立柱中缸熔覆工艺研究探讨

张 超

山东莱芜煤矿机械有限公司 山东济南 271100

液 压支架是综采工作面的支护设备，是支护顶 板、维护安全作业空间、推移采运设备[1]。立柱是承载顶板压力的重要部件之一，连接液压支架顶梁和底座，承受顶板载荷并调节支护高度。因其长期处于高压受力状态，应满足合理的工作阻力和可靠的工作特性，具备足够的抗压、抗弯强度和良好的密封性能。立柱中缸、外缸和活柱配合工作，加工精度与防腐要求高，制作工艺复杂，需要特殊处理工艺。

1 中缸熔覆工艺

中缸由中缸筒、中缸底构成，内径 270 mm 中缸结构如图 1 所示。目前中缸通用的防腐工艺是内孔电镀铜锡合金，外圆采用激光熔覆工艺。激光熔覆技术是利用高能量、高密度的激光束辐射在基体表面，把合金粉末快速融化和凝固熔覆在基体表面后，使基体表面性能得到改善[2]。缸筒激光熔覆使用不锈钢金属粉末，熔覆分为普通熔覆和快速熔覆。普通熔覆前，基体粗糙度大于Ra6.3，成品熔覆层大于 0.5 mm，表面硬度大于 50HRC。快速熔覆前，基体表面粗糙度小于Ra0.8 (外圆需采用磨削加工)，车削后熔覆层有效厚度为 0.10～ 0.25 mm，硬度大于 50HRC。激光熔覆后熔覆层孔隙率应小于 5 点/dm2，且孔隙直径小于 0.2 mm。采用普通熔覆还是快速熔覆，根据中缸现场使用条件进行选择，若使用工况较好，推荐快速熔覆，该工艺具有施工快、制造成本低的优点，但目前大多矿方倾向使用普通熔覆工艺。在普通熔覆工艺的生产实践中，技术人员遇到了大量的熔覆质量问题，笔者在施工操作过程中找到了一些具体的解决方法。

图1 内径 270 mm 中缸结构示意

2 熔覆前内孔加工要考虑熔覆收缩量

缸筒外圆采用普通熔覆，需要的激光功率大热量高，缸筒在熔覆热量高温输入下会膨胀，熔覆结束冷却后收缩，受热与冷却速度不一致导致内孔尺寸变化，表现为内孔普遍收缩。选取 5 个缸筒做熔覆后内孔收缩实验，测得收缩数据如表 1 所列。通过数据分析发现，5 个中缸熔覆后均比熔覆前尺寸收缩了12～ 16 µm，导致的结果是缸筒内孔尺寸达不到电镀前的正常尺寸，电镀后成品内孔尺寸均在公差以下。这使得活柱活塞上安装的导向环与中缸筒之间由间隙配合变成了过盈配合，不仅造成活柱导向环的摩擦加剧，而且收回活柱时，导向环经过中缸筒收缩量最大部位时，会挤碎聚甲醛导向环，而导向环失效会造成立柱的串液、划伤缸体等危害，失去其功能作用。

表1 中缸筒熔覆后收缩数据 mm

针对上述现象，熔覆前精镗内孔时应考虑熔覆收缩量，根据壁厚范围将内孔收缩量进行划定，如表 2 所列。以 ZY9000/15/32D 架型为例，其立柱中缸筒壁厚为 35 mm，根据表 2 查得熔覆收缩量为 0.11～ 0.13 mm，取中间值 0.12 mm。镗内孔时再增加上内孔收缩量，同样取 5 个中缸做试验，测得最终熔覆后电镀前尺寸完全在工艺要求公差范围内，试验结果如表 3 所列。

