悬浮活柱外圆滚压加工及其影响因素的分析

姚君立，姚亚伟

（1.兖矿集团唐村实业有限公司，山东 济宁 273522；2.兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，山东 济宁 273522）

1 现状分析

DWX悬浮式单体液压支柱系列产品，是高档机械化普采工作面的配套设备，也是综采工作面的端头支护设备。其适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头顶板支护，凭借其承载能力大、抗偏载能力强、工作行程大、无环形焊缝、质量轻等优点，可应用于薄煤层、中厚煤层及厚煤层工作面，逐步得到了市场的认可。但在使用过程中，产品会出现活柱外露表面出现针孔样锈蚀点，在炮采工作面使用时活柱表面易损伤，增加了使用单位的维修成本，给悬浮单体液压支柱的推广造成很大的阻力。因为悬浮支柱的核心技术就在活柱的表面质量上，它主要是靠活柱表面和手把阀体的D形圈形成密封面支撑顶板，活柱表面一旦出现锈蚀点就会造成漏液现象，给煤矿井下生产带来安全隐患。

2 研究与实践过程

要想降低悬浮活柱的表面粗糙度值，可采用无心磨加沙袋磨的方法，虽然活柱表面粗糙度值有所降低，但是还不能从根本上解决活柱外圆的表面质量问题。因此，对生产工艺进行改进，采用外圆滚压加工技术。

图1 滚压加工原理图

2.1 外圆滚压加工概述

外圆滚压加工是冷加工方法之一，是一种无切屑加工，利用经过淬火的滚轮或滚珠，在常温状态下对悬浮活柱表面强行滚压，使活柱表面产生弹性和塑性变形，表层的凸起部分向下压，凹下部分向上挤，逐渐将前工序留下的波峰压平，改变凹凸不平的分布状况，降低了活柱表面粗糙度值；同时，它还能使活柱表面产生硬化层和残余压应力，因此，提高了活柱的承载能力、疲劳强度、耐磨性和耐腐蚀性能。滚压加工原理图如图1所示。

2.2 活柱表面滚压加工影响因素分析

在滚压加工过程中影响加工质量的因素很多，对主要影响因素的分析如下。

2.2.1 活柱表面预留滚压余量的影响

活柱预留滚压余量对滚压加工后的表面粗糙度影响非常大，悬浮活柱的材质为27SiMn，大量实验表明，当滚压加工余量在0.01～0.02 mm时，滚压加工后活柱表面仍残留少量较浅车削后的刀痕，当滚压加工余量在0.021～0.035 mm时，滚压加工后活柱表面的粗糙度值明显降低，活柱表面无刀痕，光洁度非常好。当滚压加工余量在0.04～0.06 mm时，滚压加工后活柱表面的粗糙度值明显升高，活柱表面出现波纹，甚至鱼鳞状凸起。通过实验比较，我们确定最优滚压余量为0.021～0.035 mm。

2.2.2 进给量的影响

进给量也是关系滚压质量的重要工艺参数，进给量大小直接影响活柱的表面质量和生产效率。进给量＞0.7 mm/r时，活柱表面粗糙度数值增高；进给量＜0.4 mm/r时，活柱表面需要多次滚压，容易产生疲劳裂纹甚至粘刀现象，这也会降低滚压质量。所以，进给量过大或是过小都达不到预期效果，活柱的进给量选择0.5～0.6 mm/r比较合适。

2.2.3 滚压速度的影响

滚压速度对活柱表面质量影响不大，主要影响生产效率。因此，在条件允许的情况下，可采用提高滚压速度来提高滚压的效率，经过实验，我们选择滚压速度为80～150 mm/min。

2.2.4 滚压次数的影响

滚压次数与活柱表面质量关系密切，同时也关系到生产效率。一般应在保证质量的前提下，尽量减少滚压次数。实践证明，活柱在第一次滚压后，表面粗糙度值显著降低，第二次滚时，活柱的表面粗糙度值变化不大，滚压次数过多时，活柱表面会引起微小裂纹或发生起皮现象，表面粗糙度反而变坏。使密封圈更容易磨损，所以，滚压次数1次最好。

