TAY系列液压凿岩机制造工艺的处理措施

金钟

(天水风动机械股份有限公司，甘肃 天水 741020)

TAY系列液压凿岩机是天水风动机械股份有限公司研发的产品。早在上世纪八十年代，本公司的前身天水风动工具厂就研制成功了YYGJ145型液压凿岩机，并配用于本厂生产的产品CYTJ12.3型三臂全液压钻车上。上世纪九十年代至本世纪初，液压凿岩机的生产与研制处于停滞状态。近年来，随着我国对机械工业提出的产业结构调整和转型升级的发展要求，以及我国政府《中国制造2025》的实施，液压凿岩机作为技术含量密集的凿岩机械设备中的关键部件，其研发与生产得到了公司的高度重视，并投入了大量的人力物力，研发了TAY系列液压凿岩机等一批导轨式液压凿岩机类新产品。

液压凿岩机以液压油为动力，工作压力可达20 MPa，气动凿岩机的工作气压为0.63 MPa，因而液压凿岩机的凿孔速度可达气动凿岩机的数倍乃至十倍以上。液压凿岩机由于工作压力高，因而产品单位重量输出冲击功率也比传统的气动凿岩机高出很多。气动凿岩机大量应用于人力扶持的手持式或气腿式产品，安装在钻车、钻架等凿岩设备上的导轨式凿岩机，气动产品只有寥寥数种，而且输出的冲击功率都不大。随着液压凿岩机的技术进步与产品生产制造技术的日益成熟，自行式钻车等高效凿岩设备已完全淘汰了气动导轨式凿岩机。只有施工条件特殊、对工程进度要求较低的钻架类产品，还能见到气动导轨式凿岩机的影子。液压凿岩机相比气动凿岩机还有一个巨大优势，就是容易实现对其凿岩作业的控制。随着多功能液压凿岩钻车及自动化凿岩机器人的发展与普及,为导轨式液压凿岩机提供了更加广阔的使用空间。尤其在一些大型水电、矿山等大断面的岩石掘进开挖工程中，液压凿岩机呈现出越来越不可或缺的重要作用。

受限于我国的基础工业水平与国外发达国家的差距,尤其是在材料科学、关键制造装备跟国际先进水平相比明显落后，国产液压凿岩机产品在可靠性、使用寿命、整机稳定性方面要逊色国际知名品牌。加上我国参与液压凿岩机研制的高等院校、科研机构偏重于理论研究成果，甚至一些从事凿岩设备制造的企业也只是将液压凿岩机的研发当做提升企业名誉的一种手段，只注重新产品科技成果能否顺利通过鉴定以及获得政府部门的科技成果奖励，而对已经获得荣誉产品的后续批量生产中所存在问题的解决、相关配套生产工艺的完善、以及市场化的推广宣传、对用户的精准及时服务乃至客户意见的反馈等一系列问题的处理上都相当乏力，以至于国内研制鉴定的液压凿岩机型号较多,但是形成量产、性能稳定、经济适用及先进可靠、用户认可的产品却不多,特别是重型液压凿岩机就更少了。目前为止，国内产品质量性能稳定、基本能满足客户使用要求的液压凿岩机产品，只相当于国际知名公司阿特拉斯三十年前的COP1238型液压凿岩机的水平，产品冲击能在12kW左右。相当于该公司二十年前推出的，冲击能在18 kW左右的COP1838水平的液压凿岩机，我国虽也有一些公司生产，但质量过关、性能稳定、能满足用户使用的却寥寥无几。而目前阿特拉斯公司已推出了冲击能达到50kW的大功率液压凿岩机。这样的大功率凿岩机，不仅要解决机器本身的强度问题，还要解决钎具保护、配用设备上推进器、钻臂等支撑部件反冲力如何缓冲分化的问题。如果我们不及时跟进国际先进技术，那我们的产品技术水平将离国际前沿技术越来越远，市场上民族产品将更加难有一席之地。鉴于这样迫切的市场形式，近年来，借助于我国基础工业实力的不断增强和科技水平的不断进步、以及研发制造能力的不断提升，国内许多企业相继研发生产出了多种型号的液压凿岩机。我公司也适时地研发了TAY136、TAY138系列型号的液压凿岩机。产品在生产和使用中遇到过不少问题，现将其中几种常见的问题介绍如下。

