采用HFW精密焊管生產(chǎn)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(tuán)有限公司，北京 100081）

采用HFW精密焊管生產(chǎn)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(tuán)有限公司，北京 100081）

介紹了液壓缸缸筒用鋼管的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10305、美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM A513/519和國標(biāo)GB 8713現(xiàn)狀，指出國產(chǎn)液壓缸缸筒用焊接鋼管標(biāo)準(zhǔn)的空白成為采用HFW焊管生產(chǎn)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(zhì)的化學(xué)成分和力學(xué)性能，認(rèn)為Q345鋼適合作為液壓缸缸筒常用材質(zhì)。闡述了目前液壓缸缸筒的幾種生產(chǎn)工藝，著重分析了新型HFW精密焊管作為管坯生產(chǎn)液壓缸缸筒的工藝及其應(yīng)用，指出GB/T 31315標(biāo)準(zhǔn)的實施將促進(jìn)液壓缸缸筒用HFW精密焊管的生產(chǎn)。

HFW；精密焊管；液壓缸缸筒；生產(chǎn)工藝

液壓傳動是現(xiàn)代工程及裝備中的重要使用方式，廣泛應(yīng)用于起重運輸、工程機(jī)械、冶金機(jī)械及汽車工業(yè)等領(lǐng)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(nèi)腔盛裝流體的關(guān)鍵元件，因此，液壓缸筒對液壓油缸的壽命起到關(guān)鍵性作用[3]。輕量化及高壓化是液壓缸的發(fā)展趨勢，因而對缸筒的強(qiáng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 標(biāo)準(zhǔn)概況

對于液壓及氣動缸筒用鋼管的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)有EN 10305《精密鋼管交貨技術(shù)條件》，其中EN 10305-4《液壓氣動系統(tǒng)用冷拔無縫鋼管》和EN 10305-6《液壓氣動系統(tǒng)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(xì)規(guī)定。美標(biāo)也有ASTM A513《機(jī)械工程用碳素鋼和合金鋼電阻焊鋼管》和ASTM A519《機(jī)械工程用碳素鋼和合金鋼無縫鋼管》。相對于歐標(biāo)和美標(biāo)，中國僅有GB 8713《液壓和氣動缸筒用精密內(nèi)徑無縫鋼管》，并且該標(biāo)準(zhǔn)的最新版本發(fā)布時間為1988年，標(biāo)準(zhǔn)要求已與目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀嚴(yán)重脫節(jié)。據(jù)悉，由徐工液壓件公司組織申報的《液壓和氣動系統(tǒng)用冷拔或冷軋精密無縫鋼管》國家標(biāo)準(zhǔn)制定計劃獲全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化委員會立項批復(fù)，該標(biāo)準(zhǔn)將對GB 8713進(jìn)行更新和完善。目前，GB 8713《液壓和氣動缸筒用精密內(nèi)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(yè)采購缸筒用鋼管的標(biāo)準(zhǔn)。由江蘇中友精密制管有限公司起草的GB/T 31315《機(jī)械結(jié)構(gòu)用冷拔或冷軋精密焊接鋼管》已于2014年12月5日發(fā)布，將于2015年9月1日起實施，這一標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實施將填補我國精密焊接鋼管國標(biāo)的空白，可作為液壓缸缸筒用鋼管訂貨選用標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 不同標(biāo)準(zhǔn)對液壓缸缸筒用鋼管的理化性能要求

表1給出了歐標(biāo)、美標(biāo)和國標(biāo)中液壓缸缸筒用鋼管的常用牌號的主要化學(xué)成分。

目前，國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)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(yè)普遍使用的鋼材是E355，屬于一種低碳合金鋼，在保證強(qiáng)度的同時避免了我國油缸行業(yè)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(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

表1 缸筒用鋼管的主要化學(xué)成分 %

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

表2 缸筒用鋼管的力學(xué)性能

由表2可以看出，27SiMn合金鋼主要是作為調(diào)質(zhì)材料使用，其調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度可達(dá)835 MPa以上；Q345鋼由于具有良好的強(qiáng)度與韌性，斷后伸長率指標(biāo)很高，適合冷拔生產(chǎn)，其冷拔后的各項性能大大優(yōu)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(zhì)。

2 液壓缸缸筒生產(chǎn)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)切削粗加工工藝

目前，國內(nèi)生產(chǎn)液壓缸缸筒基本上都是用無縫鋼管作為坯料，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 液壓缸傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖

其中，把生產(chǎn)液壓缸用缸筒半流程產(chǎn)品內(nèi)孔加工到位，而外圓經(jīng)粗加工成留有一定加工余量的半成品管，稱為液壓缸體管?？梢灾苯愉N售給成品液壓缸總裝廠再進(jìn)行后續(xù)的溝槽孔加工、外圓精加工、電鍍、清洗和裝配。國內(nèi)以山東礦機(jī)、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(chǎn)企業(yè)是使用傳統(tǒng)工藝，該工藝生產(chǎn)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(chǎn)品強(qiáng)度低。產(chǎn)品強(qiáng)度取決于無縫管管坯強(qiáng)度，25Mn熱軋態(tài)無縫管屈服強(qiáng)度≥295MPa，最小抗拉強(qiáng)度≥490MPa，斷后伸長率≥22%[4]。

