礦用液壓支架活塞桿端部位置的鍛造工藝研究

左焱林

（同煤集團(tuán)中央機(jī)廠， 山西 大同 037001）

引言

礦用液壓支架在工作時需要承受較大的外部壓力，要求各結(jié)構(gòu)件具有較高的剛度和強(qiáng)度[1-2]。千斤頂結(jié)構(gòu)是液壓支架的重要承力結(jié)構(gòu)件，起到承上啟下的作用，工作面頂部圍巖作用在液壓支架頂板的力很大一部分需要通過千斤頂傳遞到液壓支架底板，這對千斤頂結(jié)構(gòu)的性能提出了較高的要求[3]。其中，活塞桿是千斤頂中的重要構(gòu)成部分，其端部連接頭的生產(chǎn)加工質(zhì)量直接影響著整個液壓支架的服役性能[4]。活塞桿端部連接頭通常是采用鍛造工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工[5]。但傳統(tǒng)的鍛造加工工藝不僅生產(chǎn)效率低，并且鍛造加工質(zhì)量得不到有效保障[6]。因此對活塞桿端部連接頭位置的鍛造工藝進(jìn)行深入分析和研究，對其鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在提升鍛造加工效率的同時強(qiáng)化鍛造加工質(zhì)量，為液壓支架的綜合性能奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1 液壓支架活塞桿結(jié)構(gòu)概述

活塞桿是液壓支架中的重要承力結(jié)構(gòu)件，在工作過程中需要承受較大的外部載荷。活塞桿的端部連接頭通常都是帶圓弧的扁方形結(jié)構(gòu)，并且中間有開孔，實(shí)現(xiàn)與其他結(jié)構(gòu)件之間的鉸接，如圖1 所示為液壓支架活塞桿的結(jié)構(gòu)示意圖。活塞桿在工作時需要頻繁承受拉力和壓力的交替作用，循環(huán)載荷條件對活塞桿端部連接頭部位的性能提出了非常高的要求。為提升該部位的性能，通常該部位都需要進(jìn)行鍛造加工處理，通過鍛造能夠使內(nèi)部組織細(xì)化，提升該部位的力學(xué)性能和服役穩(wěn)定性。

2 活塞桿端部位置傳統(tǒng)鍛造工藝及存在的問題

2.1 傳統(tǒng)鍛造工藝簡介

圖1 液壓支架活塞桿的結(jié)構(gòu)示意圖

活塞桿鍛造毛坯的直徑為150 mm，重量約為123 kg，其端部位置的直徑大小為170 mm，高度為102 mm，端部位置的截面面積與圓桿部位的截面面積相比較而言略小。壓扁部位的長度是圓桿位置直徑大小的1.15 倍，根據(jù)相關(guān)理論以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以使用局部自由鍛扁的鍛造工藝進(jìn)行加工處理。活塞桿端部位置加工使用的就是上述的鍛造工藝。完成鍛造工序后，還要進(jìn)一步對其進(jìn)行機(jī)加工處理，使之滿足設(shè)計圖紙中的要求。

2.2 存在的問題

在利用上述鍛造工藝對活塞桿端部位置進(jìn)行鍛造加工過程中，由于采用的是自由鍛工藝，沒有模具對坯料進(jìn)行限制，這對鍛造操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)提出了較高的要求。在自由鍛模式下鍛造的形狀及其尺寸控制難度相對比較大，由于操作人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)參差不齊，導(dǎo)致得到的毛坯端部位置尺寸、形狀均存在一定差異。尤其是在圓桿與扁方過渡的倒角部位，其形狀和尺寸控制難度最大，是最容易出現(xiàn)問題的位置。

由于鍛造工藝存在缺陷，給后續(xù)的機(jī)加工工序增大了難度，不同位置的車削量存在差異，最終得到的產(chǎn)品中很多端部位置的結(jié)構(gòu)尺寸不滿足設(shè)計要求，合格率較低，合格率只有95.5%左右。在實(shí)踐中為了解決該問題，采取的辦法是增加毛坯尺寸。最開始時的毛坯直徑為150 mm，后將毛坯直徑增加到155 mm。通過這樣的方式可以確保端部位置的加工余量，進(jìn)而保證機(jī)加工質(zhì)量滿足相關(guān)要求。但這種解決措施的最大缺陷在于雖然增加了坯料的質(zhì)量，但造成了很大的浪費(fèi)。另外，坯料尺寸的增大導(dǎo)致加工量的增大，會延長機(jī)加工工序的時間。以上這些因素導(dǎo)致活塞桿端部位置的生產(chǎn)加工成本提升。

