礦用液壓支架典型部件鍛造工藝分析

申建偉

(山西煤炭運銷集團 四明山煤業有限公司，山西 高平 048400)

礦用液壓支架作為煤礦開采中的重要設備，其內部結構中的關鍵部件質量及性能對液壓支架的整體性能有重要影響[1]。在液壓支架長期使用過程中，導向套、連接頭、耳軸等部件存在一定的結構失效風險，容易發生結構的耐磨性差、結構開裂、結構斷裂等故障，對液壓支架的正常作業造成了嚴重威脅。因此，本文對這些典型部件的制造工藝進行了研究，對保障液壓支架的支撐效率及作業安全具有重要作用。

1 液壓支架結構組成

目前，煤礦中的液壓支架種類較多，有掩護式、支撐式、支撐掩護式等類型，但其結構組成基本相同，主要由頂梁、掩護梁、四連桿機構、立柱、底座、操縱閥等大型部件組成[2]，而導向套、連接頭、耳軸等部件則是這些大型部件中的關鍵小型部件，通過這些小型部件的相互連接，實現了液壓支架不同工作狀態的支撐作用，液壓支架結構組成示意如圖1所示。在整個支撐過程中，通過液壓支架的升架操作，將高壓油注入至立柱缸中，實現頂梁的上升支護作業，而此時底座則與地面進行緊密貼實[3]。在這個過程中，導向套主要通過與連接頭進行連接，在液壓支架移動過程中，起到較好推動作用，而連接耳軸則主要負責將各個銷孔部件進行連接。故要求導向套、連接頭、耳軸等部件在使用中不能輕易出現嚴重變形、開裂或斷裂等故障問題[4]，保證其具有較好的結構性能尤為重要。

2 液壓支架中典型部件存在問題

導向套在作業過程中，承受著來自連接頭之間因相互摩擦而產生的橫向和徑向載荷作用，導致其結構承受著較大外界作用力。目前，部分導向套主要采用鑄造方式進行生產，存在結構強度低、表面光滑度差等問題，經過改進后，雖然部分導向套采用了鍛造方式進行生產，大大提高了其結構強度，但仍存在原材料浪費嚴重、鍛造工藝繁瑣、工件結構質量較差等問題。

圖1 液壓支架結構組成示意

連接頭在實際使用中，經常會出現斷裂現象。經過分析可知，現有的連接頭主要采用鑄鋼結構，經過鑄造、冶煉、結晶等工藝過程后形成，而由于該部件為受力件，在作業過程中受到交變的扭轉力和推拉力同時作用，會首先在其兩端的尖角處產生微裂紋現象，最終導致其結構在使用中出現開裂或斷裂故障問題[5]。

耳軸在前期也采用的是鑄造件，在加工工藝方面具有一定的優勢，但鑄造后的耳軸本身由于其內部成分不均勻性，導致其結構的韌性、塑性及抗拉強度等方面發生嚴重下降現象，在使用中經常出現結構開裂、斷裂等故障現象，對液壓支架的正常使用造成重要影響。

3 典型部件的鍛造工藝設計

鍛造是一種快速實現結構成型、改變材料結構屬性、提高生產效率、降低加工成本的重要機械零件加工方法。因此，結合導向套、連接頭、耳軸等結構存在的問題，對這些典型部件進行鍛造工藝分析。

3.1 導向套鍛造工藝設計

目前，導向套主要采用的是45號鋼材料，其鍛造工藝過程包括：下料、制坯、多次鐓粗、沖孔、擴孔，步驟較為簡單，沖孔示意如圖2、圖3所示。在導向套鐓粗過程中，首先將下好料的毛坯件放置在鍛造設備上，通過對其工件表面施加壓力，使其產生逐漸壓縮變形，最終會使工件出現變粗現象，其中，嚴格控制鐓粗后工件的厚度成為整個環節的重點。在完成敦粗工藝后，需對工件進行沖孔作業，由于導向套的中心孔尺寸相對較大，故在沖孔時采用了兩次沖孔操作，而第一次沖孔則主要對導向套的正面進行沖孔操作，之后將其翻轉，從另一側進行工件的沖孔，通過兩次沖孔的相互配合，完成工件的沖孔操作。為使導向套中部孔尺寸基本達到設計值，在完成沖孔操作后，需對其進行擴孔操作，首先仍是將工件正面放置，對其中部孔進行擴孔作業，之后將工件進行翻轉，從另一側進行擴孔操作。完成以上操作后，對導向套的孔徑及壁厚進行測量，尺寸合格后，將其移至機加工設備上，進行工件的最后精加工，由此，完成導向套從鍛造到成型產品的加工制造過程。

圖2 第一次沖孔

圖3 第二次沖孔

3.2 連接頭鍛造工藝設計

結合連接頭的結構特點，制定了其鍛造的工藝過程，包括：下料、制坯、鐓粗、鍛方、壓痕、切制、成型等過程。在鍛造過程中，確定了下料尺寸為D150 mm ×150 mm，選用了45號鋼材，所選毛坯件的重量為35 kg，鍛造后的鍛件要求重量約30 kg。首先，將接頭下好的毛坯件放置在鍛壓設備中，對其施加一定的壓力，使其整體結構向下產生壓縮變形現象，最終達到敦粗效果。墩粗后，將工件翻轉90°，對其結構進行鍛方操作，再翻轉180°，對其另外一面也進行鍛方操作；之后開展結構的壓痕操作。當工件基本成型后，對其進行一次切制、翻轉90°切制操作，使其整體結構基本達到設計形狀及尺寸，最后對工件進行成型操作。連接頭的鍛造工序如圖4所示。

圖4 連接頭鍛造工序

3.3 耳軸鍛造工藝設計

通過對液壓支架耳軸結構分析可知，其結構特點為：中間為通孔圓筒、兩端呈圓柱形銷軸，主要與液壓支架中的外部缸筒焊接，并與底部的U型耳座進行連接。故確定了耳軸的鍛造工藝，即：下料、制坯、墩粗、沖孔、擴孔等。其中，下料、墩粗等過程基本與前面的操作相同，而制坯則主要是將毛坯料鍛造成耳軸的基本形狀，沖孔則主要是對其結構中部進行沖孔操作，形成約D30 mm的通孔，之后采用擴孔操作，完成中部通孔的擴孔操作。耳軸的整個鍛造工序如圖5所示。

圖5 耳軸鍛造工序

4 部件實際鍛造效果分析

通過對以上三個部件的鍛造工藝過程進行統計分析，結果表明：采用以上方法鍛造的工件，整體結構強度更高、結構尺寸更能滿足設計要求，鍛造件的產品合格率達到了98%左右，基本達到了預期效果。同時，采用以上鍛造方法，使導向套的單件毛坯用料節約了20%，連接頭用料節約了15%，耳軸用料節約了17%，大大解決了工件原材料的浪費問題。另外，所鍛造的工件在后期熱處理方面的操作及費用也得到明顯減少或降低。據初步估算，采用以上鍛造方法后，煤機制造企業一年的費用節約將近60萬，經濟效益相對明顯。

5 結 語

通過對液壓支架中導向套、連接頭、耳軸等部件存在問題進行分析，并對其鍛造工藝進行了設計，采用此鍛造工藝的工件質量明顯提升，結構強度也更高，且大大降低了原材料的浪費，對提高液壓支架的作業安全及增加企業經濟收入具有重要意義。