3D打印技術在乳化液泵站殼體維修中的應用

喬永軍

（神東煤炭集團設備維修中心，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備的主要動力源［1-3］。在煤礦生產中經常產生因乳化液泵長期超負荷運行或潤滑不當、冷卻不當等因素造成滑道孔磨損、刮傷、灼燒和破損以及軸承孔變形、磨損、劃傷等情況［4-6］，導致箱體不能繼續(xù)服役，給煤礦企業(yè)的正常生產帶來影響，也造成了極大的經濟損失。為了積極響應建設環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的一流煤礦企業(yè)的號召，減少現有資源浪費，實現高價值零部件的維修再制造，是實現資源的合理利用、降低企業(yè)運營成本的有效措施。通過多次現場調研，根據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，認為對該類失效的曲軸箱殼體進行維修，不僅可挽回巨大的經濟損失，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

曲軸箱結構如圖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 曲軸箱結構

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

2 乳化液泵殼體修復工藝

2.1 乳化液泵殼體修復技術要求

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，長期運行中在較大負載沖擊下，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精度、耐磨性提出了較高的要求，因此乳化液泵殼體的修復難度較大［10-12］。例如：箱體整體變形，初始基準缺失；滑道孔和軸承孔都存在問題，且滑道孔孔徑較小，修復時須確保二者的形位公差滿足技術要求；修復時需考慮箱體材質及控制熱輸入，避免修復時產生二次變形，導致箱體報廢。此外，修復層與基體之間的結合強度要求高，避免在交變載荷、機械振動及摩擦條件下的修復層脫落、掉塊，導致軸承劃傷、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運動中，其潤滑性、耐磨性要求更高。

2.2 乳化液泵殼體修復技術分析

在維修再制造領域，對于機械零部件的常用修復技術手段有堆焊、電刷鍍、噴涂等，但普通的堆焊技術熱輸入大，熱影響區(qū)大，控制變形困難，容易導致零部件產生很大的內應力，焊接變形大，且由于乳化液泵殼體材質的特殊性，采用一般的焊接工藝進行修復后，易導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要求，變形后其很難恢復形位公差；電刷鍍技術是一種表面修復技術，對于無相對運動部位的修復具有變形小，能恢復尺寸的優(yōu)勢，但鍍層與基體結合力差，且能修復的厚度有限制，其對于存在變形或尺寸偏差大的部件很難進行有效的維修，并且對環(huán)境有較大影響，在當前環(huán)保的高壓態(tài)勢下，該技術的應用受到很大限制，故一般不采用該技術進行乳化液泵殼體的維修；噴涂技術是一種表面改性技術，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，其與基體的結合強度不高，易脫落，且粉末顆粒易進入潤滑油中，隨著柱塞的運動，被帶入到滑道孔中，導致滑道孔劃傷或拉傷。

2.3 3D打印技術

3D打印技術是近年來發(fā)展起來的一門新興技術，它是綜合機械工程、計算機數控技術、激光加工技術及材料科學技術于一體，以“離散+堆積”為特點的快速數字化成形技術。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（SLS）、激光立體成形（LSF）和選區(qū)激光熔化（SLM技術）。其中激光立體成形技術（LSF）是采用送粉設備在軟件控制下逐層堆積熔化金屬粉末的快速成形技術，該技術不僅可以實現零件的三維實體的快速制造，而且也可應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［13］。與其他修復技術相比，3D打印修復技術具有稀釋度小，組織致密，修復層與基體結合強度高，可熔覆梯度材料以及可進行選區(qū)修復，零件熱變形小，修復層性能優(yōu)異等特點［14-15］。

經過多次技術調研和分析，擬對損傷的乳化液泵站殼體采用3D打印技術進行維修，以期提高修復的成功率，減少零件的報廢。

2.4 3D打印技術修復流程

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

圖2 乳化液泵站殼體修復工藝流程

在清洗時先對殼體進行拆解，然后采用水洗+超聲波清洗相結合的方式，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、軸承孔及箱體進行整體探傷，對于有裂紋或不具備修復條件的殼體予以篩選，避免后期使用的風險；初加工需根據殼體的損傷形式、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)修復及加工的量。然后再根據初加工量確定修復量，通過計算確定修復層數。3D打印修復完成之后，即按照初加工基準對修復零件進行精加工，加工完之后，對毛刺、邊角部位進行人工打磨處理。完成后按照標準力矩進行裝配，擰緊螺栓，之后進行三坐標測量。

2.5 3D打印修復注意事項

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

滑道孔修復：因滑道孔通常拉傷、劃傷面積較大，且滑道孔孔徑太小，補焊修復達不到一致性和耐磨性效果，故一般不直接采用3D修復，而是進行整體修復，采用比本體材料強度、耐磨性更好的合金鑄鐵材質進行修復，確保其耐磨強度的一致性，也不易使滑塊產生損傷。

軸承孔修復：軸承孔修復時，需根據其損傷形態(tài)進行預處理，然后進行3D打印修復，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行過渡，然后在表面沉積耐磨材料。

3 修復設備及結果分析

在滿足產品修復要求的前提下，3D打印技術修復殼體需配備3D打印設備一套、轉臺、超聲波清洗設備、數控加工設備、三坐標檢測設備及必要的輔助設備一套。

采用3D打印修復技術進行成分分析后，選擇合適的修復材料及工藝，完成了乳化液泵殼體的維修，經三坐標檢測，滿足乳化液泵殼體的尺寸精度要求和形位公差要求，經裝機上線試運行，配合良好，運轉平穩(wěn)，未發(fā)生故障。證明了3D打印技術在乳化液泵殼體維修的可行性。據統(tǒng)計，采用此工藝累計修復55臺曲軸箱殼體，預計每年能夠節(jié)省120余萬元的殼體采購支出。同時，經過試驗，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，為再制造技術的應用拓展、3D工藝技術的應用領域奠定了堅實的技術理論基礎，并且取得了良好的經濟效益，可在相關企業(yè)、單位進行推廣應用。

4 結語

3D打印技術不同于“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修復打印技術可僅在工件表面施加高性能材料，而不必在基體內損耗貴重的材料，不僅可以提高構件的綜合性能，而且節(jié)約成本具有良好的經濟效益。采用3D打印技術修復的曲軸箱殼體滿足各項指標，提高了修復的成功率，減少了零件的報廢率。