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        礦用液壓支架高性能柱窩鑄造與鍛造成形方法比較分析

        2023-02-02 07:09:26鄭慶福守晨鵬王棟
        金屬加工(熱加工) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:耳板鍛件材質(zhì)

        鄭慶福,守晨鵬,王棟

        1.鞍鋼股份有限公司 遼寧鞍山 114021

        2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450016

        1 序言

        柱窩是礦用液壓支架的核心部件,同時(shí)也是液壓支架中最關(guān)鍵的受力件之一[1],其包括頂梁柱窩及底座柱窩,一般位于頂梁、底座的內(nèi)外主筋之間,中間通過(guò)立柱連接,在工作時(shí)間接承受頂板壓力[2,3],在井下要接受各種不同的地質(zhì)條件和惡劣環(huán)境,以及一些不可預(yù)知的突發(fā)情況的考驗(yàn),因此柱窩必須要有良好的綜合性能。

        國(guó)內(nèi)外大多數(shù)液壓支架產(chǎn)品的柱窩采用鑄造工藝生產(chǎn),隨著用戶對(duì)液壓支架支護(hù)能力要求的提高,對(duì)柱窩的綜合性能及制造質(zhì)量要求也越來(lái)越苛刻,一些高端液壓支架在服役時(shí),ZG30Cr06A材質(zhì)的柱窩成為了易損件,給液壓支架生產(chǎn)商及礦方都帶來(lái)了負(fù)面影響。因此,為了提高柱窩在惡劣工礦條件下的使用性能,有必要對(duì)柱窩的制造方法進(jìn)行思考與探索。

        2 柱窩結(jié)構(gòu)分析

        圖1所示為典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu),其由柱窩、耳板一、耳板二組成;圖2所示為典型頂梁柱窩三維結(jié)構(gòu)。

        圖1 典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)

        圖2 典型頂梁柱窩三維結(jié)構(gòu)

        對(duì)于典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)而言,由于其有兩個(gè)突出的耳板,模鍛難度較大,同時(shí)嚴(yán)重降低模具壽命,因此選用分體鍛造的方法,即將柱窩、耳板一、耳板二分成3個(gè)零件,分別鍛造后再拼焊。

        因?yàn)橹C的體積及投影面積均較大,理論上對(duì)設(shè)備噸位的要求較高,所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減小柱窩的重量、投影面積,另外由于鍛造過(guò)程中金屬的流動(dòng)不如鑄造,因此在各個(gè)面的拐角處應(yīng)盡量加大圓弧過(guò)渡,一則可以保證模鍛時(shí)的金屬充滿,二則可以延長(zhǎng)模具的使用壽命。

        3 工藝對(duì)比分析

        適合柱窩的生產(chǎn)工藝有鑄造、鍛造兩種,首先對(duì)鑄造與鍛造兩種工藝進(jìn)行對(duì)比分析,知其優(yōu)劣。

        (1)鑄造 鑄造是現(xiàn)行柱窩生產(chǎn)工藝,具有生產(chǎn)周期短,成形精度高,后續(xù)加工量少或無(wú)后續(xù)加工量等特點(diǎn)。根據(jù)不同礦井的使用條件,選用相應(yīng)的鑄鋼材料,在有效控制鑄造缺陷、保證鑄件質(zhì)量的前提下,能滿足絕大多數(shù)的工況需求,是柱窩生產(chǎn)的主流工藝,也是首選制造方法,具有不可替代性。但由于以下原因,鑄造生產(chǎn)的柱窩在工況比較惡劣、使用要求較高的礦井下使用仍有其一定得局限性。

        1)鑄件在生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生氣孔、夾渣、成分偏析等各種鑄造缺陷[4],在實(shí)際使用過(guò)程中,這些缺陷將是應(yīng)力集中點(diǎn)與起裂的源頭,將大幅縮短柱窩壽命降低最大承載能力。

        2)鑄鋼材料的局限性,特別是高強(qiáng)度鑄鋼的開發(fā)使用都有其局限性。

        3)由于鑄件內(nèi)部易形成鑄造缺陷、成分偏析且內(nèi)部晶粒偏大等各種情況,其綜合力學(xué)性能特別是韌度較低。

        (2)鍛造 鍛造是一種借助工具或模具在沖擊或壓力作用下加工金屬機(jī)械零件或毛坯的方法,與鑄造相比,可以消除內(nèi)部缺陷、改善或消除內(nèi)部成分偏析[5],得到均勻、細(xì)小的低倍和高倍組織,其韌性高、纖維組織合理,金屬流線完整,鍛件的力學(xué)性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。針對(duì)柱窩來(lái)說(shuō),可根據(jù)具體要求選用相應(yīng)的圓鋼鍛制,但鍛造也有以下不足。

        1)設(shè)備的局限性,特別是模鍛件,因其不是累計(jì)變形且一次變形量大、投影面積大,所以對(duì)設(shè)備噸位要求較高。

        2)鍛件的加工成本高,特別是對(duì)設(shè)備要求高的加工成本更高。

        3)鍛造不能像鑄造那樣成形比較復(fù)雜的零件,且精度較低,并且必須保有拔模斜度,其后續(xù)必須機(jī)加工最終成形,并且加工量較大。

        4)鍛造柱窩由于模具制作、設(shè)備限制等原因,其生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。

        經(jīng)以上對(duì)比分析可知,鍛造柱窩的韌性更好,綜合力學(xué)性能要好,其質(zhì)量得到優(yōu)化,更加適合在惡劣工況下服役的液壓支架使用。

