礦，山東 濟(jì)寧 273522）

1 現(xiàn)狀分析

DWX懸浮式單體液壓支柱系列產(chǎn)品，是高檔機(jī)械化普采工作面的配套設(shè)備，也是綜采工作面的端頭支護(hù)設(shè)備。其適用于煤礦回采工作面的頂板支護(hù)和端頭頂板支護(hù)，憑借其承載能力大、抗偏載能力強(qiáng)、工作行程大、無環(huán)形焊縫、質(zhì)量輕等優(yōu)點，可應(yīng)用于薄煤層、中厚煤層及厚煤層工作面，逐步得到了市場的認(rèn)可。但在使用過程中，產(chǎn)品會出現(xiàn)活柱外露表面出現(xiàn)針孔樣銹蝕點，在炮采工作面使用時活柱表面易損傷，增加了使用單位的維修成本，給懸浮單體液壓支柱的推廣造成很大的阻力。因為懸浮支柱的核心技術(shù)就在活柱的表面質(zhì)量上，它主要是靠活柱表面和手把閥體的D形圈形成密封面支撐頂板，活柱表面一旦出現(xiàn)銹蝕點就會造成漏液現(xiàn)象，給煤礦井下生產(chǎn)帶來安全隱患。

2 研究與實踐過程

要想降低懸浮活柱的表面粗糙度值，可采用無心磨加沙袋磨的方法，雖然活柱表面粗糙度值有所降低，但是還不能從根本上解決活柱外圓的表面質(zhì)量問題。因此，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用外圓滾壓加工技術(shù)。

圖1 滾壓加工原理圖

2.1 外圓滾壓加工概述

外圓滾壓加工是冷加工方法之一，是一種無切屑加工，利用經(jīng)過淬火的滾輪或滾珠，在常溫狀態(tài)下對懸浮活柱表面強(qiáng)行滾壓，使活柱表面產(chǎn)生彈性和塑性變形，表層的凸起部分向下壓，凹下部分向上擠，逐漸將前工序留下的波峰壓平，改變凹凸不平的分布狀況，降低了活柱表面粗糙度值；同時，它還能使活柱表面產(chǎn)生硬化層和殘余壓應(yīng)力，因此，提高了活柱的承載能力、疲勞強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性能。滾壓加工原理圖如圖1所示。

2.2 活柱表面滾壓加工影響因素分析

在滾壓加工過程中影響加工質(zhì)量的因素很多，對主要影響因素的分析如下。

2.2.1 活柱表面預(yù)留滾壓余量的影響

活柱預(yù)留滾壓余量對滾壓加工后的表面粗糙度影響非常大，懸浮活柱的材質(zhì)為27SiMn，大量實驗表明，當(dāng)滾壓加工余量在0.01～0.02 mm時，滾壓加工后活柱表面仍殘留少量較淺車削后的刀痕，當(dāng)滾壓加工余量在0.021～0.035 mm時，滾壓加工后活柱表面的粗糙度值明顯降低，活柱表面無刀痕，光潔度非常好。當(dāng)滾壓加工余量在0.04～0.06 mm時，滾壓加工后活柱表面的粗糙度值明顯升高，活柱表面出現(xiàn)波紋，甚至魚鱗狀凸起。通過實驗比較，我們確定最優(yōu)滾壓余量為0.021～0.035 mm。

2.2.2 進(jìn)給量的影響

進(jìn)給量也是關(guān)系滾壓質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，進(jìn)給量大小直接影響活柱的表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。進(jìn)給量＞0.7 mm/r時，活柱表面粗糙度數(shù)值增高；進(jìn)給量＜0.4 mm/r時，活柱表面需要多次滾壓，容易產(chǎn)生疲勞裂紋甚至粘刀現(xiàn)象，這也會降低滾壓質(zhì)量。所以，進(jìn)給量過大或是過小都達(dá)不到預(yù)期效果，活柱的進(jìn)給量選擇0.5～0.6 mm/r比較合適。

2.2.3 滾壓速度的影響

滾壓速度對活柱表面質(zhì)量影響不大，主要影響生產(chǎn)效率。因此，在條件允許的情況下，可采用提高滾壓速度來提高滾壓的效率，經(jīng)過實驗，我們選擇滾壓速度為80～150 mm/min。

2.2.4 滾壓次數(shù)的影響

滾壓次數(shù)與活柱表面質(zhì)量關(guān)系密切，同時也關(guān)系到生產(chǎn)效率。一般應(yīng)在保證質(zhì)量的前提下，盡量減少滾壓次數(shù)。實踐證明，活柱在第一次滾壓后，表面粗糙度值顯著降低，第二次滾時，活柱的表面粗糙度值變化不大，滾壓次數(shù)過多時，活柱表面會引起微小裂紋或發(fā)生起皮現(xiàn)象，表面粗糙度反而變壞。使密封圈更容易磨損，所以，滾壓次數(shù)1次最好。

