国产高端液压支架制造工艺方案之探究

陈铁军

摘 要：通过对液压支架加工制造过程中对材料选择及焊接性能分析和对比，找出适合制造液压支架的材料、及加工工艺及方案。

关键词：液压支架；制造工艺；焊接特性。

概述

我国高产高效新型煤矿早期使用的高端液压支架主要是使用美国JOY公司及德国DBT公司生产的设备，产品性能及质量处于世界先进水平，但其高昂的价格及后期生产使用维护费用也让人咂舌，国内支架制造业产品价格与国外同行业的价格差异达到2～3倍，为此国内煤机行业开始进行国产化探索、纷纷开始研制。当时Z厂主要根据借鉴德国D公司支架的结构性能进行仿制，开发了国产高端支架并制定了生产制造工艺，同时委托国内特钢厂研制开发和生产液压支架的专用钢材，与S公司签订合同进行了批量生产；在随后的井下工作面现场使用及随后的不断改进中逐步占领了国内大部分市场份额。本人作为这类支架是使用维修单位技术人员及驻厂监造工程师，经历了设备制造厂的产品开发研制、大修及生产制造监理过程，对应用支架加工工艺方案进行总结和探索。本文主要针对高端支架结构部分进行论述，电液控制系统方面没有进行论述。

1.焊接结构件的工艺

1.1结构件材料的选择

1）焊接工艺的制定取决于材料的化学成份，力学性能及焊接结构形式。

2）主筋板选用Z向性能钢。

1.2钢板采购必须严格按制造厂与钢厂签定的技术协议执行 ，不得随意变动。

1.3从材料板型看，德国D公司支架材料板型较平整，优于国产板。国标GB709规定σs≤460MPa时，钢板平面度≤8/1000；σs>460MPa时，钢板平面度≤12/1000。为此要求物资采购部门将顶板、底板、侧护板等按设计平面度要求定尺采购 ，定尺钢板平面度不大于4‰ 。

1.4钢材进厂须经过质量管理部门（下称质量部）按技术要求验收合格方可入库使用，并建立档案记录。

2.铆工工艺过程控制

2.1钢板表面抛丸处理，必须去除氧化皮、油污及其他杂物，达到Ra2.5以上级别。

1）厚板下料时选用9M或6M数控切割机和光电跟踪切割机，薄板下料时选用剪板机，平板机或压力机矫正，弯曲成形件选用合适吨位的油压机在胎具上进行冷弯或热煨，制作样板检验，主筋板、耳板的底边留刀检量进行机加工，依此作为后续加工的基准。

2）坡口采用加工方法，不得已时采用手工开坡口，清净熔渣，打磨至表面呈金属光泽.结构件铰接部位的横筋板采用机加工的方法，保证零件尺寸公差要求，为拼焊做好准备。

上述工序均作首件检验、过程中检验、完工检验。

2.2拼装时划线公差+1.0mm，手工划线宽度不大于0.5mm.

2.3 ≤100mm厚钢板切割面偏斜度1mm。方板下料菱形度不大于1.5mm。≤16mm厚钢板切割面偏斜度0.4mm。≤20mm厚钢板切割面偏斜度1mm

2.4剪切板料切断面上，不应有深度大于1mm的刻痕和高度超过0.5mm的毛刺。

2.5气割尽量采用机械气割下料，以保证切割质量，切割表面不得出现塌角、间断或连续的熔点和熔化的条状物，看不到熔化状况。

2.6 隔板机械加工后拼焊，以保证焊缝拼装间隙小于2mm。拼装间隙保证控制在0-2mm以内。

2.7铆工装配时检查零件的下料质量，按照生产图纸、焊接工艺的要求，在装配平台上划线装配或使用拼装芯轴和定位胎具，保证装配间隙，使装配产生的拘束应力降到最小。易变形处增加辅助支撑，辅助支承不可敲掉，只限磨掉或高出实际工件一定距离切掉，余下的部分磨掉。为防止变形，允许点固拉筋，焊后应清除并修磨平整。

2.8定位焊用焊条选用冲击韧性好的低氢碱性焊条，应符合GB5118的规定，烘干后方可使用。当定位焊缝出现裂纹时，必须清除，重新焊接定位焊缝。

3.焊接过程的控制

3.1所有焊工须通过职业技能鉴定，达到中级工以上水平，持有的焊工资格证书处于有效期内。上岗前经过安全教育、产品知识、工艺知识及焊接理论培训。

3.2焊接材料的选择

1）焊接材料的选择原则为：

焊缝金属的抗拉强度不低于母材抗拉强度；综合机械性能满足设计要求，充分考虑焊缝的塑性、韧性、抗裂性；从焊接结构、受力情况考虑拘束应力的影响；异种钢焊接按较低强度钢选择焊接材料。

2）焊接材料进厂时质量保证书应完整、清楚，并加盖有生产 单位公章。焊条、焊丝无锈蚀、油污、破损等现象。保护气体纯度达到国标技术要求，各项理化性能复检结果符合厂标、国标、产品技术要求的规定，然后按我公司的有关规定入库、保管、发放。

