周 成，田馥林

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西電力公司技能培訓(xùn)中心大同分部，山西 大同 037039）

堅(jiān)硬煤層大采高采煤機(jī)新材料研究和制造工藝的改進(jìn)

周 成，田馥林

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西電力公司技能培訓(xùn)中心大同分部，山西 大同 037039）

通過(guò)在國(guó)產(chǎn)鑄鋼中添加微量元素及相關(guān)工藝的改進(jìn)，細(xì)化了鑄鋼件的晶粒，在改良材料的基礎(chǔ)上研發(fā)全新的鑄鋼材質(zhì)，并使鑄造缺陷大大降低，對(duì)鑄鋼的組織形態(tài)進(jìn)行金相觀察以及對(duì)其各項(xiàng)機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，材料的機(jī)械性能得到了充分的發(fā)揮，用新材料加工的殼體其強(qiáng)度指標(biāo)提高了15%以上，綜合力學(xué)性能指標(biāo)接近（不小于5%）或達(dá)到進(jìn)口鑄鋼件的性能指標(biāo)。并對(duì)搖臂殼體的鑄造，牽引殼體、電控箱體的焊接，搖臂殼組件、內(nèi)齒圈、定位座孔的機(jī)械加工，齒輪類(lèi)零件的熱處理等工藝進(jìn)行了改進(jìn)。

堅(jiān)硬；大采高采煤機(jī)；新材料；制造工藝

堅(jiān)硬煤層大采高M(jìn)G1100/2760-GWD型電牽引采煤機(jī)作為目前國(guó)內(nèi)功率最大的采煤設(shè)備之一,是同煤集團(tuán)和上海創(chuàng)力集團(tuán)公司合作設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。新產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上采用了國(guó)內(nèi)、外的先進(jìn)技術(shù),在總體結(jié)構(gòu)上繼承并發(fā)展了原有產(chǎn)品的特點(diǎn)。由于新產(chǎn)品功率高、牽引力大,因此對(duì)零部件在材料、性能、工藝上提出了更高的要求。

1 新材料研究

MG1100/2760-GWD型電牽引采煤機(jī)截割部搖臂承載能力為1 100 k w,因此搖臂殼作為重要的部件,不僅要求具有一定的塑性和韌性,同時(shí)要求具有較高的強(qiáng)度與硬度。搖臂殼內(nèi)布置了行星架和齒輪,結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜,常規(guī)的材料不能滿(mǎn)足使用要求,國(guó)外進(jìn)口鋼材價(jià)格較高。為此,上海創(chuàng)力集團(tuán)股份有限公司與上海大學(xué)合作進(jìn)行了深入的研究,對(duì)進(jìn)口鑄鋼件的材料進(jìn)行分析,對(duì)鑄鋼的組織形態(tài)進(jìn)行金相觀察以及對(duì)其各項(xiàng)機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),通過(guò)在國(guó)產(chǎn)鑄鋼中添加微量元素及相關(guān)工藝的改進(jìn),細(xì)化了鑄鋼件的晶粒,在改良材料的基礎(chǔ)上研發(fā)全新的鑄鋼材質(zhì),并使鑄造缺陷大大降低,材料的機(jī)械性能得到了充分的發(fā)揮。用新材料加工的殼體其強(qiáng)度指標(biāo)提高了15%以上,綜合力學(xué)性能指標(biāo)接近(不小于5%)或達(dá)到了進(jìn)口鑄鋼件的性能指標(biāo)。

1.1 顯微組織

圖1 鑄鋼件的顯微組織對(duì)比

鑄鋼材料改良前后金相組織的對(duì)比照片,見(jiàn)圖1。由圖中可以看出,改良前鐵素體所占比例較大、較多,基本呈片狀;改良后晶粒變得細(xì)小,略呈球狀。

1.2 硬度

從改良前后的材料心部提取試樣進(jìn)行硬度測(cè)量,測(cè)試位置隨機(jī)選取,測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖2，圖3。從圖中可以看出,改良后硬度在190 HBS以上,后者硬度更高。

