高榮梅

（大同市同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西大同 037000）

0 引言

隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，煤礦開采效率越來越高，這使得煤礦開采設(shè)備都朝著大型化方向發(fā)展[1]。液壓支架作為煤礦開采中的重要機(jī)械裝備，在保護(hù)煤礦開采過程安全方面發(fā)揮著不可替代的作用[2]。為順應(yīng)采煤行業(yè)發(fā)展，當(dāng)前階段液壓支架的型號(hào)也是越來越大，這對(duì)液壓支架的各種結(jié)構(gòu)件質(zhì)量提出了更高的要求。在礦用液壓支架中，立柱是其中非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，液壓支架自身的重力以及頂板承受的壓力都會(huì)通過立柱傳遞到底板[3-4]。如果立柱在加工過程中自身存在質(zhì)量缺陷，在受到較大的外界載荷時(shí)就容易發(fā)生安全事故。而在立柱結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向套又是其中非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了立柱的性能好壞[5]。導(dǎo)向套需要經(jīng)過鍛造加工生產(chǎn)，因此有必要對(duì)鍛造加工工藝進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化，以提升導(dǎo)向套的加工質(zhì)量[6]。

1 立柱結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向套的作用和要求

如圖1所示為礦用液壓支架立柱結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向套的安裝位置。從圖中可以看出，在立柱結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向套安裝于缸體的外端。立柱正常工作時(shí)活桿需要進(jìn)行伸縮，此時(shí)導(dǎo)向套需要承受所有外部作用在活桿上的力，避免活桿出現(xiàn)彎曲、橫向變形或者振動(dòng)問題，確保活桿能沿著正確方向移動(dòng)。對(duì)于導(dǎo)向套的要求主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）有足夠的強(qiáng)度。由于導(dǎo)向套需要對(duì)活塞桿進(jìn)行支持和導(dǎo)向，所以必須具備有足夠的強(qiáng)度。導(dǎo)向套工作時(shí)還會(huì)和其他結(jié)構(gòu)件發(fā)生磨擦，因此要有足夠的耐磨性。

（2）密封性能好。立柱工作時(shí)，需要高壓液體提供動(dòng)力，導(dǎo)向套是整個(gè)液壓缸的構(gòu)成部分，因此必須要有良好的密封性。只有這樣才能夠確保液體不發(fā)生泄漏現(xiàn)象，這是保證液壓支架正常工作的基礎(chǔ)。

（3）耐腐蝕性能好。煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，容易對(duì)零部件造成腐蝕。耐腐蝕性能主要與材料本身的物理化學(xué)屬性有關(guān)系，因此在選用導(dǎo)向套材料時(shí)應(yīng)該充分考慮到材料的耐腐蝕性能。

圖1 礦用液壓支架立柱結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向套的安裝位置

2 傳統(tǒng)導(dǎo)向套鍛造的工藝及其缺陷分析

基于上述分析可以看出，導(dǎo)向套是液壓支架立柱結(jié)構(gòu)中非常重要的結(jié)構(gòu)件，其性能好壞對(duì)整個(gè)液壓支架的服役穩(wěn)定性有非常重要的影響。鍛造是導(dǎo)向套生產(chǎn)加工中的重要環(huán)節(jié)，因此對(duì)該環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和研究是提升其質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的重要措施。

2.1 傳統(tǒng)導(dǎo)向套鍛造工藝

導(dǎo)向套生產(chǎn)過程中，在鍛造環(huán)節(jié)主要可以細(xì)分為5 個(gè)工序，分別為下料、鐓粗、一次沖孔、二次沖孔、修正，如圖2所示為傳統(tǒng)導(dǎo)向套鍛造工藝流程圖。在下料環(huán)節(jié)，需要基于體積不變定律，根據(jù)導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)的實(shí)際體積以及需要裁剪掉的體積對(duì)其進(jìn)行下料。墩粗環(huán)節(jié)在鍛壓機(jī)中進(jìn)行，目的主要包括2個(gè)方面，其一為將坯料壓縮到指定高度，其二為通過墩粗變形可以使導(dǎo)向套材料的組織更加致密，性能與墩粗前相比較會(huì)顯著提升。一次沖孔和二次沖孔作用是將材料掏空，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。修正的作用是對(duì)導(dǎo)向套進(jìn)行進(jìn)一步機(jī)加工，滿足實(shí)體圖紙中的要求。