        4 柱窩材質(zhì)分析

        目前,國(guó)內(nèi)液壓支架行業(yè)柱窩常用材料主要有27SiMn鋼、30CrMo鋼、42CrMo鋼和ZG30Cr06A等。近年來(lái),由于27CrNiMo鋼中加入更高含量的Ni元素來(lái)提高鋼的韌度,因此在液壓支架的生產(chǎn)中也有所應(yīng)用。由于柱窩與液壓支架主體結(jié)構(gòu)件的連接方式為焊接,且液壓支架質(zhì)量大,焊后只能進(jìn)行緩冷而無(wú)法進(jìn)行回火,因此材質(zhì)的選取不僅需要強(qiáng)度指標(biāo)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求,還需考慮最終選用材質(zhì)的焊接性。

        (1)材料的化學(xué)成分 幾種柱窩材料主要化學(xué)成分見表1,其碳當(dāng)量根據(jù)計(jì)算公式[CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15],按照每種材料相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分計(jì)算所得。

        表1 柱窩用材料主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        (2)材料的焊接性 依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 4675.1—1984《焊接性試驗(yàn) 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》對(duì)27SiMn鋼、30CrMo鋼在預(yù)熱溫度100℃下進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)平均斷面裂紋率分別為25.87%和28.44%,說(shuō)明兩種材質(zhì)的焊接性均較差,若應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),即使與焊接性較好的低碳鋼一起拼焊,也要采用較高溫度的預(yù)熱,一般生產(chǎn)中采用150~200℃預(yù)熱,避免產(chǎn)生冷裂紋,影響焊縫質(zhì)量。

        (3)材料的力學(xué)性能 對(duì)部分備選材質(zhì)進(jìn)行鑄造或鍛造試驗(yàn),經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,其力學(xué)性能見表2。

        表2 部分備選材質(zhì)力學(xué)性能

        上述幾種材料的強(qiáng)度均滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求,但由于27CrNiMo鋼具有更好的韌度,斷后伸長(zhǎng)率也較高,更適用于惡劣工況下服役的液壓支架柱窩生產(chǎn)。

        5 鍛造柱窩坯料研究

        為摸清鍛造坯料對(duì)成品性能的影響,我們?cè)谀承吞?hào)柱窩使用ZG30Cr06A方形鑄坯進(jìn)行了具體零件的分析,試樣的力學(xué)性能取樣位置如圖3所示,試驗(yàn)柱窩各取樣部位力學(xué)性能見表3。

        圖3 取樣位置示意

        從表3可看出,該零件的力學(xué)性能并沒(méi)有得到明顯改善,尤其是沖擊性能甚至有所下降,在鍛造時(shí)變形較大的區(qū)域力學(xué)性能較好,鍛造加工可以提高零件的綜合性能,且應(yīng)保證一定的鍛造比[6]。因此,應(yīng)優(yōu)先選擇質(zhì)量良好的熱軋或鍛制圓鋼,這樣成品柱窩將有足夠鍛造比。

        表3 不同取樣位置的力學(xué)性能

        除此之外,坯料的選擇對(duì)鍛造成品的質(zhì)量有較大影響。應(yīng)盡量避免使用鑄造方法制作接近最終零件形狀的坯料然后進(jìn)行鍛造加工,因其鍛比較小,不能保證鍛件鍛透,可能存在大量的鑄態(tài)組織殘留,若鑄錠內(nèi)有縮孔、氣孔等缺陷,原鑄錠內(nèi)將有極大概率出現(xiàn)較規(guī)則的縮孔、氣孔,進(jìn)而成長(zhǎng)為不規(guī)則的裂紋,或縮孔、氣孔等缺陷并不在鍛造變形區(qū),鍛后缺陷依然存在,影響鍛件的韌性及疲勞強(qiáng)度等。這樣的鍛件綜合力學(xué)性能不會(huì)比鑄件有大的提高,甚至還會(huì)有所降低。另外,由于沒(méi)有鍛透,零件外部有一定的金屬流線,晶粒組織較好,而內(nèi)部由于沒(méi)有接受鍛造變形,仍為鑄態(tài)組織,將給后續(xù)的熱處理帶來(lái)困難,不易控制,熱處理后的零件不同部位將出現(xiàn)較大力學(xué)性能差異,為產(chǎn)品帶來(lái)質(zhì)量隱患。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        1)對(duì)于下端有耳板結(jié)構(gòu)的柱窩,選擇分體鍛造,加大過(guò)渡圓弧等,可以降低生產(chǎn)難度,提高模具使用壽命。

        2)鍛造柱窩比鑄造柱窩的綜合力學(xué)性能好,質(zhì)量得到優(yōu)化,更適合在惡劣工況下服役的液壓支架使用。

        3)27SiMn鋼、27CrNiMo鋼、30CrMo鋼、42CrMo鋼和ZG30Cr06A的焊接性均較差,焊前需要進(jìn)行預(yù)熱,焊后進(jìn)行緩冷處理。以上材料的強(qiáng)度均較高,但27CrNiMo鋼的韌性更好,更適用于大阻力、惡劣工況服役的液壓支架柱窩。

        4)鍛造柱窩的坯料應(yīng)選用經(jīng)過(guò)軋制或鍛造的圓鋼,這樣成品柱窩將有足夠鍛造比,在保證綜合力學(xué)性能的同時(shí)有助于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

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