1 冲击活塞

冲击活塞是液压凿岩机中主要传递冲击能量的关键零件。如图1所示，液压油推动活塞向前运动，从而将液压油的能量转化为活塞的动能。活塞从液压油获得的能量又以应力波的形式，通过钎尾、钎杆和钻头传递到岩石。应力波能量的传递效率与冲击活塞的形状有关，活塞直径越接近钎尾的直径，且在总长度上直径变化越小，活塞传递到钎尾、钎杆的效率就越高、能量损失也就越小。从而能保证更多的冲击能传递到岩石，对岩石进行破碎，而不是损耗在活塞、钎杆、钎头之间，对这些零部件产生疲劳损伤，从而有利于提高钎尾、钎杆寿命，同时提高能量传递效率。

本公司产品 YYG145B、TAY136、TAY138 等型号的液压凿岩机，采用前后油室交替进、回油的结构，冲击活塞断面变化小且外形细长，冲击端面积与钎尾（杆）的截面面积相近，是比较理想的液压凿岩机活塞形状（见图2）。

图1 液压凿岩机解剖图

图2 液压凿岩机活塞

这样的活塞具有结构简单、符合活塞高效传递冲击应力波的理想结构要求，但这种结构长径比过大，属于中空细长轴类零件，刚性较差。活塞在制造时，为了保证加工精度，在车削时先要进行粗车，然后再精车以及磨削，这样的加工工艺容易达到设计要求。为了使活塞具有良好的切削加工性能，同时满足活塞的高强度要求、增加表面耐磨性和耐腐蚀性，需要对活塞毛坯进行热处理强化，热处理期间由于处理不当，出现了如下问题：

（1）部分零件出现纵向裂纹而报废 （见图3）。由于液压凿岩机的活塞在工作过程中要承受高强度的每秒几十次、乃至上百次的交变应力，如果活塞毛坯存在裂纹缺陷，哪怕是很小的裂纹，都会随着不断承受应力波冲击而迅速扩展，造成活塞基体的撕裂剥落乃至断裂，从而严重影响其工作寿命。存在如此缺陷的零件一般没有使用上的经济性，有此种缺陷的毛坯件，只能报废处理。

（2）有些零件在软氮化处理中，出现了不应有的弯曲变形。如有的零件在经过软氮化处理后，图1中尺寸为准44的圆柱面相对基准A-B、C-D的跳动为0.05～0.11 mm，达不到图纸中0.025mm的要求；活塞打击端面跳动也有一部分零件超差，达不到设计要求。

图3 零件在热处理过程中出现裂纹

（3）液压凿岩机在施工现场进行工业试验时，活塞出现非正常损坏问题。主要是活塞的打击端面掉渣现象(见图 4 中（a）和（b）)。

（4）活塞导承密封处磨损或划伤（见图5）。

（5）液压凿岩机在工业试验时有的活塞断裂（见图 6）。

针对凿岩机活塞出现的问题，经过分析研究采取了以下的处理方法：

（1）针对出现纵向裂纹问题，调整了热处理的工艺流程，进一步严格了工艺纪律。该问题的出现，主要还是对热处理的工艺流程执行不到位所致。采取了针对性的措施后。基本上杜绝了该问题的再次发生。

（2）经分析，活塞的变形问题，是没有针对活塞的尺寸结构特点而采取应有的特定热处理保障措施所致。一般对零件进行热处理时，在加热阶段都是将零件平放在加热炉内。在冷却时也是将零件横位放进冷却液中。这对一般零件来说不会产生多大问题。但对于结构细长的活塞，却能引起零件变形以致超过了图纸要求。针对活塞热处理中的特殊问题，工艺人员设计了专用挂具，使活塞可竖放在加热炉中进行加热，还可以在冷却时竖立浸入到冷却液中。经过改进热处理工艺，保证了活塞的变形控制在设计要求的范围之内，端面跳动和准44圆柱面相对基准A-B、C-D的跳动，也达到了图纸中的公差要求。

