礦用液壓支架高性能柱窩鑄造與鍛造成形方法比較分析

鄭慶福，守晨鵬，王棟

1.鞍鋼股份有限公司 遼寧鞍山 114021

2.鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450016

1 序言

柱窩是礦用液壓支架的核心部件，同時也是液壓支架中最關(guān)鍵的受力件之一[1]，其包括頂梁柱窩及底座柱窩，一般位于頂梁、底座的內(nèi)外主筋之間，中間通過立柱連接，在工作時間接承受頂板壓力[2，3]，在井下要接受各種不同的地質(zhì)條件和惡劣環(huán)境，以及一些不可預知的突發(fā)情況的考驗，因此柱窩必須要有良好的綜合性能。

國內(nèi)外大多數(shù)液壓支架產(chǎn)品的柱窩采用鑄造工藝生產(chǎn)，隨著用戶對液壓支架支護能力要求的提高，對柱窩的綜合性能及制造質(zhì)量要求也越來越苛刻，一些高端液壓支架在服役時，ZG30Cr06A材質(zhì)的柱窩成為了易損件，給液壓支架生產(chǎn)商及礦方都帶來了負面影響。因此，為了提高柱窩在惡劣工礦條件下的使用性能，有必要對柱窩的制造方法進行思考與探索。

2 柱窩結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)，其由柱窩、耳板一、耳板二組成；圖2所示為典型頂梁柱窩三維結(jié)構(gòu)。

圖1 典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)

圖2 典型頂梁柱窩三維結(jié)構(gòu)

對于典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)而言，由于其有兩個突出的耳板，模鍛難度較大，同時嚴重降低模具壽命，因此選用分體鍛造的方法，即將柱窩、耳板一、耳板二分成3個零件，分別鍛造后再拼焊。

因為柱窩的體積及投影面積均較大，理論上對設(shè)備噸位的要求較高，所以在設(shè)計時應(yīng)當盡量減小柱窩的重量、投影面積，另外由于鍛造過程中金屬的流動不如鑄造，因此在各個面的拐角處應(yīng)盡量加大圓弧過渡，一則可以保證模鍛時的金屬充滿，二則可以延長模具的使用壽命。

3 工藝對比分析

適合柱窩的生產(chǎn)工藝有鑄造、鍛造兩種，首先對鑄造與鍛造兩種工藝進行對比分析，知其優(yōu)劣。

（1）鑄造 鑄造是現(xiàn)行柱窩生產(chǎn)工藝，具有生產(chǎn)周期短，成形精度高，后續(xù)加工量少或無后續(xù)加工量等特點。根據(jù)不同礦井的使用條件，選用相應(yīng)的鑄鋼材料，在有效控制鑄造缺陷、保證鑄件質(zhì)量的前提下，能滿足絕大多數(shù)的工況需求，是柱窩生產(chǎn)的主流工藝，也是首選制造方法，具有不可替代性。但由于以下原因，鑄造生產(chǎn)的柱窩在工況比較惡劣、使用要求較高的礦井下使用仍有其一定得局限性。

1）鑄件在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生氣孔、夾渣、成分偏析等各種鑄造缺陷[4]，在實際使用過程中，這些缺陷將是應(yīng)力集中點與起裂的源頭，將大幅縮短柱窩壽命降低最大承載能力。

2）鑄鋼材料的局限性，特別是高強度鑄鋼的開發(fā)使用都有其局限性。

3）由于鑄件內(nèi)部易形成鑄造缺陷、成分偏析且內(nèi)部晶粒偏大等各種情況，其綜合力學性能特別是韌度較低。

（2）鍛造 鍛造是一種借助工具或模具在沖擊或壓力作用下加工金屬機械零件或毛坯的方法，與鑄造相比，可以消除內(nèi)部缺陷、改善或消除內(nèi)部成分偏析[5]，得到均勻、細小的低倍和高倍組織，其韌性高、纖維組織合理，金屬流線完整，鍛件的力學性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。針對柱窩來說，可根據(jù)具體要求選用相應(yīng)的圓鋼鍛制，但鍛造也有以下不足。

