大采高液压支架加工工艺技术研究

路 遥

（山西煤炭运销集团蒲县昊兴塬煤业有限公司， 山西 临汾 041000）

引言

大采高液压支架结构件强度和液压元件动态性能基本满足厚煤层工作面要求，但支架结构件本身是由高强板焊接而成，在井下承受冲击、腐蚀等恶劣工作条件，仍会出现结构件断裂和疲劳失效以及液压缸损坏等问题，进而影响支架可靠性和寿命[1-3]。而合理的加工、焊接与装配工艺是保证支架可靠性的重要手段。

1 大采高液压支架结构件制造技术与工艺

大采高液压支架结构件为钢板拼焊的箱型结构，加工过程中的焊接质量、平整度、加工精度等直接影响结构件的整体刚度和强度。对此，从钢板下料、坡口加工工艺以及焊接技术等方面保证加工质量。

1.1 结构件材料选择及下料工艺

根据液压支架各个部件的功能和受力情况不同，所采用钢材的牌号、厚度、成分等技术指标都不相同。ZY11000/28/63D型支架结构件板材中，Q800约占支架所用板材的3%，Q690约占支架所用板材的77%；Q550和Q460分别约占支架所用板材的15%和5%。而这些高强度钢板的轧制和焊接加工难度也增大，需对钢板预处理。在下料之前首先进行喷丸处理，该工艺中采用整板喷丸机对钢板进行整板喷丸。整板喷丸后钢材表面硬化，表面的灰尘、锈蚀、氧化皮等污物被去除，综合机械性能提升，同时预热所需时间缩短，钢板切割效率提高，并使焊缝中氢致裂纹、夹渣、气孔的诱因降至最低点。

钢板的切割质量直接关系到产品的尺寸、性能等重要的技术指标。手动和半自动切割钢板，切割面粗糙度、零件的几何尺寸精度及后续的零件加工质量和将来的拼装精度都不能得到较好的保证。为克服手动、半自动切割的不足，利用数控切割机对钢板整板排版下料，获得钢板最大限度利用率，下料件光洁度、直线度及下料尺寸精度等大大提高。

为了进一步提高零件的下料精度，降低零件的拼装间隙，下料完成后，需对零件的各关键部位进行刀检，如铰接部位、盖板部位、耳座、耳板以及加强筋等部位，可以有效降低零件的焊接变形。

1.2 坡口加工工艺

支架结构件为钢板拼焊箱型结构且为高强度厚钢板，角焊缝连接较多，且其焊接过程涉及到多层多道焊工艺。在焊接结构中，只有零件完全熔透才能保证结构件受力能够达到标准，增加承受载荷的截面积，减少焊缝根部裂纹。为保证焊接强度，对坡口的加工工艺提出了较高的要求。传统坡口加工工艺更多采用手动加工的办法，其加工效率较低，对于坡口的大小难以控制，坡口过小或过大均容易产生强度降低问题，而且无法实现曲线坡口的加工。因此，本文为保证坡口加工质量，采用专用坡口机器人与非线性半自动切割机床，实现普通坡口与曲线坡口的自动化加工。坡口机器人是在机器人的末轴装上火焰割枪，通过机器人控制系统进行编制机器人运动轨迹，带动燃烧的割枪对钢料进行3D切割坡口。如图1所示为不同切割方式的坡口切割工件。其中机器人所加工的坡口表面光洁，形位精度高，能够满足大采高综采工作面的工况需求。

图1 不同切割方式的坡口切割效果比较

2 大采高液压支架液压缸的加工工艺

立柱缸筒、活柱、活塞杆等的同轴度、表面处理精度以及各零部件间的装配质量也制约着支架整体性能。

2.1 立柱缸筒加工工艺

在本文中，支架采用的立柱缸筒为Ф400 mm，壁厚40 mm，而长度基本在2 000 mm至2 500 mm左右。考虑缸筒结构尺寸与原材料等方面因素，并防止因直径与壁厚比过高而导致的径向刚性变差等问题，采用“带锯下料→粗推内孔→调质处理→二次粗推内孔→定性处理→精推内孔→内孔刮削滚光→精加工缸口止口”的缸筒加工工艺，其主要工序包括下料、热处理、以及缸筒内孔与缸口止口的高精度加工。

