礦用液壓支架高性能柱窩鑄造與鍛造成形方法比較分析

鄭慶福，守晨鵬，王棟

1.鞍鋼股份有限公司 遼寧鞍山 114021

2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450016

1 序言

柱窩是礦用液壓支架的核心部件，同時(shí)也是液壓支架中最關(guān)鍵的受力件之一[1]，其包括頂梁柱窩及底座柱窩，一般位于頂梁、底座的內(nèi)外主筋之間，中間通過立柱連接，在工作時(shí)間接承受頂板壓力[2，3]，在井下要接受各種不同的地質(zhì)條件和惡劣環(huán)境，以及一些不可預(yù)知的突發(fā)情況的考驗(yàn)，因此柱窩必須要有良好的綜合性能。

國內(nèi)外大多數(shù)液壓支架產(chǎn)品的柱窩采用鑄造工藝生產(chǎn)，隨著用戶對(duì)液壓支架支護(hù)能力要求的提高，對(duì)柱窩的綜合性能及制造質(zhì)量要求也越來越苛刻，一些高端液壓支架在服役時(shí)，ZG30Cr06A材質(zhì)的柱窩成為了易損件，給液壓支架生產(chǎn)商及礦方都帶來了負(fù)面影響。因此，為了提高柱窩在惡劣工礦條件下的使用性能，有必要對(duì)柱窩的制造方法進(jìn)行思考與探索。

2 柱窩結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)，其由柱窩、耳板一、耳板二組成；圖2所示為典型頂梁柱窩三維結(jié)構(gòu)。

圖1 典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)

圖2 典型頂梁柱窩三維結(jié)構(gòu)

對(duì)于典型頂梁柱窩結(jié)構(gòu)而言，由于其有兩個(gè)突出的耳板，模鍛難度較大，同時(shí)嚴(yán)重降低模具壽命，因此選用分體鍛造的方法，即將柱窩、耳板一、耳板二分成3個(gè)零件，分別鍛造后再拼焊。

因?yàn)橹C的體積及投影面積均較大，理論上對(duì)設(shè)備噸位的要求較高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減小柱窩的重量、投影面積，另外由于鍛造過程中金屬的流動(dòng)不如鑄造，因此在各個(gè)面的拐角處應(yīng)盡量加大圓弧過渡，一則可以保證模鍛時(shí)的金屬充滿，二則可以延長模具的使用壽命。

3 工藝對(duì)比分析

適合柱窩的生產(chǎn)工藝有鑄造、鍛造兩種，首先對(duì)鑄造與鍛造兩種工藝進(jìn)行對(duì)比分析，知其優(yōu)劣。

（1）鑄造 鑄造是現(xiàn)行柱窩生產(chǎn)工藝，具有生產(chǎn)周期短，成形精度高，后續(xù)加工量少或無后續(xù)加工量等特點(diǎn)。根據(jù)不同礦井的使用條件，選用相應(yīng)的鑄鋼材料，在有效控制鑄造缺陷、保證鑄件質(zhì)量的前提下，能滿足絕大多數(shù)的工況需求，是柱窩生產(chǎn)的主流工藝，也是首選制造方法，具有不可替代性。但由于以下原因，鑄造生產(chǎn)的柱窩在工況比較惡劣、使用要求較高的礦井下使用仍有其一定得局限性。

1）鑄件在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生氣孔、夾渣、成分偏析等各種鑄造缺陷[4]，在實(shí)際使用過程中，這些缺陷將是應(yīng)力集中點(diǎn)與起裂的源頭，將大幅縮短柱窩壽命降低最大承載能力。

2）鑄鋼材料的局限性，特別是高強(qiáng)度鑄鋼的開發(fā)使用都有其局限性。

3）由于鑄件內(nèi)部易形成鑄造缺陷、成分偏析且內(nèi)部晶粒偏大等各種情況，其綜合力學(xué)性能特別是韌度較低。

（2）鍛造 鍛造是一種借助工具或模具在沖擊或壓力作用下加工金屬機(jī)械零件或毛坯的方法，與鑄造相比，可以消除內(nèi)部缺陷、改善或消除內(nèi)部成分偏析[5]，得到均勻、細(xì)小的低倍和高倍組織，其韌性高、纖維組織合理，金屬流線完整，鍛件的力學(xué)性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。針對(duì)柱窩來說，可根據(jù)具體要求選用相應(yīng)的圓鋼鍛制，但鍛造也有以下不足。

1）設(shè)備的局限性，特別是模鍛件，因其不是累計(jì)變形且一次變形量大、投影面積大，所以對(duì)設(shè)備噸位要求較高。

2）鍛件的加工成本高，特別是對(duì)設(shè)備要求高的加工成本更高。

3）鍛造不能像鑄造那樣成形比較復(fù)雜的零件，且精度較低，并且必須保有拔模斜度，其后續(xù)必須機(jī)加工最終成形，并且加工量較大。

4）鍛造柱窩由于模具制作、設(shè)備限制等原因，其生產(chǎn)周期較長。

經(jīng)以上對(duì)比分析可知，鍛造柱窩的韌性更好，綜合力學(xué)性能要好，其質(zhì)量得到優(yōu)化，更加適合在惡劣工況下服役的液壓支架使用。