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

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

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

2.2 酸洗冷拔退火工藝

為了降低傳統(tǒng)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(chǎn)效率。近十年來國內(nèi)生產(chǎn)液壓缸體管的工藝發(fā)生了一些變化[8]，部分液壓缸生產(chǎn)企業(yè)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(jī)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(chǎn)液壓缸的國內(nèi)代表企業(yè)有張家口長宇利華液壓系統(tǒng)制造有限公司、常州騰田液壓機(jī)械有限公司、無錫振華機(jī)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(tǒng)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(dá)到70%~75%。

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

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

（4）尺寸精度稍低。內(nèi)孔精度可達(dá)H9級，內(nèi)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(chǎn)工藝不環(huán)保。在冷拔前必須對管子進(jìn)行堿洗除油、酸洗去銹、表面磷化和皂化潤滑，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢酸和廢水，污染環(huán)境。

3 新型液壓缸缸筒生產(chǎn)工藝

隨著熱軋帶鋼技術(shù)的進(jìn)步，HFW焊管的成型和焊接技術(shù)也在不斷提高，從而為HFW焊管的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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(nèi)外表面質(zhì)量好等優(yōu)點，在20世紀(jì)70—80年代國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)用HFW精密焊管作為坯料冷拔生產(chǎn)液壓缸缸筒。意大利瑪切嘉利公司已成為該行業(yè)的佼佼者，并且于2011年投資15億元人民幣在揚州建成投產(chǎn)了HFW精密管工廠[11]，其中E355材質(zhì)冷拔HFW液壓缸筒用管是其主打產(chǎn)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(jìn)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(yōu)勢更加明顯。

表3 金屬收得率比較表

（2）產(chǎn)品性能優(yōu)于無縫管坯冷拔退火珩磨管，以揚州瑪切嘉利產(chǎn)品E355為例，屈服強(qiáng)度≥540 MPa，抗拉強(qiáng)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(chǎn)液壓缸缸筒，雖然瑪切嘉利揚州工廠是國內(nèi)目前唯一建成投產(chǎn)的企業(yè)，但是國內(nèi)江蘇中友和江蘇豐立等精密制管企業(yè)已將此生產(chǎn)工藝成熟應(yīng)用于汽車減震器用管的生產(chǎn)，國內(nèi)也有企業(yè)用此工藝試制原料為J55的精密泵筒用管[12]。盡管國內(nèi)外的生產(chǎn)實例證明HFW焊管冷拔生產(chǎn)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(huán)保要求，同時缸筒的精加工工藝也有進(jìn)一步的改善余地。由新冶高科技集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)工程設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)備供貨的山東某公司采用HFW精密焊管生產(chǎn)液壓缸缸筒項目正在建設(shè)中，該項目的生產(chǎn)工藝對現(xiàn)有HFW焊管冷拔工藝進(jìn)行了改進(jìn)，形成了一種新的生產(chǎn)工藝，其流程如圖3所示。

圖3 采用HFW精密焊管生產(chǎn)液壓缸缸筒工藝流程圖

該生產(chǎn)工藝創(chuàng)新點為：

（1）采用HFW精密焊管替代無縫鋼管管坯進(jìn)行精深冷加工，是對傳統(tǒng)工藝技術(shù)的一種優(yōu)勢替代，體現(xiàn)了近終型成形技術(shù)進(jìn)步的方向。直緣線性+等剛度成型技術(shù)的應(yīng)用使得該項目產(chǎn)品規(guī)格達(dá)到φ（50～240）mm×（2～16）mm。

（2）微氧化熱處理技術(shù)、內(nèi)外表面機(jī)械除銹清理技術(shù)和特種潤滑技術(shù)相結(jié)合的綠色制造工藝，替代現(xiàn)行的酸洗、磷化、皂化等傳統(tǒng)污染工序，解決了冷加工鋼管行業(yè)長期存在的環(huán)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(nèi)孔刮滾代替內(nèi)孔珩磨工藝，尺寸精度得到進(jìn)一步提高，內(nèi)孔IT8~9級，外圓IT7~8級，直線度<0.20/1000mm，偏心率<1%t，內(nèi)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(jié) 論

（1）通過對液壓缸缸筒用鋼管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的比較研究，發(fā)現(xiàn)我國液壓缸缸筒用焊接鋼管標(biāo)準(zhǔn)的空白成為采用HFW焊管生產(chǎn)液壓缸缸筒的制約瓶頸。

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

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

（4）GB31315《機(jī)械結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)實施后將促進(jìn)液壓缸缸筒用HFW精密焊管的生產(chǎn)。

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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(chǎn)工藝研究和鋼管項目工程設(shè)計工作。

2015-04-27

羅 剛