液壓支架液壓缸缸筒內壁激光熔覆修復工藝研究

張國超，雷 丹，王曉飚,3，湯 波，楊英滔，李 欣

1西安必盛激光科技有限公司 陜西西安 710119

2陜西中立檢測鑒定有限公司 陜西西安 710065

3中國科學院光學與精密機械研究所 陜西西安 710119

我國煤炭井下開采環境惡劣，對綜采工作面使用的液壓支架底缸、中缸內表面造成銹蝕、劃傷等缺陷，造成工作不正常，從而導致液壓支架提前報廢[1-2]。在升井大修中發現，大部分缸筒內壁都存在不同程度的銹蝕和磨損。采用的修復方法為鍍鉻或鍍銅，由于電鍍鉻層厚度僅為 50～70 μm，不能抵抗大強度的沖擊，且電鍍鉻污染嚴重，隨著國家對環境保護的重視，在某些領域電鍍鉻已經被完全取代[3-4]；而電鍍銅的防腐不能達到預期效果[5]。激光熔覆技術近幾年應用于煤礦液壓支架的修復，主要是立柱和活塞桿的外表面處理。筆者采用激光熔覆修復工藝技術，結合液壓缸內孔機加工工藝對缸筒內壁的修復工藝進行試驗研究，以期對今后液壓支架液壓缸缸筒的內壁修復提供技術支持。

1 試驗設備及工藝參數

試驗采用 TK2236G 型深孔鏜床和 HMT3300C 型深孔臥式珩磨機，表面修復使用 BS-IFE-6000-18-4H型激光熔覆設備。

激光熔覆工藝參數為：激光功率 5 900 W，光斑2 mm×16 mm，工作距離 140 mm，線速度 8 mm/s，搭接率 40%，送粉量 55 g/min，單邊厚度 1.5 mm。熔覆過程中采用氬氣保護；試驗所用缸體材質為 27 SiMn，內孔直徑為 230 mm，長度為 1 050 mm；激光熔覆鐵基合金粉末粒度為 100～270 目，主要化學成分如表 1 所列。

表1 合金粉末主要化學成分 %

2 工藝流程

該修復工藝的基本思路是先去掉缸筒內壁上的損壞表層，再用激光熔覆的方法在缸筒內壁上熔覆一層合金粉末，然后將熔覆的合金層加工至要求的尺寸，形成全新的缸筒內壁。

整個工藝流程分 8 個步驟：對修復缸筒進行預檢，確定修復的價值與工藝—對待修復的缸筒進行定位找正—去除缸筒內壁損壞的部分—選擇合適的合金粉末—采用激光熔覆的方法修復內壁表面—進行精加工處理—測量及驗收復用。具體工藝流程如圖 1 所示。

圖1 液壓缸缸筒內壁激光熔覆工藝流程

3 激光內壁修復工藝步驟

3.1 工件檢驗

檢查缸筒內壁磨損、銹蝕等損壞狀況，如存在脹缸，需進行仔細測量，如果脹缸尺寸大于 3 mm，或缸筒出現裂紋、斷裂等不可逆的缺陷，進行報廢處理；對于需修復的缸筒，測量其直線度，缸筒的直線度應滿足如表 2 所列要求[6]。

表2 缸筒直線度要求

3.2 焊夾持塊

液壓缸缸筒端部為橢圓形，在修復時機床卡盤無法夾持，影響后期定位找正及熔覆加工，故在缸筒頭部焊接一塊夾持塊，如圖 2 所示，以便于后期的機加工和熔覆。

圖2 液壓缸缸筒焊接夾持塊

3.3 定位找正

定位找正決定了后期內孔鏜削、熔覆和珩磨的精度。用車床卡盤夾住夾持塊，用傘型頂尖頂住缸口，找正后車削靠近缸口的C處，形成寬度為 50～60 mm的架窩；然后用中心架托住C處架窩，撤掉傘型頂尖。接著，以缸底內孔為基準，用百分表調整卡盤四爪(要求內壁跳動量 ≤0.03 mm)，然后在夾持塊A處車一道寬為 50～60 mm 的槽，要求深槽整個圓周見光即可，如圖 3 所示。

圖3 待修復液壓缸缸筒定位找正

3.4 熔覆前粗鏜內壁

用卡盤夾住夾持塊，中心架托住缸口，以缸底內孔為基準調節中心架位置，以A處深槽調節卡盤四爪(要求跳動量 ≤0.05 mm)，粗鏜內孔至 231.5 mm，鏜完后確保內壁表面平整無缺陷。

3.5 激光內壁熔覆

用卡盤夾住夾持塊，傘型頂尖頂住缸口，中心架托住C處，再將尾座頂尖退出。熔覆前將孔內的鐵屑及油漬清理干凈，確保內壁無油污。檢查熔覆頭保護鏡片，確保完好，調整好設備的各項工藝參數及送粉器中的粉量，做到熔覆過程不間斷。熔覆厚度為 1.5 mm，內孔熔覆至 228.5 mm，缸筒內壁熔覆過程和熔覆后的效果如圖 4 所示。

圖4 激光熔覆過程及熔覆效果

圖5 為內壁熔覆層結合處及熔覆層在電子顯微鏡下的照片。從圖 5 可以看出，經激光熔覆后熔覆層與基材產生了冶金結合，且結合處未見裂紋、夾雜物等缺陷，熔覆層內部也未見氣泡、夾雜等缺陷，熔覆質量良好。熔覆完成后，對熔覆層表面硬度進行測試，如表 3 所列，熔覆層的平均硬度為 233.9HB。

圖5 內壁熔覆層結合處與熔覆層顯微鏡圖

表3 內壁熔覆層硬度測試結果

3.6 熔覆后精鏜內壁

對熔覆層表面進行精鏜。為保證精度，精鏜與粗鏜選擇同一鏜床，工件夾持方法與粗鏜一致。精鏜時由于熔覆層硬度與基材有差異，盡量選擇硬度高的刀具，以免鏜削過程中由于刀具磨損造成內孔錐度太大而影響熔覆層質量。內孔精鏜至 229.5 mm，要求錐度≤0.1 mm。

3.7 珩磨內壁

清理內壁后按照珩磨工藝規范進行加工，內壁珩磨至圖紙尺寸，表面粗糙度小于Ra0.4，珩磨后的內壁如圖 6 所示。

圖6 珩磨后內壁表面

3.8 檢驗

加工完畢后檢查內壁尺寸是否達到圖紙要求，熔覆層表面是否存在氣孔、裂紋等缺陷，滿足要求后方可用于液壓支架。

4 結語

激光熔覆工藝應用在液壓缸內壁修復上的案例在國內較為少見，內壁修復較為常見的方法是熔銅修復。激光熔覆工藝的優勢為：一是維修工藝清潔，環保無污染，且效率和成本較內壁熔銅低；二是熔覆層硬度在 220HB 以上，具有高耐磨性和耐腐性，使用壽命提高 3～5 倍。隨著內壁激光熔覆技術的日益成熟，在液壓支架維修方面將會得到越來越多的應用。