4 柱窩材質(zhì)分析

目前，國內(nèi)液壓支架行業(yè)柱窩常用材料主要有27SiMn鋼、30CrMo鋼、42CrMo鋼和ZG30Cr06A等。近年來，由于27CrNiMo鋼中加入更高含量的Ni元素來提高鋼的韌度，因此在液壓支架的生產(chǎn)中也有所應(yīng)用。由于柱窩與液壓支架主體結(jié)構(gòu)件的連接方式為焊接，且液壓支架質(zhì)量大，焊后只能進(jìn)行緩冷而無法進(jìn)行回火，因此材質(zhì)的選取不僅需要強(qiáng)度指標(biāo)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，還需考慮最終選用材質(zhì)的焊接性。

（1）材料的化學(xué)成分 幾種柱窩材料主要化學(xué)成分見表1，其碳當(dāng)量根據(jù)計(jì)算公式[CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]，按照每種材料相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分計(jì)算所得。

表1 柱窩用材料主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（2）材料的焊接性 依據(jù)國標(biāo)GB/T 4675.1—1984《焊接性試驗(yàn) 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》對(duì)27SiMn鋼、30CrMo鋼在預(yù)熱溫度100℃下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平均斷面裂紋率分別為25.87%和28.44%，說明兩種材質(zhì)的焊接性均較差，若應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，即使與焊接性較好的低碳鋼一起拼焊，也要采用較高溫度的預(yù)熱，一般生產(chǎn)中采用150～200℃預(yù)熱，避免產(chǎn)生冷裂紋，影響焊縫質(zhì)量。

（3）材料的力學(xué)性能 對(duì)部分備選材質(zhì)進(jìn)行鑄造或鍛造試驗(yàn)，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其力學(xué)性能見表2。

表2 部分備選材質(zhì)力學(xué)性能

上述幾種材料的強(qiáng)度均滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求，但由于27CrNiMo鋼具有更好的韌度，斷后伸長率也較高，更適用于惡劣工況下服役的液壓支架柱窩生產(chǎn)。

5 鍛造柱窩坯料研究

為摸清鍛造坯料對(duì)成品性能的影響，我們?cè)谀承吞?hào)柱窩使用ZG30Cr06A方形鑄坯進(jìn)行了具體零件的分析，試樣的力學(xué)性能取樣位置如圖3所示，試驗(yàn)柱窩各取樣部位力學(xué)性能見表3。

圖3 取樣位置示意

從表3可看出，該零件的力學(xué)性能并沒有得到明顯改善，尤其是沖擊性能甚至有所下降，在鍛造時(shí)變形較大的區(qū)域力學(xué)性能較好，鍛造加工可以提高零件的綜合性能，且應(yīng)保證一定的鍛造比[6]。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇質(zhì)量良好的熱軋或鍛制圓鋼，這樣成品柱窩將有足夠鍛造比。

表3 不同取樣位置的力學(xué)性能

除此之外，坯料的選擇對(duì)鍛造成品的質(zhì)量有較大影響。應(yīng)盡量避免使用鑄造方法制作接近最終零件形狀的坯料然后進(jìn)行鍛造加工，因其鍛比較小，不能保證鍛件鍛透，可能存在大量的鑄態(tài)組織殘留，若鑄錠內(nèi)有縮孔、氣孔等缺陷，原鑄錠內(nèi)將有極大概率出現(xiàn)較規(guī)則的縮孔、氣孔，進(jìn)而成長為不規(guī)則的裂紋，或縮孔、氣孔等缺陷并不在鍛造變形區(qū)，鍛后缺陷依然存在，影響鍛件的韌性及疲勞強(qiáng)度等。這樣的鍛件綜合力學(xué)性能不會(huì)比鑄件有大的提高，甚至還會(huì)有所降低。另外，由于沒有鍛透，零件外部有一定的金屬流線，晶粒組織較好，而內(nèi)部由于沒有接受鍛造變形，仍為鑄態(tài)組織，將給后續(xù)的熱處理帶來困難，不易控制，熱處理后的零件不同部位將出現(xiàn)較大力學(xué)性能差異，為產(chǎn)品帶來質(zhì)量隱患。

6 結(jié)束語

1）對(duì)于下端有耳板結(jié)構(gòu)的柱窩，選擇分體鍛造，加大過渡圓弧等，可以降低生產(chǎn)難度，提高模具使用壽命。

2）鍛造柱窩比鑄造柱窩的綜合力學(xué)性能好，質(zhì)量得到優(yōu)化，更適合在惡劣工況下服役的液壓支架使用。

3）27SiMn鋼、27CrNiMo鋼、30CrMo鋼、42CrMo鋼和ZG30Cr06A的焊接性均較差，焊前需要進(jìn)行預(yù)熱，焊后進(jìn)行緩冷處理。以上材料的強(qiáng)度均較高，但27CrNiMo鋼的韌性更好，更適用于大阻力、惡劣工況服役的液壓支架柱窩。

4）鍛造柱窩的坯料應(yīng)選用經(jīng)過軋制或鍛造的圓鋼，這樣成品柱窩將有足夠鍛造比，在保證綜合力學(xué)性能的同時(shí)有助于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。