2.2.5 活柱原始条件的影响

活柱的原始表面质量（半精车后）的情况对滚压质量有很大影响。滚压表面精度主要取决于活柱原始表面情况。一般刚性滚压工具只能提高原始精度5%～10%，因此，活柱滚压前应达到图纸要求的几何精度，表面粗糙度为Ra 3.2，为了达到这个数值，我们在车床加工活柱时主要采用了以下加工工艺：①调质处理。Ф99×9无缝钢管按要求长度下料后要进行调质处理，检查其活柱硬度要达到HB270～310。②校直。由于悬浮活柱长度一般在1 560～2 443 mm，中频调制后容易弯曲。它直接影响到粗车和半精车的顺利进行及加工后的活柱直线度。所以，调质后活柱要进行校直处理，校直后毛坯全长圆跳动在1.0 mm以下才能达到要求。③粗车。三爪卡盘采用双顶尖装夹，尾座是死顶尖，三爪卡盘端是内装弹簧的活顶尖。这样活柱受热后可以自由伸长，减少受热弯曲变形。车削时采用反向进给车削，也就是从床头往床尾方向车削。在此情况下，轴向切削分力与正走刀相反，使活柱切削时承受了轴向拉力，可以减小活柱车削时产生的振动和弯曲变形。跟刀架我们采用三爪跟刀架，三爪跟刀架底部的支撑爪可以控制活柱因重力产生的变形，这种变形是引起活柱加工时振动的主要原因。支承爪的材料我们选用铜爪，因为铜爪材质软不会损伤活柱表面。安装后要检查支承爪与活柱的接触位置及接触面积，接触位置应为铜质支撑爪的轴线上，支承爪伸出长度应小于跟刀架内孔配合长度的1/2，支承爪与活柱全接触，而且支撑爪的圆弧半径应与活柱圆弧一致。车削时活柱受热伸长比较严重，容易引起弯曲变形和振动。即使采用弹簧顶尖也要随时注意尾座顶尖的松紧程度，大约走刀长度1 000 mm时就需要检查1次，以防止活柱由于产生轴向热伸长引起的弯曲变形。粗车活柱Φ96外圆时，为了提高生产效率我们选用YT15车刀，前角为10°～15°的车刀，这种车刀比较锋利。在车削时我们总希望尽量减少径向力，减小弯曲变形，所以选择主偏角为75°左偏刀较为合适，同时，刀头强度也较好。刃倾角为3°左右，能够防止铁销嵌入跟刀架和活柱的缝隙里。刀尖的圆弧半径为0.3～0.5 mm，可以增加刀尖强度。切削用量的选择为转速n=300～400 r/min比较合适，转速过高会产生振动，转速过低影响生产效率。④半精车。由于活柱滚压加工对外表面的质量要求较高、活柱毛坯加工余量较大，所以，粗车后要对活柱进行半精车加工。活柱粗车后选用新刀片进行半精车，切削深度为0.5 mm左右，留滚压余量为0.02～0.03 mm。进给量f=0.2～0.3 mm/r，表面粗糙度达到Ra3.2.

2.2.6 切削液

滚压时要添加足量的清洁的乳化油作冷却润滑液，并把待滚压活柱表面清洁干净，以免影响滚压质量。选择切削液可以降低被滚压活柱表面粗糙度值，减少滚压力和机床功率消耗，提高滚压工具的寿命，减少活柱的热变形。经过以上几个工序，活柱的外表面尺寸即可达标。

3 效果验证

滚压加工后，活柱外表面尺寸能够达到Ф96-0.072-0.126，表面粗糙度达到Ra0.4～Ra0.2，表面硬度可提高10%～25%，耐磨性可提高10%左右，由于表面粗糙度提高，其耐腐蚀性能也相应提高。

3.1 社会效益

一直以来，悬浮活柱表面质量的研究在使用寿命上都没有很大的突破，致使国内很多悬浮单体生产厂家放弃了对悬浮支柱的生产。我厂对悬浮活柱表面质量的研究取得了阶段性成果，其优异的质量、超长的使用寿命，填补了国内同行业悬浮活柱表面质量的空白，社会效益明显。

3.2 经济效益

悬浮活柱表面质量提高后，在兴隆矿和济二矿进行的工业性试验取得了可喜成果，尤其是2009年悬浮单体支柱活柱质量的提高和改进型悬浮单体支柱的问世为悬浮支柱的推广增加了砝码。2009年至今悬浮支柱正逐步取代普通支柱成为市场的主导产品，每年回访客户，都反映悬浮活柱改进工艺后使用情况非常好，井下使用寿命比原来延长1倍。活柱表面质量提高后陆续为我厂创收530万元左右。