大采高液壓支架加工工藝技術研究

路 遙

（山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

大采高液壓支架結構件強度和液壓元件動態性能基本滿足厚煤層工作面要求，但支架結構件本身是由高強板焊接而成，在井下承受沖擊、腐蝕等惡劣工作條件，仍會出現結構件斷裂和疲勞失效以及液壓缸損壞等問題，進而影響支架可靠性和壽命[1-3]。而合理的加工、焊接與裝配工藝是保證支架可靠性的重要手段。

1 大采高液壓支架結構件制造技術與工藝

大采高液壓支架結構件為鋼板拼焊的箱型結構，加工過程中的焊接質量、平整度、加工精度等直接影響結構件的整體剛度和強度。對此，從鋼板下料、坡口加工工藝以及焊接技術等方面保證加工質量。

1.1 結構件材料選擇及下料工藝

根據液壓支架各個部件的功能和受力情況不同，所采用鋼材的牌號、厚度、成分等技術指標都不相同。ZY11000/28/63D型支架結構件板材中，Q800約占支架所用板材的3%，Q690約占支架所用板材的77%；Q550和Q460分別約占支架所用板材的15%和5%。而這些高強度鋼板的軋制和焊接加工難度也增大，需對鋼板預處理。在下料之前首先進行噴丸處理，該工藝中采用整板噴丸機對鋼板進行整板噴丸。整板噴丸后鋼材表面硬化，表面的灰塵、銹蝕、氧化皮等污物被去除，綜合機械性能提升，同時預熱所需時間縮短，鋼板切割效率提高，并使焊縫中氫致裂紋、夾渣、氣孔的誘因降至最低點。

鋼板的切割質量直接關系到產品的尺寸、性能等重要的技術指標。手動和半自動切割鋼板，切割面粗糙度、零件的幾何尺寸精度及后續的零件加工質量和將來的拼裝精度都不能得到較好的保證。為克服手動、半自動切割的不足，利用數控切割機對鋼板整板排版下料，獲得鋼板最大限度利用率，下料件光潔度、直線度及下料尺寸精度等大大提高。

為了進一步提高零件的下料精度，降低零件的拼裝間隙，下料完成后，需對零件的各關鍵部位進行刀檢，如鉸接部位、蓋板部位、耳座、耳板以及加強筋等部位，可以有效降低零件的焊接變形。

1.2 坡口加工工藝

支架結構件為鋼板拼焊箱型結構且為高強度厚鋼板，角焊縫連接較多，且其焊接過程涉及到多層多道焊工藝。在焊接結構中，只有零件完全熔透才能保證結構件受力能夠達到標準，增加承受載荷的截面積，減少焊縫根部裂紋。為保證焊接強度，對坡口的加工工藝提出了較高的要求。傳統坡口加工工藝更多采用手動加工的辦法，其加工效率較低，對于坡口的大小難以控制，坡口過小或過大均容易產生強度降低問題，而且無法實現曲線坡口的加工。因此，本文為保證坡口加工質量，采用專用坡口機器人與非線性半自動切割機床，實現普通坡口與曲線坡口的自動化加工。坡口機器人是在機器人的末軸裝上火焰割槍，通過機器人控制系統進行編制機器人運動軌跡，帶動燃燒的割槍對鋼料進行3D切割坡口。如圖1所示為不同切割方式的坡口切割工件。其中機器人所加工的坡口表面光潔，形位精度高，能夠滿足大采高綜采工作面的工況需求。

圖1 不同切割方式的坡口切割效果比較

2 大采高液壓支架液壓缸的加工工藝

立柱缸筒、活柱、活塞桿等的同軸度、表面處理精度以及各零部件間的裝配質量也制約著支架整體性能。

2.1 立柱缸筒加工工藝

在本文中，支架采用的立柱缸筒為Ф400 mm，壁厚40 mm，而長度基本在2 000 mm至2 500 mm左右。考慮缸筒結構尺寸與原材料等方面因素，并防止因直徑與壁厚比過高而導致的徑向剛性變差等問題，采用“帶鋸下料→粗推內孔→調質處理→二次粗推內孔→定性處理→精推內孔→內孔刮削滾光→精加工缸口止口”的缸筒加工工藝，其主要工序包括下料、熱處理、以及缸筒內孔與缸口止口的高精度加工。