圖2 傳統(tǒng)導(dǎo)向套鍛造工藝流程圖

2.2 傳統(tǒng)導(dǎo)向套鍛造加工存在的問題

大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)的導(dǎo)向套鍛造加工工藝存在一定缺陷，不僅浪費(fèi)了大量材料，增加了生產(chǎn)加工成本，同時(shí)導(dǎo)向套的質(zhì)量也不是非常完善，有進(jìn)一步提升的空間。以下針對(duì)幾個(gè)典型的問題進(jìn)行闡述。

（1）墩粗環(huán)節(jié)坯料變形不均勻。墩粗工序在鍛壓機(jī)中完成，上下模具都為平板狀結(jié)構(gòu)。理想狀態(tài)下，根據(jù)體積不變定律，原本為圓柱體的坯料經(jīng)過墩粗后應(yīng)該還為圓柱體，只是高度降低、直徑增大。但是在實(shí)踐過程中，上下模具與坯料上下表面接觸后，兩者之間由于會(huì)產(chǎn)生很大的壓力，所以其摩擦力也很大，導(dǎo)致與模具表面較近的坯料在橫向方向上的流動(dòng)過程受阻，與模具的距離越近，這種阻力越明顯。而坯料的中間位置，由于與上下模具之間的距離最遠(yuǎn)，所以其受到的阻力最小，該位置在橫向方向上的流動(dòng)趨勢(shì)最為顯著。最終導(dǎo)致的結(jié)果就是鐓粗完成后，坯料呈現(xiàn)出鼓形狀，即中間大、兩頭小，如圖3 所示。從圖中可以看出，坯料不同位置的變形程度存在一定差異，而變形程度又會(huì)直接影響材料的力學(xué)性能。因此變形不均勻最終導(dǎo)致的是導(dǎo)向套不同位置力學(xué)性能不均勻。

（2）材料浪費(fèi)率和生產(chǎn)成本高?；谏鲜龉に嚪治隹梢钥闯?，導(dǎo)向套在加工時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行沖孔，沖孔部分的材料屬于廢料。另一方面，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，沖孔結(jié)束后導(dǎo)向套的單邊厚度值應(yīng)該比設(shè)計(jì)圖紙多出3～4 mm，稱之為加工余量，目的是為后續(xù)的修正工序預(yù)留一定空間。但是在實(shí)踐過程中，受到工藝水平的限制以及設(shè)備能力的限制，最終預(yù)留出的單邊厚度可以達(dá)到10 mm以上，這給產(chǎn)品后續(xù)加工造成了非常大的困難?；谝陨戏治隹芍?，傳統(tǒng)的導(dǎo)向套鍛造工序，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的坯料材料，同時(shí)也會(huì)加大后續(xù)加工的難度，增加導(dǎo)向套生產(chǎn)加工成本。

圖3 傳統(tǒng)導(dǎo)向套鍛造加工后的形狀示意圖

3 導(dǎo)向套鍛造工藝優(yōu)化研究

傳統(tǒng)的液壓支架導(dǎo)向套鍛造工藝存在一定缺陷，不符合實(shí)際使用需要，有必要采取措施對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)上述存在的問題，可以采取針對(duì)性的措施。

