3D打印技術(shù)在乳化液泵站殼體維修中的應(yīng)用

喬永軍

（神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心，陜西 神木 719315）

0 引言

煤礦企業(yè)采煤工作面開采過程中，采用乳化液泵為液壓支架提供乳化液，同時乳化液泵也是其他煤礦液壓設(shè)備的主要動力源［1-3］。在煤礦生產(chǎn)中經(jīng)常產(chǎn)生因乳化液泵長期超負(fù)荷運行或潤滑不當(dāng)、冷卻不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐苫揽啄p、刮傷、灼燒和破損以及軸承孔變形、磨損、劃傷等情況［4-6］，導(dǎo)致箱體不能繼續(xù)服役，給煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)帶來影響，也造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。為了積極響應(yīng)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的一流煤礦企業(yè)的號召，減少現(xiàn)有資源浪費，實現(xiàn)高價值零部件的維修再制造，是實現(xiàn)資源的合理利用、降低企業(yè)運營成本的有效措施。通過多次現(xiàn)場調(diào)研，根據(jù)不同類型乳化液泵站殼體的失效狀態(tài)，分析乳化液泵殼體的失效形式及損壞原因，認(rèn)為對該類失效的曲軸箱殼體進(jìn)行維修，不僅可挽回巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可提高資源利用率，符合企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1 常見失效形式及原因分析

曲軸箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，乳化液泵站殼體在長期服役過程中主要問題出現(xiàn)在滑道孔、軸承孔等方面。具體如：滑道孔拉傷、劃傷、灼燒、開裂；軸承孔磨損、劃傷、變形、尺寸超差；箱體變形，同軸度、平行度、垂直度等形位公差超差。

圖1 曲軸箱結(jié)構(gòu)

針對上述失效形式，通過現(xiàn)場調(diào)研及測繪的方式，分析其失效原因。在潤滑不足的情況下，因負(fù)荷過大導(dǎo)致連桿斷裂，從而磨損、刮傷和碰損滑道孔。潤滑油冷卻不足，導(dǎo)致滑塊與箱體干摩擦，溫度驟升，導(dǎo)致箱體滑道孔灼傷［7-9］。密封環(huán)斷裂局部與滑塊相互作用，對滑道孔產(chǎn)生復(fù)合影響，導(dǎo)致滑道孔磨損、刮傷和破損。乳化液泵殼體超期運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致滑道孔長期服役磨損嚴(yán)重。滑塊與滑道在長期運行下，潤滑不足導(dǎo)致滑塊黏連滑道，造成滑道嚴(yán)重拉傷、損壞。曲軸潤滑不足，導(dǎo)致軸承孔磨損。曲軸軸承跳動，導(dǎo)致軸承孔變形。長期服役的固定螺栓松動，導(dǎo)致震動變大，箱體變形，形位公差超差。

2 乳化液泵殼體修復(fù)工藝

2.1 乳化液泵殼體修復(fù)技術(shù)要求

乳化液泵站殼體尺寸精度和形位公差要求極高，通常尺寸精度要求在0.02～0.05 mm范圍內(nèi)，長期運行中在較大負(fù)載沖擊下，滑道孔和軸承孔的精度、形位公差都存在不同程度的超差，這對滑道孔和軸承孔的修復(fù)精度、耐磨性提出了較高的要求，因此乳化液泵殼體的修復(fù)難度較大［10-12］。例如：箱體整體變形，初始基準(zhǔn)缺失；滑道孔和軸承孔都存在問題，且滑道孔孔徑較小，修復(fù)時須確保二者的形位公差滿足技術(shù)要求；修復(fù)時需考慮箱體材質(zhì)及控制熱輸入，避免修復(fù)時產(chǎn)生二次變形，導(dǎo)致箱體報廢。此外，修復(fù)層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度要求高，避免在交變載荷、機(jī)械振動及摩擦條件下的修復(fù)層脫落、掉塊，導(dǎo)致軸承劃傷、滑塊劃傷或損壞；滑道孔和軸承孔的耐磨性要求高，尤其是滑道孔在周期的往復(fù)運動中，其潤滑性、耐磨性要求更高。

