礦用液壓支架導向套的鍛造工藝優化改進分析

高榮梅

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠，山西大同 037000）

0 引言

隨著煤礦領域的不斷發展，煤礦開采效率越來越高，這使得煤礦開采設備都朝著大型化方向發展[1]。液壓支架作為煤礦開采中的重要機械裝備，在保護煤礦開采過程安全方面發揮著不可替代的作用[2]。為順應采煤行業發展，當前階段液壓支架的型號也是越來越大，這對液壓支架的各種結構件質量提出了更高的要求。在礦用液壓支架中，立柱是其中非常重要的承力結構件，液壓支架自身的重力以及頂板承受的壓力都會通過立柱傳遞到底板[3-4]。如果立柱在加工過程中自身存在質量缺陷，在受到較大的外界載荷時就容易發生安全事故。而在立柱結構中，導向套又是其中非常關鍵的結構件，其質量的優劣直接決定了立柱的性能好壞[5]。導向套需要經過鍛造加工生產，因此有必要對鍛造加工工藝進行研究，在此基礎上對鍛造工藝進行優化，以提升導向套的加工質量[6]。

1 立柱結構中導向套的作用和要求

如圖1所示為礦用液壓支架立柱結構及導向套的安裝位置。從圖中可以看出，在立柱結構中，導向套安裝于缸體的外端。立柱正常工作時活桿需要進行伸縮，此時導向套需要承受所有外部作用在活桿上的力，避免活桿出現彎曲、橫向變形或者振動問題，確保活桿能沿著正確方向移動。對于導向套的要求主要表現在以下3個方面。

（1）有足夠的強度。由于導向套需要對活塞桿進行支持和導向，所以必須具備有足夠的強度。導向套工作時還會和其他結構件發生磨擦，因此要有足夠的耐磨性。

（2）密封性能好。立柱工作時，需要高壓液體提供動力，導向套是整個液壓缸的構成部分，因此必須要有良好的密封性。只有這樣才能夠確保液體不發生泄漏現象，這是保證液壓支架正常工作的基礎。

（3）耐腐蝕性能好。煤礦井下工作環境復雜，容易對零部件造成腐蝕。耐腐蝕性能主要與材料本身的物理化學屬性有關系，因此在選用導向套材料時應該充分考慮到材料的耐腐蝕性能。

圖1 礦用液壓支架立柱結構及導向套的安裝位置

2 傳統導向套鍛造的工藝及其缺陷分析

基于上述分析可以看出，導向套是液壓支架立柱結構中非常重要的結構件，其性能好壞對整個液壓支架的服役穩定性有非常重要的影響。鍛造是導向套生產加工中的重要環節，因此對該環節進行分析和研究是提升其質量、降低生產成本的重要措施。

2.1 傳統導向套鍛造工藝

導向套生產過程中，在鍛造環節主要可以細分為5 個工序，分別為下料、鐓粗、一次沖孔、二次沖孔、修正，如圖2所示為傳統導向套鍛造工藝流程圖。在下料環節，需要基于體積不變定律，根據導向套結構的實際體積以及需要裁剪掉的體積對其進行下料。墩粗環節在鍛壓機中進行，目的主要包括2個方面，其一為將坯料壓縮到指定高度，其二為通過墩粗變形可以使導向套材料的組織更加致密，性能與墩粗前相比較會顯著提升。一次沖孔和二次沖孔作用是將材料掏空，形成環狀結構。修正的作用是對導向套進行進一步機加工，滿足實體圖紙中的要求。

圖2 傳統導向套鍛造工藝流程圖

2.2 傳統導向套鍛造加工存在的問題

大量的實踐經驗表明，傳統的導向套鍛造加工工藝存在一定缺陷，不僅浪費了大量材料，增加了生產加工成本，同時導向套的質量也不是非常完善，有進一步提升的空間。以下針對幾個典型的問題進行闡述。

（1）墩粗環節坯料變形不均勻。墩粗工序在鍛壓機中完成，上下模具都為平板狀結構。理想狀態下，根據體積不變定律，原本為圓柱體的坯料經過墩粗后應該還為圓柱體，只是高度降低、直徑增大。但是在實踐過程中，上下模具與坯料上下表面接觸后，兩者之間由于會產生很大的壓力，所以其摩擦力也很大，導致與模具表面較近的坯料在橫向方向上的流動過程受阻，與模具的距離越近，這種阻力越明顯。而坯料的中間位置，由于與上下模具之間的距離最遠，所以其受到的阻力最小，該位置在橫向方向上的流動趨勢最為顯著。最終導致的結果就是鐓粗完成后，坯料呈現出鼓形狀，即中間大、兩頭小，如圖3 所示。從圖中可以看出，坯料不同位置的變形程度存在一定差異，而變形程度又會直接影響材料的力學性能。因此變形不均勻最終導致的是導向套不同位置力學性能不均勻。

