反井鉆機(jī)動(dòng)力頭箱體以焊代鑄制造工藝研究

張春燕，孔 進(jìn)，王榮武

寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

反井鉆機(jī)廣泛應(yīng)用于煤礦、金屬礦山等各類巖層井筒鉆進(jìn)工程。動(dòng)力頭是反井鉆機(jī)的核心部件，承受轉(zhuǎn)矩和推力液壓缸的推拉力。反井鉆機(jī)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩傳遞路線：液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)齒輪組傳遞給鉆具系統(tǒng)，然后驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)完成導(dǎo)孔及擴(kuò)孔作業(yè)。動(dòng)力頭上的液壓缸座與反井鉆機(jī)上的主推液壓缸相連，通過主推液壓缸的伸縮將推拉力傳遞給鉆具系統(tǒng)[1]。

動(dòng)力頭的箱體通常采用鑄件設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單成型好等優(yōu)點(diǎn)，但鑄造箱體存在鑄造缺陷較多、鑄造制造周期較長、成本高等問題。為了滿足市場需求，降低成本，縮短箱體制造周期，筆者通過對反井鉆機(jī)動(dòng)力頭箱體結(jié)構(gòu)及工藝進(jìn)行分析，研制了焊接箱體。

1 焊接箱體

焊接箱體結(jié)構(gòu)示意如圖 1 所示，由上箱體和下箱體 2 部分組成。箱體中軸承位和液壓缸座采用鍛件，材質(zhì)選用合金結(jié)構(gòu)鋼 42CrMo，箱體其余的面板、側(cè)板、底板、U 形側(cè)板和肋板均選取 Q690 高強(qiáng)板。上箱體和下箱體的軸承座與面板、底板為定位止口式鑲嵌焊接，并在軸承座外端和面板、底板之間焊接一定數(shù)量的肋板，增強(qiáng)上箱體和下箱體的強(qiáng)度。下箱體的U 形側(cè)板與液壓缸座為鑲嵌式結(jié)構(gòu)，并在側(cè)面和液壓缸座上、下位置焊接肋板，保證液壓缸座與箱體主體的連接強(qiáng)度。各零件焊縫均為雙面焊接。

圖1 焊接箱體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of welding box

2 焊接箱體制造工藝研究

2.1 制造工藝

制造工藝的研究主要解決兩個(gè)方面問題：一是提高焊接質(zhì)量；二是控制焊接變形。箱體制造工藝可概括為零件的制備、焊接、加工 3 個(gè)方面。為保證焊接質(zhì)量，減少焊接變形，在設(shè)計(jì)工藝流程方案時(shí)，各工藝步驟中增加相應(yīng)的預(yù)熱處理和檢驗(yàn)等過程控制流程。焊接工藝如圖 2 所示，具體可概括為零件制備、焊接組裝、焊接預(yù)熱、焊接、焊接后熱處理、熱時(shí)效處理、滲漏檢驗(yàn)和加工 8 個(gè)步驟。

圖2 焊接工藝Fig.2 Welding process

在工藝方案確定后，增強(qiáng)過程控制管理，通過各工藝步驟的執(zhí)行控制，解決結(jié)構(gòu)件箱體焊接時(shí)的、開裂等問題。

2.2 零件制備

板材件均采用數(shù)控等離子氣割或數(shù)控火焰氣割方式下料，焊接坡口用自動(dòng)坡口機(jī)加工，下料后進(jìn)行調(diào)平和修磨處理；軸承座和液壓缸座采用 42CrMo，該材質(zhì)具有高強(qiáng)度和韌性，且調(diào)質(zhì)處理后具有較高的疲勞極限和抗沖擊能力。為提高機(jī)械性能，切割下料后進(jìn)行鍛造，鍛造后進(jìn)行正火處理，消除材料內(nèi)應(yīng)力，然后進(jìn)行粗加工及調(diào)質(zhì)處理來增加抗拉強(qiáng)度，調(diào)質(zhì)后進(jìn)行零件的外形尺寸及焊接坡口的加工，關(guān)鍵尺寸進(jìn)行留量處理，并在焊接后加工。

2.2.1 焊接工藝

箱體結(jié)構(gòu)中軸承座和液壓缸座為 42CrMo，Ceq 值高達(dá) 0.893%，可焊性較差，若焊條和焊接工藝選用不當(dāng)易產(chǎn)生冷裂紋；各面板和肋板材質(zhì)為 Q690，屈服強(qiáng)度 ≥690 MPa，屬于高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼。

(1) 焊接組裝 按照使用主次關(guān)系和搭接方式依次焊接組裝零件。首先在箱體面板上組裝，點(diǎn)焊鍛件軸承座，組裝點(diǎn)焊時(shí)嚴(yán)格要求不允許在工件非焊接處引弧，以免損傷外觀；其次在面板與軸承座焊接后，再依次點(diǎn)焊側(cè)板、液壓缸座和各連接肋板。考慮各零件的焊接質(zhì)量，組裝點(diǎn)焊控制參數(shù)如表 1 所列。

表1 組裝點(diǎn)焊控制參數(shù)Tab.1 Control parameters of assembly spot welding

(2) 整體預(yù)熱 焊接前組裝焊件整體進(jìn)行裝爐預(yù)熱，防止產(chǎn)生焊接裂紋，預(yù)熱溫度控制在 150～200℃，符合焊接要求后，方可出爐焊接。

