國產高端液壓支架制造工藝方案之探究

陳鐵軍

摘 要：通過對液壓支架加工制造過程中對材料選擇及焊接性能分析和對比，找出適合制造液壓支架的材料、及加工工藝及方案。

關鍵詞：液壓支架；制造工藝；焊接特性。

概述

我國高產高效新型煤礦早期使用的高端液壓支架主要是使用美國JOY公司及德國DBT公司生產的設備，產品性能及質量處于世界先進水平，但其高昂的價格及后期生產使用維護費用也讓人咂舌，國內支架制造業產品價格與國外同行業的價格差異達到2～3倍，為此國內煤機行業開始進行國產化探索、紛紛開始研制。當時Z廠主要根據借鑒德國D公司支架的結構性能進行仿制，開發了國產高端支架并制定了生產制造工藝，同時委托國內特鋼廠研制開發和生產液壓支架的專用鋼材，與S公司簽訂合同進行了批量生產；在隨后的井下工作面現場使用及隨后的不斷改進中逐步占領了國內大部分市場份額。本人作為這類支架是使用維修單位技術人員及駐廠監造工程師，經歷了設備制造廠的產品開發研制、大修及生產制造監理過程，對應用支架加工工藝方案進行總結和探索。本文主要針對高端支架結構部分進行論述，電液控制系統方面沒有進行論述。

1.焊接結構件的工藝

1.1結構件材料的選擇

1）焊接工藝的制定取決于材料的化學成份，力學性能及焊接結構形式。

2）主筋板選用Z向性能鋼。

1.2鋼板采購必須嚴格按制造廠與鋼廠簽定的技術協議執行 ，不得隨意變動。

1.3從材料板型看，德國D公司支架材料板型較平整，優于國產板。國標GB709規定σs≤460MPa時，鋼板平面度≤8/1000；σs>460MPa時，鋼板平面度≤12/1000。為此要求物資采購部門將頂板、底板、側護板等按設計平面度要求定尺采購 ，定尺鋼板平面度不大于4‰ 。

1.4鋼材進廠須經過質量管理部門（下稱質量部）按技術要求驗收合格方可入庫使用，并建立檔案記錄。

2.鉚工工藝過程控制

2.1鋼板表面拋丸處理，必須去除氧化皮、油污及其他雜物，達到Ra2.5以上級別。

1）厚板下料時選用9M或6M數控切割機和光電跟蹤切割機，薄板下料時選用剪板機，平板機或壓力機矯正，彎曲成形件選用合適噸位的油壓機在胎具上進行冷彎或熱煨，制作樣板檢驗，主筋板、耳板的底邊留刀檢量進行機加工，依此作為后續加工的基準。

2）坡口采用加工方法，不得已時采用手工開坡口，清凈熔渣，打磨至表面呈金屬光澤.結構件鉸接部位的橫筋板采用機加工的方法，保證零件尺寸公差要求，為拼焊做好準備。

上述工序均作首件檢驗、過程中檢驗、完工檢驗。

2.2拼裝時劃線公差+1.0mm，手工劃線寬度不大于0.5mm.

2.3 ≤100mm厚鋼板切割面偏斜度1mm。方板下料菱形度不大于1.5mm?！?6mm厚鋼板切割面偏斜度0.4mm。≤20mm厚鋼板切割面偏斜度1mm

2.4剪切板料切斷面上，不應有深度大于1mm的刻痕和高度超過0.5mm的毛刺。

2.5氣割盡量采用機械氣割下料，以保證切割質量，切割表面不得出現塌角、間斷或連續的熔點和熔化的條狀物，看不到熔化狀況。

2.6 隔板機械加工后拼焊，以保證焊縫拼裝間隙小于2mm。拼裝間隙保證控制在0-2mm以內。

2.7鉚工裝配時檢查零件的下料質量，按照生產圖紙、焊接工藝的要求，在裝配平臺上劃線裝配或使用拼裝芯軸和定位胎具，保證裝配間隙，使裝配產生的拘束應力降到最小。易變形處增加輔助支撐，輔助支承不可敲掉，只限磨掉或高出實際工件一定距離切掉，余下的部分磨掉。為防止變形，允許點固拉筋，焊后應清除并修磨平整。