1）設(shè)備的局限性，特別是模鍛件，因其不是累計變形且一次變形量大、投影面積大，所以對設(shè)備噸位要求較高。

2）鍛件的加工成本高，特別是對設(shè)備要求高的加工成本更高。

3）鍛造不能像鑄造那樣成形比較復雜的零件，且精度較低，并且必須保有拔模斜度，其后續(xù)必須機加工最終成形，并且加工量較大。

4）鍛造柱窩由于模具制作、設(shè)備限制等原因，其生產(chǎn)周期較長。

經(jīng)以上對比分析可知，鍛造柱窩的韌性更好，綜合力學性能要好，其質(zhì)量得到優(yōu)化，更加適合在惡劣工況下服役的液壓支架使用。

4 柱窩材質(zhì)分析

目前，國內(nèi)液壓支架行業(yè)柱窩常用材料主要有27SiMn鋼、30CrMo鋼、42CrMo鋼和ZG30Cr06A等。近年來，由于27CrNiMo鋼中加入更高含量的Ni元素來提高鋼的韌度，因此在液壓支架的生產(chǎn)中也有所應(yīng)用。由于柱窩與液壓支架主體結(jié)構(gòu)件的連接方式為焊接，且液壓支架質(zhì)量大，焊后只能進行緩冷而無法進行回火，因此材質(zhì)的選取不僅需要強度指標滿足機械設(shè)計要求，還需考慮最終選用材質(zhì)的焊接性。

（1）材料的化學成分 幾種柱窩材料主要化學成分見表1，其碳當量根據(jù)計算公式[CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]，按照每種材料相應(yīng)國家標準的化學成分計算所得。

表1 柱窩用材料主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

（2）材料的焊接性 依據(jù)國標GB/T 4675.1—1984《焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》對27SiMn鋼、30CrMo鋼在預熱溫度100℃下進行試驗，發(fā)現(xiàn)平均斷面裂紋率分別為25.87%和28.44%，說明兩種材質(zhì)的焊接性均較差，若應(yīng)用于實際生產(chǎn)，即使與焊接性較好的低碳鋼一起拼焊，也要采用較高溫度的預熱，一般生產(chǎn)中采用150～200℃預熱，避免產(chǎn)生冷裂紋，影響焊縫質(zhì)量。

（3）材料的力學性能 對部分備選材質(zhì)進行鑄造或鍛造試驗，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其力學性能見表2。

表2 部分備選材質(zhì)力學性能

上述幾種材料的強度均滿足機械設(shè)計要求，但由于27CrNiMo鋼具有更好的韌度，斷后伸長率也較高，更適用于惡劣工況下服役的液壓支架柱窩生產(chǎn)。

5 鍛造柱窩坯料研究

為摸清鍛造坯料對成品性能的影響，我們在某型號柱窩使用ZG30Cr06A方形鑄坯進行了具體零件的分析，試樣的力學性能取樣位置如圖3所示，試驗柱窩各取樣部位力學性能見表3。

圖3 取樣位置示意

從表3可看出，該零件的力學性能并沒有得到明顯改善，尤其是沖擊性能甚至有所下降，在鍛造時變形較大的區(qū)域力學性能較好，鍛造加工可以提高零件的綜合性能，且應(yīng)保證一定的鍛造比[6]。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇質(zhì)量良好的熱軋或鍛制圓鋼，這樣成品柱窩將有足夠鍛造比。

表3 不同取樣位置的力學性能

除此之外，坯料的選擇對鍛造成品的質(zhì)量有較大影響。應(yīng)盡量避免使用鑄造方法制作接近最終零件形狀的坯料然后進行鍛造加工，因其鍛比較小，不能保證鍛件鍛透，可能存在大量的鑄態(tài)組織殘留，若鑄錠內(nèi)有縮孔、氣孔等缺陷，原鑄錠內(nèi)將有極大概率出現(xiàn)較規(guī)則的縮孔、氣孔，進而成長為不規(guī)則的裂紋，或縮孔、氣孔等缺陷并不在鍛造變形區(qū)，鍛后缺陷依然存在，影響鍛件的韌性及疲勞強度等。這樣的鍛件綜合力學性能不會比鑄件有大的提高，甚至還會有所降低。另外，由于沒有鍛透，零件外部有一定的金屬流線，晶粒組織較好，而內(nèi)部由于沒有接受鍛造變形，仍為鑄態(tài)組織，將給后續(xù)的熱處理帶來困難，不易控制，熱處理后的零件不同部位將出現(xiàn)較大力學性能差異，為產(chǎn)品帶來質(zhì)量隱患。

6 結(jié)束語

1）對于下端有耳板結(jié)構(gòu)的柱窩，選擇分體鍛造，加大過渡圓弧等，可以降低生產(chǎn)難度，提高模具使用壽命。

2）鍛造柱窩比鑄造柱窩的綜合力學性能好，質(zhì)量得到優(yōu)化，更適合在惡劣工況下服役的液壓支架使用。

3）27SiMn鋼、27CrNiMo鋼、30CrMo鋼、42CrMo鋼和ZG30Cr06A的焊接性均較差，焊前需要進行預熱，焊后進行緩冷處理。以上材料的強度均較高，但27CrNiMo鋼的韌性更好，更適用于大阻力、惡劣工況服役的液壓支架柱窩。

4）鍛造柱窩的坯料應(yīng)選用經(jīng)過軋制或鍛造的圓鋼，這樣成品柱窩將有足夠鍛造比，在保證綜合力學性能的同時有助于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。