(4)石夾剖面早石炭世下石炭統(tǒng)的底部發(fā)育灰黑色頁巖，是Hangenberg事件及其D-C生物滅絕事件在深水相的石夾水庫剖面上的具體表現(xiàn)，推測殘留海槽拉張導(dǎo)致的海底火山熱液活動(dòng)是事件發(fā)生的影響因素之一。

(3) 箱體焊接 焊接過程中通過間歇性溫度測量，控制焊接層間溫度。在箱體焊接時(shí)，下箱體內(nèi)腔焊接 2 道工藝?yán)?，以防止焊接溫度受熱不均產(chǎn)生整體變形，焊接具體控制參數(shù)如表 2、3 所列。

表2 面板與軸承座焊接參數(shù)Tab.2 Welding parameters of panel and bearing seat

(4) 焊接后熱處理 焊接后箱體進(jìn)行熱處理，減緩焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，防止冷裂紋的產(chǎn)生。焊后熱處理溫度為 200～250 ℃，保溫 3 h 后進(jìn)行空冷。

表3 側(cè)板焊接參數(shù)Tab.3 Welding parameters of side plate

(5) 熱時(shí)效處理 焊后熱時(shí)效處理是利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流動(dòng)，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加，從而使焊接殘余應(yīng)力降低，減少焊接變形。熱時(shí)效溫度控制在 550 ℃，隨爐保溫 3 h 后，出爐空冷。

(6) 煤油滲漏檢驗(yàn) 將箱體清理干凈，在上、下箱體外壁焊縫涂上粉筆水溶液 (白堊粉水溶液)。待干燥后再于箱體內(nèi)壁噴涂煤油 2～3 次，使內(nèi)壁表面得到足夠浸潤。經(jīng)過 1 h 后，檢查白粉處是否有油漬，當(dāng)箱體焊縫滲漏檢查合格后，方可進(jìn)行后序處理。通過箱體滲漏檢查，可以保證動(dòng)力頭齒輪箱體內(nèi)齒輪油不會(huì)發(fā)生滲漏現(xiàn)象。

2.2.2 加工工藝

上、下箱體采用粗、精分序加工。首先上、下箱體的軸承座內(nèi)孔和結(jié)合端面分別進(jìn)行預(yù)留量加工，但上、下箱體之間的連接螺栓孔考慮端面加工預(yù)留量后直接精加工。其次，上、下箱體粗加工后進(jìn)行二次熱時(shí)效處理，以此減少殘余應(yīng)力。

(2) 上、下箱體合箱精加工 合箱精加工前要先將箱體和箱蓋的結(jié)合面以軸承座內(nèi)腔為基準(zhǔn)完成加工，再用相應(yīng)的螺栓預(yù)緊成整體。合箱精加工時(shí)，采用專用裝夾工裝，控制加工制造過程中產(chǎn)生的裝夾變形。加工時(shí)均以軸承座內(nèi)孔為公共基準(zhǔn)找正加工，同時(shí)加工液壓缸座內(nèi)孔。在精加工過程中，要加大切削液的補(bǔ)給，以減小加工應(yīng)力和局部變形，保證箱體精加工尺寸精度。

2.3 外觀質(zhì)量

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上通過噴丸處理、修磨等方式提升箱體外觀質(zhì)量。

(1) 各板材件均采用數(shù)控等離子氣割或數(shù)控火焰氣割方式進(jìn)行下料，焊接坡口用自動(dòng)坡口機(jī)加工，下料后進(jìn)行調(diào)平和修磨處理，提高板材的外觀質(zhì)量。

(2) 通過箱體焊接時(shí)清除焊渣，對焊道進(jìn)行拋光修磨，尖棱部位倒鈍，清除加工鐵屑，焊接后進(jìn)行噴丸處理，提高外觀質(zhì)量，如圖 3 所示。

圖3 噴丸處理后的下箱體Fig.3 Lower box after shot peening

(3) 箱體在精加工后，對加工面進(jìn)行修研和表面防銹處理，對非加工表面進(jìn)行噴漆處理 (2 遍底漆和 1遍面漆)，以保證外觀質(zhì)量。

3 實(shí)例應(yīng)用

按照焊接箱體的制造工藝，對反井鉆機(jī)箱體進(jìn)行樣機(jī)制造，制造完成后對箱體組裝成動(dòng)力頭并與反井鉆機(jī)整機(jī)組裝，如圖 4 所示。

圖4 焊接箱體的反井鉆機(jī)Fig.4 Raise boring machine with welding box

通過反井鉆機(jī)整機(jī)進(jìn)行空載和模擬工況試驗(yàn)，焊接箱體各項(xiàng)指標(biāo)正常，滿足設(shè)計(jì)要求。反井鉆機(jī)在某鐵礦完成了 2 個(gè)井筒的施工作業(yè)，共計(jì) 440 m，動(dòng)力頭焊接箱體沒有出現(xiàn)焊縫開裂、箱體滲油等問題，滿足使用要求。

4 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用證明，通過在箱體焊接中利用控制焊接參數(shù)、熱時(shí)效處理、滲漏檢驗(yàn)等工藝過程控制手段，可以減少焊接應(yīng)力集中，防止箱體滲漏，采用焊后噴丸處理等技術(shù)提高了焊接外觀質(zhì)量。以焊代鑄技術(shù)在動(dòng)力頭箱體上的應(yīng)用，使箱體的制造周期由原來的 40 d 縮短為 30 d，制造周期縮短了 25%，同時(shí)成本降低了 20%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。