液壓支架柱窩柱帽免加工鑄造工藝研究

時 磊，李勇勇

（西安重裝銅川煤礦機械有限公司，陜西銅川 727031）

0 引言

柱窩與柱帽是液壓支架上的一個重要部件，在液壓支架井下工作時極容易受到惡劣環境影響，若因過度受力而疲勞失效，將給井下的綜合開采工作帶來很大的阻力。為了提高煤礦開采的效率，降低煤炭生產的成本，探究液壓支架柱窩柱帽免加工鑄造工藝具有一定的經濟價值。

1 免加工鑄造

鑄造工藝是指將金屬熔融為液態后澆入鑄型之中，鑄型內有跟零件形狀相符合的空腔，等到金屬冷卻凝固后，形成空腔的形狀以獲得零件或毛坯的方法。鑄造工藝按造型方式分為普通砂型鑄造與特種鑄造。而免加工鑄造是用于需要毛坯一次成型零件的鑄造技術。與其他的金屬加工成型方法相比，鑄造工藝的優勢在于零件的制作精度更高，不存在加工導致的制造誤差，使用性能優異，在加工一些形狀復雜的零件時，鑄造工藝更能顯出它的經濟優勢。經鑄造工藝生產的金屬零件除了具有零件基本的機械性能以外，在耐磨、抗振與耐腐蝕性能上也有很好的表現，而這是鍛、軋、焊、沖等金屬加工成型方法所做不到的。液壓支架的柱窩柱帽，在液壓支架深入井下作業時，承載整個機械大部分的受力，它的制造質量直接影響到煤礦生產的安全與進度，因此在制造液壓支架柱窩柱帽零件時，選用無加工鑄造工藝替代傳統的金屬加工成型。

2 參數設定

無加工鑄造技術需要一種三維圖像處理軟件來進行參數設定，以及在后期查找工藝瑕疵時用于模擬鑄造模型。通常情況下可以用UG 軟件來完成實體模型的繪制，以ZF10000-21-38型液壓支架上的頂梁柱窩柱帽為例，頂梁柱窩柱帽分為前后一對，共同負責支架頂梁受力。首先設定前頂梁柱窩的各項參數，前頂梁柱窩的高設置為378 mm，寬400 mm，長445 mm。后設定后頂梁柱窩的參數，按照設計需求，前頂梁柱窩需要高出后頂梁柱窩30 mm，因此后頂梁柱柱窩高設置為343 mm，其余參數保持與前頂梁柱窩一致即可[1]。柱帽的設計參尺寸數，要與液壓支架的單柱與柱窩相匹配，確保具備靈活調節立柱伸縮長度以控制支架高度的功能。

3 鑄造準備

3.1 鑄型準備

由于液壓支架的柱窩柱帽使用時對表面質量與可靠性有一定的剛性需求，因此鑄造鑄型方法選擇熔模鑄造，以便于柱窩柱帽一次毛坯直接成型。熔模鑄造模具的材質與其他鑄造工藝使用的鑄型材料不同，是用蠟料作為鑄造的鑄型材料。首先在易熔材料上復刻出窩柱與窩帽的形狀，而后在模樣的表面墊上防火材料組成模樣的外型殼。在進行高溫澆注鑄造時，蠟質的材料被熔化后排出型殼，就能形成沒有分型面的鑄型，在高溫烘焙時，選用鉻礦砂作為填充。熔模澆注鑄造的制造精度非常高，可以達到CT4 以上的精度標準，最大程度減少成型后工件二次切削的加工步驟[2]。

3.2 鑄造金屬準備

液壓支架柱窩柱帽的材料通常為合金鋼，它是在普通碳素鋼的基礎上加入其他合金，使之成為一種全新的復合金屬材料。鑄造金屬準備并不僅僅是將碳素鋼與其它金屬材料一起熔成液態，還包括金屬的冶煉過程，在金屬液出爐后，還需要在爐外進行如脫硫、真空脫氣、爐外精煉等過程，使鑄造金屬的化學成分、溫度與純凈度都符合柱窩柱帽的材料強度標準。