3 活塞桿端部位置鍛造工藝優(yōu)化改進(jìn)研究

3.1 模鍛工藝基本要求

活塞桿扁方端部位置的結(jié)構(gòu)形狀相對復(fù)雜，為了確保扁方端部位置、圓桿與扁方連接過渡部位能夠成功成型，使其達(dá)到鍛造設(shè)計相關(guān)要求，保證鍛造加工質(zhì)量及其穩(wěn)定性。需要設(shè)計整套鍛造模具對其進(jìn)行加工，主要包括定位銷、上模具和下模具。

從上頁圖1 中可以看出，液壓支架活塞桿整體上呈現(xiàn)出對稱分布。因此要求鍛造工序結(jié)束后活塞桿端部位置也要呈現(xiàn)出對稱分布，并且不同位置的加工余量盡可能保持均勻，這樣可以為后續(xù)的機(jī)加工工序提供方便，縮短機(jī)加工時間，提升活塞桿的加工效率，為實(shí)現(xiàn)上述要求需要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的模具型腔。在實(shí)際鍛造過程中，上模具和下模具之間通常不會完全閉合，因此在設(shè)計階段需要預(yù)留2～4 mm 的間隙。在確定上模具和下模具高度時需要考慮兩者之間的間隙值，以此保證鍛造后端部位置的形狀和尺寸滿足設(shè)計要求，避免對后續(xù)機(jī)加工造成影響。

3.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及其材料選擇

如圖2 所示為設(shè)計的上模具和下模具結(jié)構(gòu)示意圖。鍛造加工過程中，由于上模具和下模具都不是直接固定在鍛造設(shè)備中，所以在鍛造時上模具和下模具之間可能會發(fā)生錯位的現(xiàn)象。為了避免模具發(fā)生錯位問題，在下模具中設(shè)置了限位導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，即圖中的臺階結(jié)構(gòu)。同時在上模具和下模具中都設(shè)置有定位銷孔，鍛造過程中通過定位銷將上模具和下模具進(jìn)行串聯(lián)，以此確保兩個模具在運(yùn)動過程中始終保持在正確的相對位置上。基于上述兩種方式可以實(shí)現(xiàn)上模具和下模具之間的有效定位。

本研究中利用5CrMnMo 材料來生產(chǎn)加工制作設(shè)計的上下模具，模具經(jīng)過鍛造加工而成。然后再對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，確保模具的表面硬度（HRC）可以達(dá)到42～46 左右。使用的定位銷可以直接從標(biāo)準(zhǔn)中選用。

3.3 優(yōu)化后的鍛造工藝

圖2 上模具和下模具結(jié)構(gòu)示意圖

在模鍛工藝條件下，為了確保坯料能夠完全填充上下模具之間的型腔，同時盡可能避免坯料從上下模具中間縫隙中流出形成毛刺。經(jīng)過科學(xué)計算后，確定坯料直徑大小為150 mm。雖然在設(shè)計階段就考慮到了毛刺問題，但在實(shí)踐過程中仍然會存在厚度為1.5～2 mm 左右的毛刺。所以在鍛造工序結(jié)束后還需要對毛刺進(jìn)行處理，避免毛刺對后續(xù)機(jī)加工產(chǎn)生不利影響。最后進(jìn)行車削機(jī)加工處理，使液壓支架活塞桿端部扁方位置的結(jié)構(gòu)和尺寸滿足設(shè)計要求。

4 鍛造工藝優(yōu)化產(chǎn)生的效益分析

1）優(yōu)化改進(jìn)后的模鍛工藝與傳統(tǒng)的自由鍛工藝相比較而言，鍛造效率更高。另外，模鍛工藝后續(xù)的機(jī)加工也更加方便，機(jī)加工量相對減少，車削量均勻，初步估計每根活塞桿的車削時間可以縮短30 min，優(yōu)化后的生產(chǎn)加工效率提高了至少5 倍以上。

2）自由鍛造工藝條件下得到的活塞桿產(chǎn)品合格率大約為95.5%左右，而采用模鍛工藝進(jìn)行加工時，活塞桿產(chǎn)品的合格率達(dá)到了100%，合格率的提升避免了材料的浪費(fèi)，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

3）模鍛工藝條件下可將使用的毛胚直徑改為原來的150 mm，經(jīng)計算每根活塞桿坯料的質(zhì)量降低了9 kg 左右。假設(shè)每批次可以生產(chǎn)400 根活塞桿，那么每批次節(jié)約的坯料質(zhì)量就達(dá)到了3 600 kg，有效控制生產(chǎn)成本。