采用HFW精密焊管生產液壓缸缸筒工藝研究

李殿杰，王金飛，胡日榮，韓寶云，張啟富

（新冶高科技集團有限公司，北京 100081）

采用HFW精密焊管生產液壓缸缸筒工藝研究

李殿杰，王金飛，胡日榮，韓寶云，張啟富

（新冶高科技集團有限公司，北京 100081）

介紹了液壓缸缸筒用鋼管的歐洲標準EN 10305、美國標準ASTM A513/519和國標GB 8713現狀，指出國產液壓缸缸筒用焊接鋼管標準的空白成為采用HFW焊管生產液壓缸缸筒的制約瓶頸。比較了液壓缸缸筒用鋼管常用材質的化學成分和力學性能，認為Q345鋼適合作為液壓缸缸筒常用材質。闡述了目前液壓缸缸筒的幾種生產工藝，著重分析了新型HFW精密焊管作為管坯生產液壓缸缸筒的工藝及其應用，指出GB/T 31315標準的實施將促進液壓缸缸筒用HFW精密焊管的生產。

HFW；精密焊管；液壓缸缸筒；生產工藝

液壓傳動是現代工程及裝備中的重要使用方式，廣泛應用于起重運輸、工程機械、冶金機械及汽車工業等領域[1-2]。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置與緩沖裝置組成，液壓缸輸出力與活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比，而缸筒是形成內腔盛裝流體的關鍵元件，因此，液壓缸筒對液壓油缸的壽命起到關鍵性作用[3]。輕量化及高壓化是液壓缸的發展趨勢，因而對缸筒的強度、韌性、精度和耐磨性提出了更高的要求。

1 液壓缸缸筒用鋼管的技術標準

1.1 標準概況

對于液壓及氣動缸筒用鋼管的生產技術標準，歐洲標準有EN 10305《精密鋼管交貨技術條件》，其中EN 10305-4《液壓氣動系統用冷拔無縫鋼管》和EN 10305-6《液壓氣動系統用冷拔焊接鋼管》兩部分專門對液壓及氣動缸筒用鋼管做了詳細規定。美標也有ASTM A513《機械工程用碳素鋼和合金鋼電阻焊鋼管》和ASTM A519《機械工程用碳素鋼和合金鋼無縫鋼管》。相對于歐標和美標，中國僅有GB 8713《液壓和氣動缸筒用精密內徑無縫鋼管》，并且該標準的最新版本發布時間為1988年，標準要求已與目前的生產現狀嚴重脫節。據悉，由徐工液壓件公司組織申報的《液壓和氣動系統用冷拔或冷軋精密無縫鋼管》國家標準制定計劃獲全國鋼標準化委員會立項批復，該標準將對GB 8713進行更新和完善。目前，GB 8713《液壓和氣動缸筒用精密內徑無縫鋼管》和GB/T 3639《冷拔或冷軋精密無縫鋼管》常被用作我國液壓缸企業采購缸筒用鋼管的標準。由江蘇中友精密制管有限公司起草的GB/T 31315《機械結構用冷拔或冷軋精密焊接鋼管》已于2014年12月5日發布，將于2015年9月1日起實施，這一標準的發布實施將填補我國精密焊接鋼管國標的空白，可作為液壓缸缸筒用鋼管訂貨選用標準。

1.2 不同標準對液壓缸缸筒用鋼管的理化性能要求

表1給出了歐標、美標和國標中液壓缸缸筒用鋼管的常用牌號的主要化學成分。

目前，國內工程機械行業液壓缸缸筒常用牌號主要為20鋼、45鋼和27SiMn鋼等。由表1可以看出，這些材料通過提高含碳量或者加入Mn和Si等微量元素來提高材料的性能。歐洲在油缸行業普遍使用的鋼材是E355，屬于一種低碳合金鋼，在保證強度的同時避免了我國油缸行業所用27SiMn等材料焊接性能不良的缺陷。與GB 8713相比，在即將實施的GB/T 31315中增加了Q345牌號，為液壓缸缸筒用焊接鋼管提供了標準依據。

表1 缸筒用鋼管的主要化學成分 %

EN 10305中對液壓及氣動缸筒用鋼管的交貨狀態做了明確要求，即最終冷拔后采用可控氣氛爐正火狀態交貨。GB 8713中要求鋼管以冷加工/硬狀態交貨，上述幾種材質正火后的室溫力學性能見表2。

表2 缸筒用鋼管的力學性能

由表2可以看出，27SiMn合金鋼主要是作為調質材料使用，其調質后屈服強度可達835 MPa以上；Q345鋼由于具有良好的強度與韌性，斷后伸長率指標很高，適合冷拔生產，其冷拔后的各項性能大大優于45鋼，與歐洲的E355材料相似[4-5]，適合選做缸筒用鋼管的材質。