3.3焊接方法的选择

支架构件焊接选用CO2混合气体保护焊，从而提高电弧的稳定性和改善焊缝成形。

3.4焊接设备的选择

焊接设备选用现有的CO2气体保护焊。

3.5焊接参数的选定

1）從支架使用的低合金高强钢材料看，强度高、含碳量较高、淬硬倾向大、为此，要规定热输入范围。低合金高强钢焊接时热影响区被加热到1100℃的粗晶区及加热到700～800℃的不完全相变区是焊接区的两个薄弱区，焊接热输入过大，粗晶区因晶粒严重长大而降低韧性，焊接热输入过小，粗晶区组织中马氏体比例增加而降低韧性。支架焊接中严格控制焊接线能量输入，减少母材碳及合金元素渗入，从而保证焊缝熔敷金属塑性、韧性、抗裂性。

2）预热、层间温度的控制

预热可以有效减缓焊件焊后冷却速度，延长在800～500℃的冷却时间，从而减少热影响区淬硬马氏体的产生，降低热影响区的硬度，同时，预热可以改善接头组织，有助于氢从焊接接头的逸出。因此，预热是降低低合金高强钢焊接裂纹的有效措施。预热温度的确定，异种材料的焊接，预热温度及层间温度以较高预热温度的材料为准。预热温度为100～150℃，要求连续施焊，保证层间温度不低于预热温度最低值。可采用石棉板保温。要求检验人员在施焊前及施焊过程中不定期检验预热温度、层间温度，达不到要求从新预热。同时也要防止层间温度过高，层间温度500℃以上时不要施焊。

3）焊接操作

A、引弧、收弧时易产生焊接缺陷。引弧时焊丝伸出长度为10mm，防止过长引起的爆断，在定位焊焊缝上引弧，采用间断灭弧法或回焊法收弧，填满弧坑，减少因低熔点共晶体的聚集产生的弧坑裂纹（热裂纹）。焊接时根据焊接位置、装配间隙和熔合情况即时调整焊枪倾角及摆动幅度，避免焊接过程中发生液态金属超前流动造成的假焊现象。焊丝端部始终在熔池前半部燃烧，焊丝不能脱离熔池。控制焊接速度，严禁风扇直吹焊接工作区，以免空气侵入电弧和熔池，防止产生夹渣、咬边等焊接缺陷

B、焊接应采用多层（窄焊道）技术，即多层多道焊。促成较好的组织结构和韧性。多层多道焊接是许多单层热循环相继作用，前一条焊道对后一条焊道有预热作用，后一条焊道对前一道焊道有热处理的作用，因此显微组织细，热影响区窄，接头的塑性、韧性好。多层多道焊还可减少焊接应力，因此提高了焊接质量。

焊接时不允许摆动。横摆焊接很容易产生很难控制的大的焊接区，发生诸如，熔化不充分、夹渣和气孔等缺陷，在个别横摆焊接不能避免的垂直焊接时，每单个焊道应该进行薄而宽的焊接。

对接焊缝必须采用拖拉法，以提高穿透避免未熔合，不允许在焊缝以外起弧，意外的起弧点须磨掉并检查有无裂纹。

C、焊接顺序

为保证焊件低应力和低变形，制定焊接顺序图，焊前均要进行打底焊。

焊接顺序：从焊道中部或工件中部开始向外焊，在全封闭（如环缝时）打底焊和第一道填充焊道不能焊成全圆以避免高的收缩应力导致开裂，应至少分成两半焊接，且方向相反。所有焊缝必须首尾相接形成闭环。主筋板与盖板之间的焊缝必须压过盖板坡口斜边和主筋的垂直边。

D、塞焊缝的焊接，焊枪必须对着盖板与隔板交接缝处沿周边焊成环缝，并形成角焊缝后，再填平整个焊缝。对于盖板塞焊孔与隔板间隙过大时必须在隔板旁贴一衬板以保证塞焊缝质量。

E、焊后热处理

焊后热处理可以消除或降低结构的焊接残余应力，降低焊接区的硬度，稳定结构的尺寸，同时能改善接头的金相组织，提高接头的综合机械性能，促使残余氢逸出。从而提高焊缝综合机械性能。结构件焊后应及时热处理，以提高焊后热处理效果。

4.千斤顶工艺方案

千斤顶主要由缸筒、活塞杆、导向套、活塞等零件组成。这些件是液压缸的关键件，它们加工质量的好坏直接影响到液压缸的密封性，动作灵活性及外载荷的受力和寿命。其配合表面粗造度、尺寸精度、形位公差是加工质量的关键。

4.1缸体加工的保证措施

1）所有缸体加工，采用带锯下料→热处理调质→粗镗内孔→加工外圆→表面磷化→涂底漆→精镗滚压复合加工内孔→加工止口。精度、内表面粗糙度保证设计要求。对于缸筒的止口部分均在数控车床上加工，保证零件精度和同轴度达图纸要求。