3.3 澆注

澆注工藝是將高溫熔融狀態的金屬注入模具中的過程，在澆注過程中需要注意的環節是擋渣設計，通常情況下選用全封閉或半封閉的澆注系統。在該工藝中，窩柱與窩帽的內澆注道、橫澆注道、直澆注道的比例關系設置為1∶0.9∶2。頂梁前后窩帽的澆注道均設置一個直澆注道、兩個工件共用一個橫澆注道，在兩個工件對稱的左右兩側各設置一處內澆筑道，其中直澆注道的半徑為44 mm。橫澆注道與內澆注道采用梯形口設計，橫澆注道下底長32 mm，上底長22 mm，高34 mm。內澆筑道下底長25 mm，上底長22 mm，高11 mm。ZF10000-21-38 型液壓支架的頂梁柱窩采用王字形筋結構設計，在它的T 形以及十字形筋交叉處作為熱節部位。因此在進行澆注時，在兩個十字形筋交叉部位放置一個明頂帽口用來補償鋼水熱縮。冒口采用上粗下窄的圓臺體設計，頂部半徑為250 mm，底部半徑為150 mm，高度為330 mm。

3.4 鑄件處理

鑄件處理是指鑄件的表面處理，由于鑄件剛成型時表面還存在澆口、冒口以及金屬毛刺披縫等，需要一些工藝流程去除使毛坯成為成品工件。首先應當在專用的振動除殼器上去除柱窩柱帽鑄件表面的防火殼型，而后使用拋丸機或澆口冒口切割機對鑄件進行熱處理與整形。完成鑄件的表面處理后，鑄件成為成品零件。但考慮到液壓支架柱窩柱帽的工作環境，為避免柱窩柱帽零件在井下因被銹蝕而加速疲勞，還要采用防銹工藝處理。

4 鑄造工藝優化

確定熔模澆注的鑄造工藝流程后，將柱窩的三維模型代入數值模擬軟件，在模擬軟件中將溫度與常規重力等鑄造外部條件設置完成后，進行凝固模擬分析。在模擬無加工澆注鑄造工藝時的初始溫度為25 ℃，澆注金屬溫度為1545 ℃，澆注時間為30 s。模擬結果演示，柱窩的筋板部分比其余部位稍薄，因此筋板部分的澆注金屬會先凝固，剩下的金屬仍為一個可流動的液相整體，一直到所有的主體部位都趨近凝固時，由于十字筋與T 形筋部位厚于其他部位，所以仍然是液態，等到完全凝固時，十字筋或T 形筋位熱節部位就形成了縮松。通過軟件模擬澆注凝固全過程，得知縮松縮孔現象主要發生部位，據此對工藝進行優化。

由軟件模擬可知，鑄造過程中導致柱窩柱帽出品率低的主要原因是因為柱窩十字筋與柱帽部位較厚處在凝固時未能進行補縮，導致金屬由液態變為固態時在縮孔處產生瑕疵，在鑄件成型后被放大成樹枝狀的裂紋，也就成了報廢工件，即使加工合格，柱窩十字筋部位也是一個薄弱的部位，很難確保液壓支架運行時的穩定性[3]。因此在無加工熔模澆注工藝中，針對冒口先于十字筋凝固的問題，可通過技術優化解決凝固次序問題。

4.1 外冷鐵工藝

外冷鐵工藝是指在型腔內部和工作表面安放常溫的金屬塊從而加快鑄件某一部位的凝固速度的工藝，通過在模型內靠近十字筋的位置安裝具有特定激冷面積的金屬塊，來加快十字筋部位的凝固速度，使其在冒口凝固前凝固，避免出現十字筋部位縮孔時沒有金屬液相補足的問題。

4.2 冒口加熱保溫

除了外冷鐵工藝使十字筋部位進行保溫外，還要通過工藝技術解決局部加熱冒口以延緩冒口液相凝固時間。傳統鑄造工藝的冒口是由人工在砂箱上部操作，以捂砂型冒口作為補縮部位，這種工藝下，當鋼水上升到冒口處時，由于急冷環境使鋼水表面立刻結成一層鋼水膜，阻隔了柱窩十字筋部分的補縮效果。因此考慮保溫自熱型冒口作為補縮部位，采用隔熱性能較好的硅砂、磚粉或紙漿作為冒口的隔熱材料，阻止冒口與外界環境的熱交換。另一方面采用短時間內可以燃燒產生大量熱能的高效發熱材料，如鋁粉、鋁鎂合金、氧化鐵等對冒口進行二次加熱。在保溫與加熱的雙重作用下，冒口的凝固速度會遠低于柱窩王字形筋部位與柱帽較厚的部位，也就起到了合理補縮的效果。優化后的無加工熔模澆注鑄造工藝出產的柱窩與柱帽部件，不存在因縮孔、縮松導致的鑄造缺陷，工件出品率極高。

5 結語

綜上所述，經無加工鑄造技術生產出的柱窩柱帽部件，與其他金屬加工成型技術相比，無需對工件進行二次切削加工，工件精度高于傳統加工鑄造，使用質量也優于傳統加工鑄造工件。且由于熔模鑄造的出品率較高，還具有一定的經濟效益。