圖2 改良前鑄鋼件的硬度

圖3 改良后鑄鋼件的硬度

1.3 拉伸沖擊性能

對(duì)改良前后的鑄鋼件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表2。通過(guò)對(duì)比分析可以看出,改良后的材料在確保良好的塑性和韌性的前提下,強(qiáng)度指標(biāo)有了較大幅度的提升,完全達(dá)到了鑄鋼性能改良的初衷。

表1 改良前鑄鋼件拉伸沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表2 改良前鑄鋼件拉伸沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2 制造工藝研究

2.1 主要工藝技術(shù)準(zhǔn)備

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況,本著保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的原則,在工藝技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程中作了以下幾方面的改進(jìn)：

1）制定合理的工藝方案及工藝路線(xiàn),確保產(chǎn)品工藝技術(shù)準(zhǔn)備工作如期完成,保證產(chǎn)品制造的順利進(jìn)行;

2）編制全套的機(jī)加工工藝過(guò)程卡片、關(guān)鍵零件的工序卡片、下料工藝卡片、焊接及水壓試驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)等工藝技術(shù)文件;

3）設(shè)計(jì)制造必要的工裝及專(zhuān)用工具、刃具。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)的工裝,進(jìn)行先設(shè)計(jì)投產(chǎn),確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行;

4）確定工藝關(guān)鍵件、關(guān)鍵部位的加工方案,對(duì)于關(guān)鍵件進(jìn)行了跟蹤服務(wù),對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)處理;

5）為保證產(chǎn)品的質(zhì)量及提高生產(chǎn)效率,盡量采用成熟的工藝及技術(shù);

6）針對(duì)一些關(guān)鍵零件、關(guān)鍵部位,突出重點(diǎn)地進(jìn)行分析研究。

2.2 攻克技術(shù)關(guān)鍵

通過(guò)以上的技術(shù)準(zhǔn)備工作,為采煤機(jī)零部件的生產(chǎn)提供了技術(shù)保障,針對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵零部件的制造,主要解決以下一些問(wèn)題：

1）解決大型精密復(fù)雜殼體類(lèi)零件如搖臂、牽引箱的鑄造及精加工的問(wèn)題。各種殼體件經(jīng)粗加工后,去內(nèi)應(yīng)力處理,探傷再精加工,確保零件的內(nèi)在質(zhì)量及制造精度;

2）解決大型箱體組焊件的焊接問(wèn)題。箱體材料為低合金高強(qiáng)度鋼板,主要焊縫坡口采用機(jī)械加工,選擇藥芯焊絲進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊,焊后進(jìn)行去應(yīng)力退火及探傷檢查;

3）攻克高精度硬齒面齒輪、修形齒輪、內(nèi)外漸開(kāi)線(xiàn)花鍵的制造關(guān)鍵。主要傳動(dòng)齒輪精度到達(dá)6級(jí),所有硬齒面齒輪經(jīng)超聲探傷或磁力探傷;

4）對(duì)于防爆箱體的焊接,箱體質(zhì)量從下料到焊后的滲漏試驗(yàn)進(jìn)行全面控制,分腔打泵試驗(yàn),防爆接合面磷化處理,防爆試驗(yàn)要符合國(guó)家防爆驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的工藝研究

2.3.1 搖臂殼的鑄造工藝

搖臂殼是截割部的一個(gè)重要零件,為整體鑄鋼件。常規(guī)情況下鑄鋼因?yàn)槭湛s比較明顯,在鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)縮孔、縮松等鑄造缺陷。為了保證搖臂殼的質(zhì)量,對(duì)采煤機(jī)搖臂殼體鑄造工藝凝固時(shí)間的確定、凝固順序的確定、澆口、冒口的數(shù)量和位置的確定、冷鐵數(shù)量及位置確定進(jìn)行分析和試驗(yàn),并對(duì)鑄造工藝流程進(jìn)行了效果模擬。

通過(guò)對(duì)比工藝改進(jìn)前后的效果分析,鋼水在鑄造過(guò)程中飛散、紊流現(xiàn)象程度大為減輕,鑄件的凝固孤立區(qū)大大減少,鑄件的鑄造質(zhì)量大大提高。