图4 活塞在使用中出现掉渣现象

图5 液压凿岩机导承处磨损

图6 活塞断裂

（3）活塞打击端面掉渣、断裂问题，经分析研究属于热处理不当、活塞与钎尾硬度不匹配所致。通过调整热处理工艺、调配活塞与钎尾的材料等方法，基本解决了活塞的掉渣、断裂问题。

（4）活塞导承密封圈处磨损问题，经分析判断确认是液压油中有杂质，或者杂质从凿岩机外部进入到冲击活塞密封面和缸体内承载活塞运动的前、后导套之间造成的。及时更换液压系统中的滤芯，尤其是在维护过程中严格避免杂质污染，有效减少了活塞导承处的磨损问题。

2 缓冲活塞

缓冲活塞是液压凿岩机机体在凿岩过程中吸收钎尾反弹能量的缓冲机构中的一个关键零件，其形状如图7所示。

图7 液压凿岩机的缓冲活塞

缓冲活塞在液压凿岩机中的作用是：凿岩机在凿岩过程中钎具冲击岩石时，岩石对钎具的反弹通过冲击波的形式反弹到钎尾，钎尾产生的反弹，经钎尾花键后端面传给钎尾套，钎尾套又将冲击波再传给缓冲活塞。缓冲活塞的大、小圆柱面与中间体之间充满液压油，液压油与缓冲蓄能器相通,因而液压油可将缓冲活塞所受到的冲击波能量通过蓄能器橡胶隔膜传递到氮气腔，压缩氮气转换为压缩能，即通过氮气压力的提升起到吸能和缓冲作用，从而将岩石反弹到钎具，钎具又将应力波传递到液压凿岩机的冲击能量进行吸收，从而避免了反弹能量对液压凿岩机以及钎具的损伤，有利于提高凿岩机和钎杆的寿命。

缓冲活塞结构并不复杂，属套类零件。缓冲活塞的材料一般选用40CrNiMo,热处理工艺一般是将原材料调质到硬度HB 270～310，然后机加工至图纸尺寸，在此基础上再气体软氮化至表面硬度HVmin500。该零件在制造过程中发生的主要问题是：产品机加工完成后进行淡化处理，在氮化完成后图8中准70 mm、准80 mm两外圆尺寸都有稍微涨大的现象。工作人员在缓冲活塞氮化处理前对6件零件进行了标记，氮化处理完成后对其进行了相应的检查。氮化前后的尺寸测量结果如表1所示。

表1 缓冲活塞氮化处理前后的尺寸变化情况

对比分析，基本上可以得出以下结论：准70 mm尺寸一般涨大0.01～0.02mm、准80 mm尺寸一般涨大0.015～0.025mm。

尺寸涨大的后果是缓冲活塞装配困难，大端面也更容易被钎尾套磨损而报废。根据对上述问题的分析结论，对加工工艺做了调整，主要是通过磨削两个外圆时补偿热处理的涨量，使最终的零件尺寸合乎要求，从而使缓冲活塞达到了应有的使用寿命。

3 油缸体

油缸体是液压凿岩机的主要零件，其形状如图8所示。

油缸体在液压凿岩机中属于体积和重量都较大的零件。该零件结构比较复杂。油缸体上包含有安装液压阀的孔路、容纳凿岩机活塞往复运动的通道、安装能够调节活塞的冲击行程的调节塞的孔，以及螺栓连接孔和与前后零件结合的面、与支撑凿岩机在推进器上运行的滑板的结合面等。尤其是与活塞、前后零部件配合部分，其尺寸精度、圆柱度、同轴度、甚至是表面粗糙度，每一项尺寸公差、形位公差、表面质量要求都非常严苛。此外油缸体上还有许多油路孔道和诸多油槽，常用机加工设备不仅加工难度很大，质量也难以保证。本公司液压凿岩机研发初期，由于产品批量小，以及研发周期进度所限，只能委派机加工经验丰富的技师靠自己的能力来完成该零件的加工。尽管制造人员付出了巨大的努力，依然存在这样那样的问题，而且故障原因难以判定，发现问题也不容易解决。产品生产中的各种挫折，促使本公司下定决心，花大力气制造了许多专用的工艺装备来保证零件的加工，对机加工设备也进行了升级换代，如将部分普通机床更新为数控设备。对以前工艺不够完善、造成产品整机出厂检验或现场试验过程中活塞行程调节孔、前油腔油孔、泄油孔和推阀孔等处出现渗油漏油的油路工艺孔道的堵焊问题，也通过工艺改进措施彻底得到了整治。