2.2.5 活柱原始條件的影響

活柱的原始表面質(zhì)量（半精車后）的情況對滾壓質(zhì)量有很大影響。滾壓表面精度主要取決于活柱原始表面情況。一般剛性滾壓工具只能提高原始精度5%～10%，因此，活柱滾壓前應(yīng)達(dá)到圖紙要求的幾何精度，表面粗糙度為Ra 3.2，為了達(dá)到這個數(shù)值，我們在車床加工活柱時主要采用了以下加工工藝：①調(diào)質(zhì)處理。Ф99×9無縫鋼管按要求長度下料后要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，檢查其活柱硬度要達(dá)到HB270～310。②校直。由于懸浮活柱長度一般在1 560～2 443 mm，中頻調(diào)制后容易彎曲。它直接影響到粗車和半精車的順利進(jìn)行及加工后的活柱直線度。所以，調(diào)質(zhì)后活柱要進(jìn)行校直處理，校直后毛坯全長圓跳動在1.0 mm以下才能達(dá)到要求。③粗車。三爪卡盤采用雙頂尖裝夾，尾座是死頂尖，三爪卡盤端是內(nèi)裝彈簧的活頂尖。這樣活柱受熱后可以自由伸長，減少受熱彎曲變形。車削時采用反向進(jìn)給車削，也就是從床頭往床尾方向車削。在此情況下，軸向切削分力與正走刀相反，使活柱切削時承受了軸向拉力，可以減小活柱車削時產(chǎn)生的振動和彎曲變形。跟刀架我們采用三爪跟刀架，三爪跟刀架底部的支撐爪可以控制活柱因重力產(chǎn)生的變形，這種變形是引起活柱加工時振動的主要原因。支承爪的材料我們選用銅爪，因為銅爪材質(zhì)軟不會損傷活柱表面。安裝后要檢查支承爪與活柱的接觸位置及接觸面積，接觸位置應(yīng)為銅質(zhì)支撐爪的軸線上，支承爪伸出長度應(yīng)小于跟刀架內(nèi)孔配合長度的1/2，支承爪與活柱全接觸，而且支撐爪的圓弧半徑應(yīng)與活柱圓弧一致。車削時活柱受熱伸長比較嚴(yán)重，容易引起彎曲變形和振動。即使采用彈簧頂尖也要隨時注意尾座頂尖的松緊程度，大約走刀長度1 000 mm時就需要檢查1次，以防止活柱由于產(chǎn)生軸向熱伸長引起的彎曲變形。粗車活柱Φ96外圓時，為了提高生產(chǎn)效率我們選用YT15車刀，前角為10°～15°的車刀，這種車刀比較鋒利。在車削時我們總希望盡量減少徑向力，減小彎曲變形，所以選擇主偏角為75°左偏刀較為合適，同時，刀頭強(qiáng)度也較好。刃傾角為3°左右，能夠防止鐵銷嵌入跟刀架和活柱的縫隙里。刀尖的圓弧半徑為0.3～0.5 mm，可以增加刀尖強(qiáng)度。切削用量的選擇為轉(zhuǎn)速n=300～400 r/min比較合適，轉(zhuǎn)速過高會產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)速過低影響生產(chǎn)效率。④半精車。由于活柱滾壓加工對外表面的質(zhì)量要求較高、活柱毛坯加工余量較大，所以，粗車后要對活柱進(jìn)行半精車加工。活柱粗車后選用新刀片進(jìn)行半精車，切削深度為0.5 mm左右，留滾壓余量為0.02～0.03 mm。進(jìn)給量f=0.2～0.3 mm/r，表面粗糙度達(dá)到Ra3.2.

2.2.6 切削液

滾壓時要添加足量的清潔的乳化油作冷卻潤滑液，并把待滾壓活柱表面清潔干凈，以免影響滾壓質(zhì)量。選擇切削液可以降低被滾壓活柱表面粗糙度值，減少滾壓力和機(jī)床功率消耗，提高滾壓工具的壽命，減少活柱的熱變形。經(jīng)過以上幾個工序，活柱的外表面尺寸即可達(dá)標(biāo)。

3 效果驗證

滾壓加工后，活柱外表面尺寸能夠達(dá)到Ф96-0.072-0.126，表面粗糙度達(dá)到Ra0.4～Ra0.2，表面硬度可提高10%～25%，耐磨性可提高10%左右，由于表面粗糙度提高，其耐腐蝕性能也相應(yīng)提高。

3.1 社會效益

一直以來，懸浮活柱表面質(zhì)量的研究在使用壽命上都沒有很大的突破，致使國內(nèi)很多懸浮單體生產(chǎn)廠家放棄了對懸浮支柱的生產(chǎn)。我廠對懸浮活柱表面質(zhì)量的研究取得了階段性成果，其優(yōu)異的質(zhì)量、超長的使用壽命，填補(bǔ)了國內(nèi)同行業(yè)懸浮活柱表面質(zhì)量的空白，社會效益明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

懸浮活柱表面質(zhì)量提高后，在興隆礦和濟(jì)二礦進(jìn)行的工業(yè)性試驗取得了可喜成果，尤其是2009年懸浮單體支柱活柱質(zhì)量的提高和改進(jìn)型懸浮單體支柱的問世為懸浮支柱的推廣增加了砝碼。2009年至今懸浮支柱正逐步取代普通支柱成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，每年回訪客戶，都反映懸浮活柱改進(jìn)工藝后使用情況非常好，井下使用壽命比原來延長1倍。活柱表面質(zhì)量提高后陸續(xù)為我廠創(chuàng)收530萬元左右。