1）下料。采用带锯下料，按照工艺院编制的《带锯下料工艺守则》执行。记录所用材料的供应厂家、批次、规格、材质，作为质量跟踪资料备查。

2）热处理。采用各类热处理炉及大型热处理池，完成调质、淬火（水淬、介质淬等）、热时效等工序。并通过各类温度控制仪器对热处理温度变化过程进行实时监测，确保工件的热处理性能。

3）内孔高精度、高效率加工。采用从瑞士善能（Sunnen）进口的卧式布磨机实现对缸筒内孔的高精度加工，如图2所示。其加工精度高IT8，能够充分保证内孔的尺寸精度与形位误差，有效提高加工表面的耐磨性与耐腐蚀性等性能，增加缸体的使用寿命。

图2 瑞士善能（Sunnen）卧式珩磨机

2.2 立柱活柱、活塞杆加工工艺

活柱与活塞杆的加工工艺流程类似，其工艺流程为带锯下料→锻造→粗加工→热处理调质→精加工→表面镀铜合金+硬铬。

为了防止活柱与活塞杆中常见的缺陷，如镀层脱落、缸口磨损以及表面损伤等，加工过程中，采取以下加工工艺：

1）在镀铬之前应对其进行去氢处理，以防止镀层起泡而脱落；所有活塞杆激光熔覆，解决镀层脱落问题；

2）镀铬区及密封面的磨削采用精密外圆磨床，通过粗磨与精磨两道工序，使其粗糙度低于Ra0.4μm，直线度及圆度均控制在0.05 mm以内；

3）对于活塞杆的深孔加工，应采用专用深孔加工设备，同时严格保证深孔的同轴度要求。

2.3 立柱、千斤顶焊接工艺

立柱、千斤顶焊缝必须保证焊接质量，满足设计对强度的要求。

1）焊前准备。液压支架液压缸管材材料为27SiMn、活塞杆材料为27SiMn或40Cr，焊接性能不是很好。为保证焊接质量，对27SiMn材质钢筒，焊接前应采用感应加热的方式进行局部预热（150～200℃）。

2）焊接材料。27SiMn材料属于中碳调制钢。其碳含量及Si含量较高，焊接受热时，材料表面极易出现热裂纹，为防止这一现象的产生，在选择焊接材料时应遵循等强匹配，选用CO2气体保护焊丝，确保焊接部位的韧性、塑性及强度，可以有效防止焊接部位裂纹的萌生与扩展。

3）焊接方法。为保证焊接质量及焊接强度，使用环焊缝自动焊接机对立柱、千斤顶进行富氩混合气体保护焊（80%Ar+20%CO2）的焊接。通过数控编程，焊接采用直径为Ф1.2 mm的实芯焊丝，采取MAG、多层多道焊接，在焊接过程中根据焊接层数的不同，调整喷嘴的高低，根据所焊工件调定焊接速度和焊接电流、焊接电压，完成全部焊接过程，严格控制层间温度，同时使用气动清渣锤清除层间焊渣。焊后采用保温棉缓解焊缝冷却时间，提高焊接件的焊接可靠性。

3 立柱立式装配工艺

立式装配更容易保证装配件的对中，使密封件不因装偏而损伤，且可解决活柱自身重量较重而下垂引起的装配时导向套和缸体密封面划伤问题。但实立式装配需要专用设备和大量装配工装，而且装配效率较低。为保证大采高支架的高品质，采用我国自主研发制造的立柱立式装缸—上帽机，如图3所示，该装备可满足缸径230～500 mm、装配高度≤5 000 mm的立柱装配；采用全液压驱动；与相应的工装配合可实现工件的自动定位，保证装配件的对中，使密封件不因装偏而损伤；通过变频器控制油泵流量来限制马达转速，根据装配立柱缸径将转速分档，实现拧紧导向套时转速的精确控制，保证密封件对装配速度要求的有效控制，提高了立柱装配质量。

图3 立式装缸机

5 结论

1）利用可编程数控机床进行排版下料，大大提高了板材利用率，改善了加工效果；

2）采用半自动以及自动切割机床突破了坡口加工难题；

3）为解决大采高液压支架大缸径及大尺寸引起的缸孔形位精度和几何尺寸精度难以控制问题提出刮削、滚光联合加工方法；

4）并采用立柱立式装缸—上帽机完成立柱装配，提高了立柱装配质量，从而提高了大采高支架的制造可靠性。