图8 液压凿岩机的油缸体

4 柄体

柄体位于液压凿岩机的尾部，形状如图9所示。柄体内装有含斯特封的密封组件，可密封住从凿岩机的活塞与承载活塞运行的导向套之间泄露出来的液压油。由于柄体上的前端部分需要加工出泄油孔、气润滑孔等孔道，还需要钻出三个将凿岩机几大零件组合到一起的主连接螺栓的螺孔。此外柄体与前面的油缸体零件配合的端面，其平面度、表面粗糙度等也有一定的要求。为了便于这些要素的加工与精度保障，通常都是将其分成两部分，这样可以比较容易的在前一部分上完成孔道、端面等要素的机加工。两部分加工完毕后再焊接成一体。由于液压凿岩机在工作过程中承受高负荷交变应力的工况，因而柄体也处于高频率的震动之中，将两部分焊接在一起的焊缝表面应力集中的地方，就特别容易形成裂纹源并随着震动逐渐扩展直至开裂。

图9 液压凿岩机的柄体

针对液压凿岩机在工业试验过程中柄体出现焊接开裂的现象，技术人员采用了多种措施。通过各种焊接方法的对比，最终确定了摩擦焊接的方式，比较完美地解决了柄体的开裂问题。

5 冲击活塞两端的密封

冲击活塞两端的密封组件，其作用是封住活塞与机体间的液压油，维持压力腔的油压从而对活塞产生推动作用，其结构如图10所示。该密封组件采用双列串联的斯特封密封结构。斯特封为单作用密封，单组密封组件由一个O型橡胶密封圈和一个充填聚四氟乙烯圈组合而成。O型圈为施力元件,被压缩的O型圈产生的弹力为密封组件提供足够的密封力，并对充填聚四氟乙烯圈的磨损在一定范围内起补偿作用。这种密封方式摩擦力小、启动力不大、耐高压能力强、安置密封组件的沟槽结构也相对简单容易加工。这样的密封结构，在低摩擦阻力状况下，可将泄漏量控制到极佳状况。两组密封组件前后串联之后其密封效果更为理想。

密封组件在工业试验和用户使用过程中，出现过掉渣现象，也出现过塑性变形现象。

图10 液压凿岩机活塞两端的密封组件

上述问题是由于充填聚四氟乙烯圈充填物材料配比不合理或工艺执行控制不严引起的。充填物材料是由玻璃丝、玻璃细珠、石墨、铜粉、二硫化钼和金属氧化物等原料按照一定比例配制而成的。通过改善原料的选择、配比，并经反复试验，最终优选出的材质动摩擦系数小、耐磨性高、导热性能优良，成型后硬度和尺寸更加稳定。充填物材料改进后制成的充填聚四氟乙烯圈，在使用过程中可靠性和使用寿命得到了有效提高，掉渣现象基本杜绝，出现塑性变形的程度大幅缩减，从而满足了液压凿岩机冲击活塞的密封要求。

6 待装配零件的清洁度保证

液压凿岩机的零件在加工制造过程中，难免会混入各种污染杂质。这对于液压凿岩机这种对污染物高度敏感的产品是不能容忍的。因此，在组装前必须采取严格的净化措施，以清除加工或运输等各个生产环节中残留或沾染的污染物。

7 装配

液压凿岩机的零件精度高要求严格，装配至少要注意以下方面的问题。

（1）由于机器是以液压为动力，尤其是活塞在工作中在液压油的驱动下处于高频率往复运动状态，密封件既要封住液压油，又要对活塞起到支承作用满足其低阻力滑动，因而即使是微小的硬质颗粒，都会迅速划伤密封件或活塞配合面，所以液压凿岩机对杂质微尘等污染物高度敏感。这就要求装配场地必须清洁隔尘，尤其是要与焊、磨等产生粉尘的场地有效隔离；待装零件在装配前还存在重新清洗吹净的问题，因而清洗去污装备以及用于吹洗的设施也要合理配备。