2 液壓缸缸筒生產現狀

2.1 傳統切削粗加工工藝

目前，國內生產液壓缸缸筒基本上都是用無縫鋼管作為坯料，傳統生產工藝如圖1所示。

圖1 液壓缸傳統生產工藝流程圖

其中，把生產液壓缸用缸筒半流程產品內孔加工到位，而外圓經粗加工成留有一定加工余量的半成品管，稱為液壓缸體管。可以直接銷售給成品液壓缸總裝廠再進行后續的溝槽孔加工、外圓精加工、電鍍、清洗和裝配。國內以山東礦機、山東眾力和四川長江液壓等為代表約有80%左右的液壓缸生產企業是使用傳統工藝，該工藝生產液壓缸缸筒的主要特點為：

（1）金屬收得率低，一般為50%~65%[6]。

（2）產品強度低。產品強度取決于無縫管管坯強度，25Mn熱軋態無縫管屈服強度≥295MPa，最小抗拉強度≥490MPa，斷后伸長率≥22%[4]。

（3）尺寸精度高。內孔精度可達H8級，內表面粗糙度Ra0.05~0.1 μm，偏心率＜3%t，直線度＜0.3mm/1000mm。

（4）生產效率低。例如:以φ165mm×12.5mm無縫鋼管為管坯，生產φ160mm×7.5mm×1650mm的成品缸筒，內鏜和外車速度為20~50 mm/min，含裝卡每支外車和內鏜需40~60 min，按年產1萬t計算，需要數百臺鏜床和車床。

（5）生產成本高。由于加工過程中金屬損耗高、勞動力密集、生產過程中各類工具消耗大等原因，導致生產成本高。

2.2 酸洗冷拔退火工藝

為了降低傳統工藝的加工成本，首先必須提高原材料的金屬收得率[7]，再者提高生產效率。近十年來國內生產液壓缸體管的工藝發生了一些變化[8]，部分液壓缸生產企業用酸洗冷拔退火工藝代替切削粗加工工藝[9-10]， 從而降低機加工的切削損失，提高金屬收得率。此種工藝流程如圖2所示，使用此種工藝生產液壓缸的國內代表企業有張家口長宇利華液壓系統制造有限公司、常州騰田液壓機械有限公司、無錫振華機械有限公司等。

圖2 無縫鋼管酸洗冷拔退火工藝流程圖

相比傳統工藝，此工藝具有以下特點：

（1）金屬收得率提高，從無縫鋼管到液壓缸缸筒的金屬收得率可以達到70%~75%。

（2）由于冷加工過程中材料產生了加工硬化，導致屈服強度和抗拉強度提高，塑性和韌性降低。25Mn無縫管冷拔后屈服強度≥510 MPa，抗拉強度≥600 MPa，斷后伸長率≥15%[4]。

（3）生產效率提高。例如:以 φ165 mm× 12.5mm無縫鋼管為管坯，生產φ160mm×7.5mm× 1 650 mm的成品缸筒，冷拔速度為60~100 m/h，內孔珩磨速度為20~40 mm/min，按年產1萬t液壓缸缸筒計算，需要2臺液壓冷拔機和40臺內孔珩磨機。

（4）尺寸精度稍低。內孔精度可達H9級，內表面粗糙度Ra0.2~0.4 μm，偏心率＜5%t，直線度＜0.5 mm/1 000 mm。

（5）生產工藝不環保。在冷拔前必須對管子進行堿洗除油、酸洗去銹、表面磷化和皂化潤滑，生產過程中產生大量的廢酸和廢水，污染環境。

3 新型液壓缸缸筒生產工藝

隨著熱軋帶鋼技術的進步，HFW焊管的成型和焊接技術也在不斷提高，從而為HFW焊管的廣泛應用奠定了基礎。由于HFW焊管與無縫鋼管相比具有尺寸精度高、壁厚均勻、偏心小和內外表面質量好等優點，在20世紀70—80年代國外發達國家已經用HFW精密焊管作為坯料冷拔生產液壓缸缸筒。意大利瑪切嘉利公司已成為該行業的佼佼者，并且于2011年投資15億元人民幣在揚州建成投產了HFW精密管工廠[11]，其中E355材質冷拔HFW液壓缸筒用管是其主打產品。該種工藝與無縫鋼管酸洗冷拔退火的工藝流程類似，不再贅述，其特點是：