表2 缸筒壁厚与熔覆收缩量的对应关系 mm

表3 采取预收缩量加工后尺寸 mm

3 薄壁缸筒要考虑熔覆带来的缸口椭圆

缸筒熔覆会出现内孔收缩，导致缸筒内孔椭圆，这是因熔覆过程中缸筒受热不均而导致的。在熔覆过程中，缸筒做旋转运动，同时熔覆嘴在一定周期内步距移动，形成不间断螺旋形的熔覆焊道。缸筒受热和冷却不等的部位会发生椭圆现象，通常发生在缸口位置；同时，缸口要加工车削矩形螺纹和静密封配合面，加工后壁厚较厚的缸筒部位变薄，壁厚较薄的缸口部位椭圆度大。另外受其缺口效应的影响，缸口处发生椭圆的现象更加突出。笔者以此开展课题试验攻关，熔覆后测得缸口椭圆数据如表 4 所列。由表 4 可知，4 号中缸椭圆达到了 16.5 µm。

表4 中缸筒熔覆后椭圆数据 mm

缸口部位安装导向套，其椭圆导致静密封处漏液，甚至出现导向套安装不上的情况，需调整整体加工工序，以降低缸口椭圆。原缸筒加工工艺为：钢管下料—(镦粗)—热处理—粗车工艺斜—粗镗内孔—高温时效—精车工艺斜—精镗内孔—以内孔为基准车外圆架位—车缸口部位及缸底止口—内孔电镀—焊接中缸底—精修底阀孔倒角—双顶粗车外圆—精车缸体外圆至熔覆前尺寸及缸底密封部位—外圆熔覆加工至图纸要求。

经过理论研究与实践数据分析后，把“缸筒熔覆前外圆尺寸加工与熔覆外圆”工序放在“精镗内孔”后，同时增加粗车缸口工序，在粗车缸口时留取后期精加工余量。工序调整的好处是熔覆外圆导致的缸口椭圆，可由精加工缸口部位工序来弥补。

调整后整体工艺路线为：钢管下料—(镦粗)—热处理—粗车工艺斜—粗镗内孔—高温时效—精车工艺斜—精镗内孔—以内孔为基准粗车外圆—以内孔为基准精车熔覆前外圆尺寸—粗车缸口—熔覆加工外圆 (留取磨量)—精修架位—精车缸口部位及缸底止口—内孔电镀—焊接中缸底—精修底阀孔倒角—精车缸体活塞密封部位—磨削外圆。

同样取 5 个中缸按照调整后的工艺路线制作加工，其缸口椭圆数据记录如表 5 所列，由表 5 可知，缸口椭圆降到了图纸设计要求的 5 µm 以内，满足使用要求。

表5 工艺调整后中缸筒熔覆后椭圆数据 mm

4 制定合理的熔覆工艺台

中缸外圆要安装大导向套，导向套上安装导向环、活塞杆密封、防尘圈，安装过程中要防止尖锐异物及倒棱的磨损与划伤密封件，因此中缸在端头部位设计有R3 及 20°的倒角。

在熔覆过程中及熔覆加工后易出现的质量问题：一是熔覆质量不好出现熔渣；二是熔覆后加工R3 处出现露底的现象。其原因：一是在熔覆前，应加工出 2 mm 的熔覆工艺台，用来堆砌熔覆粉末；二是熔覆前，加工的工艺台应考虑R3 圆弧边界，在此基础上再减去单边 0.5 mm 的熔覆层。中缸熔覆倒角如图 2 所示，中缸熔覆倒角熔覆前加工尺寸如图 3 所示。

图2 中缸熔覆倒角

图3 中缸熔覆倒角熔覆前加工尺寸

5 结语

熔覆导致的缸筒内孔收缩和缸口椭圆是不可避免的，只能从优化熔覆工艺与制作工艺上降低二者带来的影响。在精镗内孔时考虑熔覆收缩量，以解决缸筒熔覆后出现的内孔尺寸超差现象；采取调整工艺工序的方法，在控制缸口椭圆问题上取得了较好效果；设置熔覆工艺台，解决了中缸端头熔覆质量与露底问题；而对于中缸筒熔覆后缸口椭圆较大的个别情况，可以采取压力机矫正的措施，来降低椭圆带来的影响。