2.3.2 搖臂殼組件的機(jī)械加工

1)該零件是關(guān)鍵件,加工精度要求很高,但其外形不規(guī)則,零件裝夾困難。為保證加工過(guò)程中裝夾的穩(wěn)定及安全,施焊工藝墊鐵,保證各處加工均具有準(zhǔn)確可靠的基準(zhǔn)。

2)針對(duì)零件余量多,加工時(shí)容易產(chǎn)生切削應(yīng)力的情況,應(yīng)及時(shí)調(diào)整工藝,由原來(lái)的焊接、回火、粗鏜、精鏜調(diào)整為焊接、粗鏜、回火、精鏜,有效地消除因切削應(yīng)力帶來(lái)的不穩(wěn)定性。

3)電機(jī)孔φ870×900,加工難度大,為此設(shè)計(jì)專(zhuān)用刀排。

2.3.3 左(右)牽引殼體的焊接

該件為組焊件,外形尺寸雖達(dá)3370×1810×1775 mm,但內(nèi)腔結(jié)構(gòu)緊湊,其中齒輪箱須作防滲漏試驗(yàn),焊接難度大,機(jī)加工精度要求也高,箱體壁厚達(dá)100 mm,產(chǎn)生焊接變形后整形難度大。通過(guò)分析,制定焊接作業(yè)指導(dǎo)書(shū),采取措施如下：

1)編制下料工藝卡片,控制下料尺寸,進(jìn)行預(yù)先機(jī)加工,提高箱體組裝的精度。

2)采取小組件分別組焊后再總裝焊接的方式。小組件采用的加工路線(xiàn)是焊接-加熱(時(shí)效)-整形。小組件焊后進(jìn)行熱時(shí)效消除應(yīng)力處理,然后再進(jìn)行整形,保證局部的焊縫質(zhì)量及尺寸精度。

3)箱體整體焊接時(shí),所有焊縫均對(duì)稱(chēng)施焊,先焊縱向長(zhǎng)焊縫,后焊橫向短焊縫,焊時(shí)隨時(shí)調(diào)整焊接順序,多層多道對(duì)稱(chēng)施焊,中長(zhǎng)焊縫采用分段退焊,長(zhǎng)焊縫由中間向兩端分段退焊。以減少焊接變形。

4)焊后采用回火消除焊接應(yīng)力。

2.3.4 內(nèi)齒圈Ⅱ的機(jī)械加工

針對(duì)以往類(lèi)似的薄壁類(lèi)零件加工后產(chǎn)生變形的問(wèn)題,由原來(lái)的粗車(chē)、調(diào)質(zhì)、精車(chē)、插齒、鉆孔改進(jìn)為：鍛坯(鍛后熱處理)→粗車(chē)→探傷→調(diào)質(zhì)→半精車(chē)→粗插齒→精車(chē)→精插齒→鏜鉆孔→磨齒,并且鉆孔采用對(duì)稱(chēng)位置鉆的方式。通過(guò)工藝改進(jìn),有效地控制了變形。

2.3.5 定位座的孔加工

該零件4-φ30H7孔對(duì)φ470f7外圓的位置度為0.01,使用常規(guī)的鉆模加工方式已不能滿(mǎn)足精度要求,通過(guò)精確找正將4-φ30H7孔的加工定位在加工中心上完成,類(lèi)似的情況還有CLME0503-2軸承座等一類(lèi)零件。

2.3.6 齒輪類(lèi)零件的熱處理

齒輪類(lèi)零件材料均為18Cr2Ni4WA,熱處理要求為：滲碳淬火,硬度要求為58-62HRC。該類(lèi)零件熱處理時(shí)都為多件操作,如堆積在一起會(huì)影響到加熱的均勻及冷卻的速度,從而影響熱處理質(zhì)量。為此設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝,保證零件在淬火加熱時(shí)均勻散開(kāi)放置,在淬火過(guò)程中冷快速冷卻,以提高淬火硬度,保證零件的硬度要求。