3.1 采用組合模具

大鍛件在鍛造過程中，不可避免地會(huì)存在鼓型現(xiàn)象，因此只能采取措施，盡可能緩解這種問題。結(jié)合實(shí)際情況，最終采用組合模具的形式來降低坯料墩粗過程中的鼓型現(xiàn)象。如圖4 所示為采用組合模具進(jìn)行鐓粗的過程示意圖。組合模具指的是除了上下模具外，增加設(shè)置一個(gè)環(huán)形模具，環(huán)形模具的作用是對(duì)坯料的變形過程進(jìn)行限制，避免出現(xiàn)鼓型問題，使得最終鐓粗變形完成后，坯料仍然整體上呈現(xiàn)出圓柱體的形狀。通過這樣的措施，很好地解決了鍛造過程中坯料變形不均勻的問題，確保了導(dǎo)向套不同位置性能的均勻性，使得導(dǎo)向套的整體性能得到顯著提升。

圖4 采用組合模具進(jìn)行鐓粗

3.2 增加設(shè)置擴(kuò)孔工序

上述分析中認(rèn)為傳統(tǒng)的導(dǎo)向套鍛造加工工藝中，沖孔會(huì)浪費(fèi)掉大量的坯料原料，從而增加導(dǎo)向套的加工成本。因此工藝優(yōu)化的思路是盡可能降低沖孔工序浪費(fèi)掉的原材料。結(jié)合實(shí)際情況，最終在傳統(tǒng)導(dǎo)向套加工工藝的基礎(chǔ)上，增加設(shè)置兩道次的擴(kuò)孔工序，具體工序過程如圖5 所示，圖中虛線框內(nèi)的工序?yàn)樾略黾釉O(shè)置的兩次擴(kuò)孔工序。通過這樣的方式，在兩次沖孔工序中就可以沖出直徑相對(duì)更小的孔，再利用擴(kuò)孔工序?qū)⑿】讛U(kuò)大到設(shè)計(jì)直徑尺寸的大孔。沖孔落料全部屬于廢料，沖孔直徑的縮小意味著浪費(fèi)掉的坯料原料降低。因此工藝優(yōu)化改善后能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)約大量的生產(chǎn)成本。另一方面，擴(kuò)孔過程屬于塑性變形過程，塑性變形程度越大，材料的晶粒細(xì)化程度越大，最終獲得的力學(xué)性能越好。從這個(gè)角度出發(fā)，通過擴(kuò)孔工序能夠進(jìn)一步提升導(dǎo)向套的力學(xué)性能。

圖5 優(yōu)化后的導(dǎo)向套鍛造工藝流程圖

4 導(dǎo)向套鍛造工藝優(yōu)化應(yīng)用效果分析

將本文提出的液壓支架導(dǎo)向套鍛造工藝優(yōu)化方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，通過增加兩次擴(kuò)孔工序，縮小沖孔直徑，使得坯料的利用率提高了10%以上。另外，通過增加環(huán)形模具，與上下模具進(jìn)行組合使用，使得導(dǎo)向套坯料的變形更加均勻，不同位置力學(xué)性能均勻性有了有效提升，可以在很大程度上提升零部件的使用壽命?？梢钥闯?，通過鍛造工藝優(yōu)化，不僅為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)降低了坯料原料的浪費(fèi)，社會(huì)效益同樣十分顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)向套是液壓支架設(shè)備中非常重要的零部件，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)設(shè)備的服役穩(wěn)定性有非常重要的影響。鍛造加工是導(dǎo)向套生產(chǎn)制作過程中的重要工序，對(duì)傳統(tǒng)的導(dǎo)向套鍛造工藝進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)存在一定缺陷，主要表現(xiàn)在變形不均勻和材料浪費(fèi)嚴(yán)重?；诖嬖诘膯栴}，提出針對(duì)性的鍛造工藝優(yōu)化改進(jìn)措施，主要是使用組合模具、增加設(shè)置兩次擴(kuò)孔工序。對(duì)鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化后，不僅降低了導(dǎo)向套的生產(chǎn)加工成本，同時(shí)其力學(xué)性能也得到了顯著提升，為液壓支架運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。