（2）液压凿岩机结构紧凑、许多零件的安装空间狭小，尤其是各种密封件的安装，使用通用工具很难完成。因而液压凿岩机的装配要使用专用工具。

（3）液压凿岩机在工作过程中，要承受高频冲击负荷，因而装配时关键连接螺栓的紧固必须牢固可靠，否则机器在实际工作中很快就会震松。对拧紧力矩也有要求，以免损伤螺栓，如拧紧程度不一致将影响机器零部件之间配合的协调性。因而液压凿岩机装配时拧紧力矩要按照工艺规定执行，要使用定扭矩扳手进行紧固操作。

（4）液压凿岩机虽然工作条件恶劣，却属于精密配合的机器。产品的装配应由有液压凿岩机类产品组装经验、熟悉产品装配工艺的专业人员进行，并严格执行装配工艺。

8 产品的出厂检验

液压凿岩机的出厂检验主要是旋转功能试验和冲击功能试验。

8.1 旋转功能试验

试验步骤如下：将试验台上试验凿岩机马达旋转性能的进油液压胶管和回油液压胶管，分别与凿岩机上液压马达的进、回油口相连 （见图11，调换与液压凿岩机后部旋转马达的进油、回油接口的连接方式，可实现马达的正向或反向旋转）。使该马达所接通油路的压力达到4 MPa的最大值，持续时间半分钟左右。旋转马达运行应平稳，马达的旋转方向应正确且运转无不协调现象。停止供油后，检查凿岩机相关位置应没有液压油泄漏的现象。如不符合要求，应查找原因并重新组装，直至机器符合试验要求。

8.2 冲击功能试验

图11 液压凿岩机旋转功能试验

试验步骤如下：将试验台上试验凿岩机冲击性能的进油液压胶管和回油液压胶管，分别与图12中液压凿岩机的进油油口和回油油口联接。从机器右侧取下阀盖。插入厚度2mm的清洁垫圈，然后将阀盖重装。启动试验台油泵，调节试验设备上的调压阀，直至压力计上显示的油压为10MPa。观察泄漏油路上的流量计数据。新机器的漏油流量应是2-3L/min。

图12 液压凿岩机冲击性能试验

机器进行完上述试验后取下垫圈并重新安装阀盖，在试验台上以低压力0.5～1.5 MPa运行凿岩机，核实活塞前后运动是否平稳。再确认机器运行顺畅后，再以10 MPa压力测试出凿岩机的冲击能、冲击频率、液压油流量等性能指标。

如果泄露流量大于5 L/min，则机器是不合格的，说明油缸体内孔与冲击活塞间隙的泄露过大，或者阀活塞内孔、活塞导管与回流缓冲器等机构处存在缺陷；如机器在试验台上以低压力0.5～1.5 MPa运行时活塞前后运动不平稳，说明活塞或密封组件的装配存在问题。此时应将机器运回装配室，拆开机器仔细检查问题所在。待机器重新组装完毕后进行试验。

9 结束语

本公司液压凿岩机先后在宁夏古拉本煤矿、宁夏白汲沟煤矿、嘉峪关铁矿、金川镍矿、临沂铁矿进行工业试验，在将近四年的使用过程中，通过对发现的各种问题的及时处理，对涉及上述问题的生产环节的不断改进，产品质量逐步得到了显著的提高。随着诸如内泄大、缓冲零件寿命低、钎尾与冲击活塞硬度匹配性不好、螺堵易松动、焊堵不可靠等常见问题的逐步解决，机器的整机质量、可靠性、使用寿命已能满足工程需要，并得到了用户的肯定。目前本公司产品实现了单机累计凿岩钻孔近10万米；在金川有色金属公司地下镍矿开采现场使用的TAY136型液压凿岩机，实现整机首次无故障累计凿岩进尺25000米以上；在临沂某铁矿使用的TAY138型液压凿岩机，冲击活塞使用寿命达到700小时以上，水封（U型密封圈）、油封（格莱圈）寿命接近国外知名企业同类产品水平。