（1）金屬收得率進一步提高（見表3），從HFW焊管到液壓缸缸筒的金屬收得率提高到76%~ 80%，精加工缸筒階段，HFW焊管作為管坯在金屬收得率方面的優勢更加明顯。

表3 金屬收得率比較表

（2）產品性能優于無縫管坯冷拔退火珩磨管，以揚州瑪切嘉利產品E355為例，屈服強度≥540 MPa，抗拉強度≥640 MPa，斷后伸長率≥15%。

（3）冷拔過程依然存在酸洗磷化、皂化污染工序。

采用HFW焊管冷拔生產液壓缸缸筒，雖然瑪切嘉利揚州工廠是國內目前唯一建成投產的企業，但是國內江蘇中友和江蘇豐立等精密制管企業已將此生產工藝成熟應用于汽車減震器用管的生產，國內也有企業用此工藝試制原料為J55的精密泵筒用管[12]。盡管國內外的生產實例證明HFW焊管冷拔生產液壓缸缸筒是可行的，但冷拔過程的污染工序還不能滿足如今的環保要求，同時缸筒的精加工工藝也有進一步的改善余地。由新冶高科技集團有限公司負責工程設計和關鍵設備供貨的山東某公司采用HFW精密焊管生產液壓缸缸筒項目正在建設中，該項目的生產工藝對現有HFW焊管冷拔工藝進行了改進，形成了一種新的生產工藝，其流程如圖3所示。

圖3 采用HFW精密焊管生產液壓缸缸筒工藝流程圖

該生產工藝創新點為：

（1）采用HFW精密焊管替代無縫鋼管管坯進行精深冷加工，是對傳統工藝技術的一種優勢替代，體現了近終型成形技術進步的方向。直緣線性+等剛度成型技術的應用使得該項目產品規格達到φ（50～240）mm×（2～16）mm。

（2）微氧化熱處理技術、內外表面機械除銹清理技術和特種潤滑技術相結合的綠色制造工藝，替代現行的酸洗、磷化、皂化等傳統污染工序，解決了冷加工鋼管行業長期存在的環保難題。

（3）精密矯直和外圓無心磨的精加工代替外圓精車，用內孔刮滾代替內孔珩磨工藝，尺寸精度得到進一步提高，內孔IT8~9級，外圓IT7~8級，直線度<0.20/1000mm，偏心率<1%t，內孔粗糙度<0.8μm，外圓粗糙度<0.4μm。同時綜合金屬收得率也提高2%~3%。

4 結 論

（1）通過對液壓缸缸筒用鋼管的技術標準的比較研究，發現我國液壓缸缸筒用焊接鋼管標準的空白成為采用HFW焊管生產液壓缸缸筒的制約瓶頸。

（2）對液壓缸用不同材質的化學成分和力學性能的對比分析得出，Q345鋼適合用于生產液壓缸缸筒。

（3）比較了液壓缸缸筒的幾種生產工藝，著重分析了HFW焊管作為管坯生產液壓缸缸筒工藝，新型HFW精密焊管生產液壓缸缸筒工藝具有效率高和環保的特點，適宜推廣。

（4）GB31315《機械結構用冷拔或冷軋精密焊接鋼管》將于2015年9月1日起實施，該標準實施后將促進液壓缸缸筒用HFW精密焊管的生產。

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Research on Production Process of Using HFW Precision Welded Pipe to Produce Hydraulic Cylinder Barrel

LI Dianjie,WANG Jinfei,HU Rirong,HAN Baoyun,ZHANG Qifu
(New Metallurgy Hi-Tech Group Co.,Ltd.,Beijing 100081,China)

In this article,it introduced current status of several steel pipe standards used for hydraulic cylinder barrel, including EN 10305,ASTM A513/A519 and of GB 8713,pointed that the standard blank of welded pipe used for domestic hydraulic cylinder barrel becomes restrictive bottleneck for adopting HFW pipe to produce hydraulic cylinder barrel.After comparing chemical composition and mechanical properties of steel pipes commonly used for hydraulic cylinder barrel,it pointed that Q345 is suitable to commonly used material.Several kinds of hydraulic cylinder barrel production process were expounded,the process of using HFW pipe as billet to produce hydraulic cylinder barrel was analyzed emphatically.It also introduced the new process of using HFW precision welded pipe to produce hydraulic cylinder barrel and its application.The implementation of GB/T 31315 will promote HFW pipe production used for hydraulic cylinder barrel.

HFW;precision welded pipe;hydraulic cylinder barrel;production process

TG335.75

B

1001－3938（2015）08-0038-04

李殿杰 （1979—），男，高級工程師，主要從事鋼管生產工藝研究和鋼管項目工程設計工作。

2015-04-27

羅 剛