2.8定位焊用焊條選用沖擊韌性好的低氫堿性焊條，應符合GB5118的規定，烘干后方可使用。當定位焊縫出現裂紋時，必須清除，重新焊接定位焊縫。

3.焊接過程的控制

3.1所有焊工須通過職業技能鑒定，達到中級工以上水平，持有的焊工資格證書處于有效期內。上崗前經過安全教育、產品知識、工藝知識及焊接理論培訓。

3.2焊接材料的選擇

1）焊接材料的選擇原則為：

焊縫金屬的抗拉強度不低于母材抗拉強度；綜合機械性能滿足設計要求，充分考慮焊縫的塑性、韌性、抗裂性；從焊接結構、受力情況考慮拘束應力的影響；異種鋼焊接按較低強度鋼選擇焊接材料。

2）焊接材料進廠時質量保證書應完整、清楚，并加蓋有生產 單位公章。焊條、焊絲無銹蝕、油污、破損等現象。保護氣體純度達到國標技術要求，各項理化性能復檢結果符合廠標、國標、產品技術要求的規定，然后按我公司的有關規定入庫、保管、發放。

3.3焊接方法的選擇

支架構件焊接選用CO2混合氣體保護焊，從而提高電弧的穩定性和改善焊縫成形。

3.4焊接設備的選擇

焊接設備選用現有的CO2氣體保護焊。

3.5焊接參數的選定

1）從支架使用的低合金高強鋼材料看，強度高、含碳量較高、淬硬傾向大、為此，要規定熱輸入范圍。低合金高強鋼焊接時熱影響區被加熱到1100℃的粗晶區及加熱到700～800℃的不完全相變區是焊接區的兩個薄弱區，焊接熱輸入過大，粗晶區因晶粒嚴重長大而降低韌性，焊接熱輸入過小，粗晶區組織中馬氏體比例增加而降低韌性。支架焊接中嚴格控制焊接線能量輸入，減少母材碳及合金元素滲入，從而保證焊縫熔敷金屬塑性、韌性、抗裂性。

2）預熱、層間溫度的控制

預熱可以有效減緩焊件焊后冷卻速度，延長在800～500℃的冷卻時間，從而減少熱影響區淬硬馬氏體的產生，降低熱影響區的硬度，同時，預熱可以改善接頭組織，有助于氫從焊接接頭的逸出。因此，預熱是降低低合金高強鋼焊接裂紋的有效措施。預熱溫度的確定，異種材料的焊接，預熱溫度及層間溫度以較高預熱溫度的材料為準。預熱溫度為100～150℃，要求連續施焊，保證層間溫度不低于預熱溫度最低值。可采用石棉板保溫。要求檢驗人員在施焊前及施焊過程中不定期檢驗預熱溫度、層間溫度，達不到要求從新預熱。同時也要防止層間溫度過高，層間溫度500℃以上時不要施焊。

3）焊接操作

A、引弧、收弧時易產生焊接缺陷。引弧時焊絲伸出長度為10mm，防止過長引起的爆斷，在定位焊焊縫上引弧，采用間斷滅弧法或回焊法收弧，填滿弧坑，減少因低熔點共晶體的聚集產生的弧坑裂紋（熱裂紋）。焊接時根據焊接位置、裝配間隙和熔合情況即時調整焊槍傾角及擺動幅度，避免焊接過程中發生液態金屬超前流動造成的假焊現象。焊絲端部始終在熔池前半部燃燒，焊絲不能脫離熔池?？刂坪附铀俣?，嚴禁風扇直吹焊接工作區，以免空氣侵入電弧和熔池，防止產生夾渣、咬邊等焊接缺陷