1）下料。采用帶鋸下料，按照工藝院編制的《帶鋸下料工藝守則》執行。記錄所用材料的供應廠家、批次、規格、材質，作為質量跟蹤資料備查。

2）熱處理。采用各類熱處理爐及大型熱處理池，完成調質、淬火（水淬、介質淬等）、熱時效等工序。并通過各類溫度控制儀器對熱處理溫度變化過程進行實時監測，確保工件的熱處理性能。

3）內孔高精度、高效率加工。采用從瑞士善能（Sunnen）進口的臥式布磨機實現對缸筒內孔的高精度加工，如圖2所示。其加工精度高IT8，能夠充分保證內孔的尺寸精度與形位誤差，有效提高加工表面的耐磨性與耐腐蝕性等性能，增加缸體的使用壽命。

圖2 瑞士善能（Sunnen）臥式珩磨機

2.2 立柱活柱、活塞桿加工工藝

活柱與活塞桿的加工工藝流程類似，其工藝流程為帶鋸下料→鍛造→粗加工→熱處理調質→精加工→表面鍍銅合金+硬鉻。

為了防止活柱與活塞桿中常見的缺陷，如鍍層脫落、缸口磨損以及表面損傷等，加工過程中，采取以下加工工藝：

1）在鍍鉻之前應對其進行去氫處理，以防止鍍層起泡而脫落；所有活塞桿激光熔覆，解決鍍層脫落問題；

2）鍍鉻區及密封面的磨削采用精密外圓磨床，通過粗磨與精磨兩道工序，使其粗糙度低于Ra0.4μm，直線度及圓度均控制在0.05 mm以內；

3）對于活塞桿的深孔加工，應采用專用深孔加工設備，同時嚴格保證深孔的同軸度要求。

2.3 立柱、千斤頂焊接工藝

立柱、千斤頂焊縫必須保證焊接質量，滿足設計對強度的要求。

1）焊前準備。液壓支架液壓缸管材材料為27SiMn、活塞桿材料為27SiMn或40Cr，焊接性能不是很好。為保證焊接質量，對27SiMn材質鋼筒，焊接前應采用感應加熱的方式進行局部預熱（150～200℃）。

2）焊接材料。27SiMn材料屬于中碳調制鋼。其碳含量及Si含量較高，焊接受熱時，材料表面極易出現熱裂紋，為防止這一現象的產生，在選擇焊接材料時應遵循等強匹配，選用CO2氣體保護焊絲，確保焊接部位的韌性、塑性及強度，可以有效防止焊接部位裂紋的萌生與擴展。

3）焊接方法。為保證焊接質量及焊接強度，使用環焊縫自動焊接機對立柱、千斤頂進行富氬混合氣體保護焊（80%Ar+20%CO2）的焊接。通過數控編程，焊接采用直徑為Ф1.2 mm的實芯焊絲，采取MAG、多層多道焊接，在焊接過程中根據焊接層數的不同，調整噴嘴的高低，根據所焊工件調定焊接速度和焊接電流、焊接電壓，完成全部焊接過程，嚴格控制層間溫度，同時使用氣動清渣錘清除層間焊渣。焊后采用保溫棉緩解焊縫冷卻時間，提高焊接件的焊接可靠性。

3 立柱立式裝配工藝

立式裝配更容易保證裝配件的對中，使密封件不因裝偏而損傷，且可解決活柱自身重量較重而下垂引起的裝配時導向套和缸體密封面劃傷問題。但實立式裝配需要專用設備和大量裝配工裝，而且裝配效率較低。為保證大采高支架的高品質，采用我國自主研發制造的立柱立式裝缸—上帽機，如圖3所示，該裝備可滿足缸徑230～500 mm、裝配高度≤5 000 mm的立柱裝配；采用全液壓驅動；與相應的工裝配合可實現工件的自動定位，保證裝配件的對中，使密封件不因裝偏而損傷；通過變頻器控制油泵流量來限制馬達轉速，根據裝配立柱缸徑將轉速分檔，實現擰緊導向套時轉速的精確控制，保證密封件對裝配速度要求的有效控制，提高了立柱裝配質量。

圖3 立式裝缸機

5 結論

1）利用可編程數控機床進行排版下料，大大提高了板材利用率，改善了加工效果；

2）采用半自動以及自動切割機床突破了坡口加工難題；

3）為解決大采高液壓支架大缸徑及大尺寸引起的缸孔形位精度和幾何尺寸精度難以控制問題提出刮削、滾光聯合加工方法；

4）并采用立柱立式裝缸—上帽機完成立柱裝配，提高了立柱裝配質量，從而提高了大采高支架的制造可靠性。