2.2 乳化液泵殼體修復(fù)技術(shù)分析

在維修再制造領(lǐng)域，對于機(jī)械零部件的常用修復(fù)技術(shù)手段有堆焊、電刷鍍、噴涂等，但普通的堆焊技術(shù)熱輸入大，熱影響區(qū)大，控制變形困難，容易導(dǎo)致零部件產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，焊接變形大，且由于乳化液泵殼體材質(zhì)的特殊性，采用一般的焊接工藝進(jìn)行修復(fù)后，易導(dǎo)致基體滲碳體的析出，焊后的加工難度大，且很難保證殼體的尺寸精度滿足技術(shù)要求，變形后其很難恢復(fù)形位公差；電刷鍍技術(shù)是一種表面修復(fù)技術(shù)，對于無相對運動部位的修復(fù)具有變形小，能恢復(fù)尺寸的優(yōu)勢，但鍍層與基體結(jié)合力差，且能修復(fù)的厚度有限制，其對于存在變形或尺寸偏差大的部件很難進(jìn)行有效的維修，并且對環(huán)境有較大影響，在當(dāng)前環(huán)保的高壓態(tài)勢下，該技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制，故一般不采用該技術(shù)進(jìn)行乳化液泵殼體的維修；噴涂技術(shù)是一種表面改性技術(shù)，可以采用不同的涂層改善基體的耐磨、耐腐蝕性能，但相對于滑動的運動方式來說，其與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高，易脫落，且粉末顆粒易進(jìn)入潤滑油中，隨著柱塞的運動，被帶入到滑道孔中，導(dǎo)致滑道孔劃傷或拉傷。

2.3 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它是綜合機(jī)械工程、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)于一體，以“離散+堆積”為特點的快速數(shù)字化成形技術(shù)。目前以激光為熱源的金屬零件快速成形方法主要有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光立體成形（LSF）和選區(qū)激光熔化（SLM技術(shù)）。其中激光立體成形技術(shù)（LSF）是采用送粉設(shè)備在軟件控制下逐層堆積熔化金屬粉末的快速成形技術(shù)，該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)零件的三維實體的快速制造，而且也可應(yīng)用于零件在加工過程中或由于誤加工損傷或服役損傷的快速修復(fù)［13］。與其他修復(fù)技術(shù)相比，3D打印修復(fù)技術(shù)具有稀釋度小，組織致密，修復(fù)層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可熔覆梯度材料以及可進(jìn)行選區(qū)修復(fù)，零件熱變形小，修復(fù)層性能優(yōu)異等特點［14-15］。

經(jīng)過多次技術(shù)調(diào)研和分析，擬對損傷的乳化液泵站殼體采用3D打印技術(shù)進(jìn)行維修，以期提高修復(fù)的成功率，減少零件的報廢。

2.4 3D打印技術(shù)修復(fù)流程

采用3D打印技術(shù)修復(fù)損傷的乳化液泵殼體，首先對殼體進(jìn)行清洗，擦干油污及銹蝕，然后采用卡尺或三坐標(biāo)設(shè)備檢測殼體形狀、尺寸及完整性，對比原新件技術(shù)指標(biāo)，確定損傷形式、尺寸偏差及修復(fù)方法。在此基礎(chǔ)上制定修復(fù)方案及實施步驟，以期實現(xiàn)乳化液泵殼體的高性能修復(fù)再制造，具體修復(fù)工藝如圖2所示。