B、焊接應采用多層（窄焊道）技術，即多層多道焊。促成較好的組織結構和韌性。多層多道焊接是許多單層熱循環相繼作用，前一條焊道對后一條焊道有預熱作用，后一條焊道對前一道焊道有熱處理的作用，因此顯微組織細，熱影響區窄，接頭的塑性、韌性好。多層多道焊還可減少焊接應力，因此提高了焊接質量。

焊接時不允許擺動。橫擺焊接很容易產生很難控制的大的焊接區，發生諸如，熔化不充分、夾渣和氣孔等缺陷，在個別橫擺焊接不能避免的垂直焊接時，每單個焊道應該進行薄而寬的焊接。

對接焊縫必須采用拖拉法，以提高穿透避免未熔合，不允許在焊縫以外起弧，意外的起弧點須磨掉并檢查有無裂紋。

C、焊接順序

為保證焊件低應力和低變形，制定焊接順序圖，焊前均要進行打底焊。

焊接順序：從焊道中部或工件中部開始向外焊，在全封閉（如環縫時）打底焊和第一道填充焊道不能焊成全圓以避免高的收縮應力導致開裂，應至少分成兩半焊接，且方向相反。所有焊縫必須首尾相接形成閉環。主筋板與蓋板之間的焊縫必須壓過蓋板坡口斜邊和主筋的垂直邊。

D、塞焊縫的焊接，焊槍必須對著蓋板與隔板交接縫處沿周邊焊成環縫，并形成角焊縫后，再填平整個焊縫。對于蓋板塞焊孔與隔板間隙過大時必須在隔板旁貼一襯板以保證塞焊縫質量。

E、焊后熱處理

焊后熱處理可以消除或降低結構的焊接殘余應力，降低焊接區的硬度，穩定結構的尺寸，同時能改善接頭的金相組織，提高接頭的綜合機械性能，促使殘余氫逸出。從而提高焊縫綜合機械性能。結構件焊后應及時熱處理，以提高焊后熱處理效果。

4.千斤頂工藝方案

千斤頂主要由缸筒、活塞桿、導向套、活塞等零件組成。這些件是液壓缸的關鍵件，它們加工質量的好壞直接影響到液壓缸的密封性，動作靈活性及外載荷的受力和壽命。其配合表面粗造度、尺寸精度、形位公差是加工質量的關鍵。

4.1缸體加工的保證措施

1）所有缸體加工，采用帶鋸下料→熱處理調質→粗鏜內孔→加工外圓→表面磷化→涂底漆→精鏜滾壓復合加工內孔→加工止口。精度、內表面粗糙度保證設計要求。對于缸筒的止口部分均在數控車床上加工，保證零件精度和同軸度達圖紙要求。

外缸筒橫截面由外向內硬度分布 （缸筒壁厚32mm）

2）為了確保缸筒內孔的粗糙度要求，更換精鏜滾壓設備中液壓系統的切削液，確保切削液的清潔度。

3）由于國產的鋼管毛料誤差大，壁厚不均勻，最后反映在缸筒上的效果就是工藝基準中心架窩與缸筒外圓偏差大，影響外觀。為此需要在這套支架上采取增加一道工序，即缸筒粗鏜內孔后以孔為基準將缸筒外圓通體車一刀，以保證缸筒壁厚的均勻性。

5）缸體外圓加工后油漆的附著力受影響。為了解決這個問題，我們增加一道表面中溫鋅鹽磷化處理工序，并采用附著力、防腐性能和漆面強度都很高的環氧底漆和中途漆，面漆選用光澤度較好的醇酸磁漆，來提高油漆的外觀質量。

4.2導向套及見盤套類的加工保證措施

毛坯選用帶鋸下料件或模鍛件，采用粗加工→熱處理調質→精加工→表面鍍Ni—P合金工藝工藝方案。精加工全都在數控機床上加工，精車時所有內外圓配合面和密封槽要求一刀下，機床性能可靠，保證零件的形位公差和尺寸精度要求。加工零件精度保證IT8級以上。