（2）材料浪費率和生產成本高。基于上述工藝分析可以看出，導向套在加工時需要對其進行沖孔，沖孔部分的材料屬于廢料。另一方面，根據設計要求，沖孔結束后導向套的單邊厚度值應該比設計圖紙多出3～4 mm，稱之為加工余量，目的是為后續的修正工序預留一定空間。但是在實踐過程中，受到工藝水平的限制以及設備能力的限制，最終預留出的單邊厚度可以達到10 mm以上，這給產品后續加工造成了非常大的困難。基于以上分析可知，傳統的導向套鍛造工序，不僅會浪費大量的坯料材料，同時也會加大后續加工的難度，增加導向套生產加工成本。

圖3 傳統導向套鍛造加工后的形狀示意圖

3 導向套鍛造工藝優化研究

傳統的液壓支架導向套鍛造工藝存在一定缺陷，不符合實際使用需要，有必要采取措施對其進行改進。根據上述存在的問題，可以采取針對性的措施。

3.1 采用組合模具

大鍛件在鍛造過程中，不可避免地會存在鼓型現象，因此只能采取措施，盡可能緩解這種問題。結合實際情況，最終采用組合模具的形式來降低坯料墩粗過程中的鼓型現象。如圖4 所示為采用組合模具進行鐓粗的過程示意圖。組合模具指的是除了上下模具外，增加設置一個環形模具，環形模具的作用是對坯料的變形過程進行限制，避免出現鼓型問題，使得最終鐓粗變形完成后，坯料仍然整體上呈現出圓柱體的形狀。通過這樣的措施，很好地解決了鍛造過程中坯料變形不均勻的問題，確保了導向套不同位置性能的均勻性，使得導向套的整體性能得到顯著提升。

圖4 采用組合模具進行鐓粗

3.2 增加設置擴孔工序

上述分析中認為傳統的導向套鍛造加工工藝中，沖孔會浪費掉大量的坯料原料，從而增加導向套的加工成本。因此工藝優化的思路是盡可能降低沖孔工序浪費掉的原材料。結合實際情況，最終在傳統導向套加工工藝的基礎上，增加設置兩道次的擴孔工序，具體工序過程如圖5 所示，圖中虛線框內的工序為新增加設置的兩次擴孔工序。通過這樣的方式，在兩次沖孔工序中就可以沖出直徑相對更小的孔，再利用擴孔工序將小孔擴大到設計直徑尺寸的大孔。沖孔落料全部屬于廢料，沖孔直徑的縮小意味著浪費掉的坯料原料降低。因此工藝優化改善后能夠為企業節約大量的生產成本。另一方面，擴孔過程屬于塑性變形過程，塑性變形程度越大，材料的晶粒細化程度越大，最終獲得的力學性能越好。從這個角度出發，通過擴孔工序能夠進一步提升導向套的力學性能。

圖5 優化后的導向套鍛造工藝流程圖

4 導向套鍛造工藝優化應用效果分析

將本文提出的液壓支架導向套鍛造工藝優化方案應用到工程實踐中。統計數據表明，通過增加兩次擴孔工序，縮小沖孔直徑，使得坯料的利用率提高了10%以上。另外，通過增加環形模具，與上下模具進行組合使用，使得導向套坯料的變形更加均勻，不同位置力學性能均勻性有了有效提升，可以在很大程度上提升零部件的使用壽命。可以看出，通過鍛造工藝優化，不僅為企業創造了較好的經濟效益，同時降低了坯料原料的浪費，社會效益同樣十分顯著。

5 結束語

導向套是液壓支架設備中非常重要的零部件，其性能的優劣對整個設備的服役穩定性有非常重要的影響。鍛造加工是導向套生產制作過程中的重要工序，對傳統的導向套鍛造工藝進行分析后發現存在一定缺陷，主要表現在變形不均勻和材料浪費嚴重。基于存在的問題，提出針對性的鍛造工藝優化改進措施，主要是使用組合模具、增加設置兩次擴孔工序。對鍛造工藝進行優化后，不僅降低了導向套的生產加工成本，同時其力學性能也得到了顯著提升，為液壓支架運行的可靠性和穩定性奠定了堅實的基礎。