圖2 乳化液泵站殼體修復(fù)工藝流程

在清洗時先對殼體進(jìn)行拆解，然后采用水洗+超聲波清洗相結(jié)合的方式，清除整體的油污、銹蝕。再采用目視和液體滲透的方式對滑道孔、軸承孔及箱體進(jìn)行整體探傷，對于有裂紋或不具備修復(fù)條件的殼體予以篩選，避免后期使用的風(fēng)險；初加工需根據(jù)殼體的損傷形式、劃痕大小確定加工量，既要把疲勞層去掉又不得影響后續(xù)修復(fù)及加工的量。然后再根據(jù)初加工量確定修復(fù)量，通過計算確定修復(fù)層數(shù)。3D打印修復(fù)完成之后，即按照初加工基準(zhǔn)對修復(fù)零件進(jìn)行精加工，加工完之后，對毛刺、邊角部位進(jìn)行人工打磨處理。完成后按照標(biāo)準(zhǔn)力矩進(jìn)行裝配，擰緊螺栓，之后進(jìn)行三坐標(biāo)測量。

2.5 3D打印修復(fù)注意事項

在修復(fù)前，對乳化液泵殼體取樣進(jìn)行成分測試，確定殼體本體的材質(zhì)為球墨鑄鐵（QT450），故修復(fù)材料需選擇專業(yè)的鑄鐵修復(fù)材質(zhì)。

滑道孔修復(fù)：因滑道孔通常拉傷、劃傷面積較大，且滑道孔孔徑太小，補(bǔ)焊修復(fù)達(dá)不到一致性和耐磨性效果，故一般不直接采用3D修復(fù)，而是進(jìn)行整體修復(fù)，采用比本體材料強(qiáng)度、耐磨性更好的合金鑄鐵材質(zhì)進(jìn)行修復(fù)，確保其耐磨強(qiáng)度的一致性，也不易使滑塊產(chǎn)生損傷。

軸承孔修復(fù)：軸承孔修復(fù)時，需根據(jù)其損傷形態(tài)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行3D打印修復(fù)，為避免殼體受較大熱輸入變形、本體滲碳體的析出，通常采用低功率熔覆一薄層過渡層材料，通常采用與基體可無限互溶的純鎳材料進(jìn)行過渡，然后在表面沉積耐磨材料。

3 修復(fù)設(shè)備及結(jié)果分析

在滿足產(chǎn)品修復(fù)要求的前提下，3D打印技術(shù)修復(fù)殼體需配備3D打印設(shè)備一套、轉(zhuǎn)臺、超聲波清洗設(shè)備、數(shù)控加工設(shè)備、三坐標(biāo)檢測設(shè)備及必要的輔助設(shè)備一套。

采用3D打印修復(fù)技術(shù)進(jìn)行成分分析后，選擇合適的修復(fù)材料及工藝，完成了乳化液泵殼體的維修，經(jīng)三坐標(biāo)檢測，滿足乳化液泵殼體的尺寸精度要求和形位公差要求，經(jīng)裝機(jī)上線試運行，配合良好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，未發(fā)生故障。證明了3D打印技術(shù)在乳化液泵殼體維修的可行性。據(jù)統(tǒng)計，采用此工藝?yán)塾嬓迯?fù)55臺曲軸箱殼體，預(yù)計每年能夠節(jié)省120余萬元的殼體采購支出。同時，經(jīng)過試驗，確定了曲軸箱殼體維修最佳的材料選型及耐磨材料成分配比，為再制造技術(shù)的應(yīng)用拓展、3D工藝技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了堅實的技術(shù)理論基礎(chǔ)，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，可在相關(guān)企業(yè)、單位進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

3D打印技術(shù)不同于“減材加工”，用增材制造的方法替代損傷層，從而可以變廢為寶。3D修復(fù)打印技術(shù)可僅在工件表面施加高性能材料，而不必在基體內(nèi)損耗貴重的材料，不僅可以提高構(gòu)件的綜合性能，而且節(jié)約成本具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。采用3D打印技術(shù)修復(fù)的曲軸箱殼體滿足各項指標(biāo)，提高了修復(fù)的成功率，減少了零件的報廢率。