外缸筒横截面由外向内硬度分布 （缸筒壁厚32mm）

2）为了确保缸筒内孔的粗糙度要求，更换精镗滚压设备中液压系统的切削液，确保切削液的清洁度。

3）由于国产的钢管毛料误差大，壁厚不均匀，最后反映在缸筒上的效果就是工艺基准中心架窝与缸筒外圆偏差大，影响外观。为此需要在这套支架上采取增加一道工序，即缸筒粗镗内孔后以孔为基准将缸筒外圆通体车一刀，以保证缸筒壁厚的均匀性。

5）缸体外圆加工后油漆的附着力受影响。为了解决这个问题，我们增加一道表面中温锌盐磷化处理工序，并采用附着力、防腐性能和漆面强度都很高的环氧底漆和中途漆，面漆选用光泽度较好的醇酸磁漆，来提高油漆的外观质量。

4.2导向套及见盘套类的加工保证措施

毛坯选用带锯下料件或模锻件，采用粗加工→热处理调质→精加工→表面镀Ni—P合金工艺工艺方案。精加工全都在数控机床上加工，精车时所有内外圆配合面和密封槽要求一刀下，机床性能可靠，保证零件的形位公差和尺寸精度要求。加工零件精度保证IT8级以上。

4.3活柱、活塞杆的加工保证措施

采用带锯下料→粗加工→热处理调质→精加工→表面镀铜锡合金+硬铬工艺方案。活柱、活塞杆的密封槽或连接活塞的尺寸精加工全都在数控机床上进行，密封面的磨削在精密外园磨床上分粗磨—精磨工序，粗糙度保证Ra0.4，直线度、园度在0.05mm以下。

5.结构件的加工工艺方案

5.1护帮板、侧护板等结构件的铰接孔采用耳板孔单件干成→芯轴拼焊成结构件；主要结构件的千斤顶铰接孔也采用耳板孔单件干成→芯轴拼焊成。

5.2为减小焊接变形，顶梁、掩护梁、底座结构件各铰接孔周围的隔筋板采用增加刀检宽度尺寸工序，保证零件尺寸公差要求，为拼焊做好准备，控制结构件铰接部位的变形量。

5.3顶梁、底座、掩护梁、前后连杆结构件的孔系采用整体加工

主要结构件的所有铰接孔在主筋板上采取预割→预镗留余量→用拼装芯轴和定位胎具拼焊成型→焊后低温回火时效处理→整体镗孔系尺寸达图纸要求。

5.4顶梁、底座、掩护梁等主要结构件主筋板高度控制在正差。

5.5铰接销轴、撑杆、导杆、小销轴类的工艺方案

1） 销轴外圆有孔的轴类加工路线为：

带锯下料→机加工→热处理淬火→表面抛丸（或表面酸铣）→表面镀锌钝化。

2）销轴外圆无孔的轴类加工路线为

带锯下料→粗加工→热处理淬火→精加工→表面镀锌钝化。

6.支架的外观油漆方案

为保证外观质量和油漆附着力，采用了环氧底漆和面漆。

6.1底漆：选用铁红环氧底漆，涂一遍。中途漆：为白色环氧厚浆型，喷涂一遍。 面漆：选用白色聚氨脂防腐面漆喷涂两遍。

6.2制定《支架油漆作业指导书》

7.支架装配工艺保证措施

液压系统工作介质-乳化体的清洁度关系到支架液压系统的安全性和可靠性，因此，液压污染控制是十分重要的问题。需要将采取液压污染控制技术和管理措施，使千斤顶的清洁度不低于规定的标准。为此我们首先要进一步改善千斤顶安装工区的生产作业环境。

7.1千斤頂装配工区防止油漆以及空气污染。②配置油缸循环冲洗的过滤清洗装置。

7.2配置管路系统清洗过滤装置，使安装车间所有进支架操纵阀前的管路系统清洗干净达要求。

7.3更换加热清洗的过滤器使清洗达标。保证支架液压系统工作的可靠性和元件的使用寿命，充分发挥设备效能。技术工艺部门编制了《千斤顶装配工艺作业指导书》、《支架装配工艺作业指导书》用于指导支架组装后的应达到的整体工作性能。

8.建立备件供应手册

借鉴国外先进企业的备件体系，所有设备的每个零件都有一个唯一的件号，并且在不同设备上使用时，只要件号相同就可以互换。在给用户提供的备件手册中，全部用图文方式一一指出。这样做有利于企业产品设计中充分利用成熟的零件，一方面减少了设计风险，另一方面降低了加工成本。同时，因为给用户提供了所有零件件号，用户在需要购置时，只需要按照件号即可进行采购，利于用户向设备原制造商采购备件，也就为企业带来了更多的订单。

9.结束语

实践证明，选择合理的控制支架加工制造工艺，应用适当的工艺参数和技术要求，焊接后的焊缝避免产生裂纹和脆化现象，大大提高了设备的使用寿命，对保证设备按期交付和煤机的安全运行起到了积极有效的作用，此国产化给制造厂带来了可观的经济效益和社会效益，提高了整机的使用可靠性和可维护性，极大的降低了设备使用单位的设备采购及维护成本。