4.3活柱、活塞桿的加工保證措施

采用帶鋸下料→粗加工→熱處理調質→精加工→表面鍍銅錫合金+硬鉻工藝方案?；钪?、活塞桿的密封槽或連接活塞的尺寸精加工全都在數控機床上進行，密封面的磨削在精密外園磨床上分粗磨—精磨工序，粗糙度保證Ra0.4，直線度、園度在0.05mm以下。

5.結構件的加工工藝方案

5.1護幫板、側護板等結構件的鉸接孔采用耳板孔單件干成→芯軸拼焊成結構件；主要結構件的千斤頂鉸接孔也采用耳板孔單件干成→芯軸拼焊成。

5.2為減小焊接變形，頂梁、掩護梁、底座結構件各鉸接孔周圍的隔筋板采用增加刀檢寬度尺寸工序，保證零件尺寸公差要求，為拼焊做好準備，控制結構件鉸接部位的變形量。

5.3頂梁、底座、掩護梁、前后連桿結構件的孔系采用整體加工

主要結構件的所有鉸接孔在主筋板上采取預割→預鏜留余量→用拼裝芯軸和定位胎具拼焊成型→焊后低溫回火時效處理→整體鏜孔系尺寸達圖紙要求。

5.4頂梁、底座、掩護梁等主要結構件主筋板高度控制在正差。

5.5鉸接銷軸、撐桿、導桿、小銷軸類的工藝方案

1） 銷軸外圓有孔的軸類加工路線為：

帶鋸下料→機加工→熱處理淬火→表面拋丸（或表面酸銑）→表面鍍鋅鈍化。

2）銷軸外圓無孔的軸類加工路線為

帶鋸下料→粗加工→熱處理淬火→精加工→表面鍍鋅鈍化。

6.支架的外觀油漆方案

為保證外觀質量和油漆附著力，采用了環氧底漆和面漆。

6.1底漆：選用鐵紅環氧底漆，涂一遍。中途漆：為白色環氧厚漿型，噴涂一遍。 面漆：選用白色聚氨脂防腐面漆噴涂兩遍。

6.2制定《支架油漆作業指導書》

7.支架裝配工藝保證措施

液壓系統工作介質-乳化體的清潔度關系到支架液壓系統的安全性和可靠性，因此，液壓污染控制是十分重要的問題。需要將采取液壓污染控制技術和管理措施，使千斤頂的清潔度不低于規定的標準。為此我們首先要進一步改善千斤頂安裝工區的生產作業環境。

7.1千斤頂裝配工區防止油漆以及空氣污染。②配置油缸循環沖洗的過濾清洗裝置。

7.2配置管路系統清洗過濾裝置，使安裝車間所有進支架操縱閥前的管路系統清洗干凈達要求。

7.3更換加熱清洗的過濾器使清洗達標。保證支架液壓系統工作的可靠性和元件的使用壽命，充分發揮設備效能。技術工藝部門編制了《千斤頂裝配工藝作業指導書》、《支架裝配工藝作業指導書》用于指導支架組裝后的應達到的整體工作性能。

8.建立備件供應手冊

借鑒國外先進企業的備件體系，所有設備的每個零件都有一個唯一的件號，并且在不同設備上使用時，只要件號相同就可以互換。在給用戶提供的備件手冊中，全部用圖文方式一一指出。這樣做有利于企業產品設計中充分利用成熟的零件，一方面減少了設計風險，另一方面降低了加工成本。同時，因為給用戶提供了所有零件件號，用戶在需要購置時，只需要按照件號即可進行采購，利于用戶向設備原制造商采購備件，也就為企業帶來了更多的訂單。

9.結束語

實踐證明，選擇合理的控制支架加工制造工藝，應用適當的工藝參數和技術要求，焊接后的焊縫避免產生裂紋和脆化現象，大大提高了設備的使用壽命，對保證設備按期交付和煤機的安全運行起到了積極有效的作用，此國產化給制造廠帶來了可觀的經濟效益和社會效益，提高了整機的使用可靠性和可維護性，極大的降低了設備使用單位的設備采購及維護成本。