2.3.7 電控箱體的焊接

電控箱體為焊接件,主要部件板材材質(zhì)采用高強(qiáng)度板Q550與低合金鋼板Q345組焊而成。關(guān)鍵部位如下：

箱體精加工之后,電控箱頂部三組隔爆腔和冷卻水道需打壓,若組對(duì)在殼體上后再焊接水道蓋板,則一方面由于施焊空間受限,需要在隔爆腔內(nèi)進(jìn)行焊接,增加了焊接難度;另一方面由于水道蓋板周?chē)缚p比較集中、密集,且焊縫均分布于立板同側(cè),焊量大,焊后變形大,難于調(diào)平,控制不好,有可能壓裂,為了解決上述問(wèn)題,焊接工藝應(yīng)采取如下的措施。

1)采取小組件先焊的方式,焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接線(xiàn)能量輸入,嚴(yán)格控制焊接電流。電弧電壓和焊接電流之間保證嚴(yán)格的匹配關(guān)系,保持焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊縫成形良好。焊絲直徑、氣體流量、焊絲伸出長(zhǎng)度等參數(shù)均要按照鉚焊工藝守則執(zhí)行。

2)增加熱時(shí)效工序。小組件采用的加工路線(xiàn)是：鉚(焊接)→熱(時(shí)效)→鉚(調(diào)平)→機(jī)加(加工隔爆孔)。小組件焊后進(jìn)行熱時(shí)效消除應(yīng)力處理,然后再進(jìn)行調(diào)平,保證局部焊縫質(zhì)量和隔爆孔的加工精度。

3)電控箱殼體整體焊接時(shí),高強(qiáng)度板Q550與低合金鋼板Q345焊接時(shí)采用預(yù)熱處理,采用特殊焊絲進(jìn)行焊接,保證箱體整體強(qiáng)度。所有焊縫均對(duì)稱(chēng)施焊,先焊縱向長(zhǎng)焊縫,后焊橫向短焊縫,焊時(shí)隨時(shí)調(diào)整焊接順序,多層多道對(duì)稱(chēng)施焊,中長(zhǎng)焊縫采用分段退焊,長(zhǎng)焊縫由中間向兩端分段退焊。

4)焊后采用整箱回火處理,消除焊接應(yīng)力,它能消除殘余應(yīng)力20%-50%。

2.3.8 裝配

由于MG1100/2760-GWD型采煤機(jī)的零件個(gè)大、體重,傳統(tǒng)的裝配技術(shù)的使用受到了限制,零件裝配采用軸承及套類(lèi)零件加熱后熱裝,軸類(lèi)零件冷凍后冷裝的方法,保證裝配質(zhì)量。

3 加工設(shè)備及工具、夾具的改進(jìn)

3.1 滾齒機(jī)的改進(jìn)

行星架構(gòu)件長(zhǎng)度超過(guò)滾齒機(jī)加工范圍,為了解決花鍵的加工問(wèn)題,加工前改造滾齒機(jī),使其加工范圍擴(kuò)大,設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝,保證了行星架加工的順利進(jìn)行。

3.2 插齒機(jī)增加輔助工作臺(tái)

內(nèi)齒圈Ⅱ外圓尺寸φ1280 mm,超出插齒機(jī)加工范圍,為解決內(nèi)齒圈的插齒問(wèn)題,通過(guò)設(shè)計(jì)輔助工作臺(tái)的方法來(lái)擴(kuò)大機(jī)床的加工范圍,成功地解決了插齒問(wèn)題。

3.3 外圓磨床工裝的改進(jìn)

一軸齒輪零件φ160k6，φ130k6外圓對(duì)齒輪分度圓的同軸度誤差為0.015,磨外圓及磨齒加工時(shí)均需使用芯棒,如果采用一棒多件的方式,則在外磨及磨齒的芯棒裝卸中,會(huì)產(chǎn)生安裝誤差,將不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。加工過(guò)程增加了工裝的制作數(shù)量,采用一件一棒的方式,即零件在外磨完成后,芯棒不拆卸,隨零件轉(zhuǎn)至磨齒工序,進(jìn)行磨齒加工。這樣,避免了芯棒兩次安裝產(chǎn)生的誤差,保證零件的質(zhì)量。類(lèi)似的情況還有驅(qū)動(dòng)輪等齒輪零件。

通過(guò)新工藝、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用,通過(guò)不斷改進(jìn)工藝方法,提高工藝技術(shù)水平,使MG1100/2760-GWD型電牽引采煤機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。同時(shí)系統(tǒng)性考慮成本、生產(chǎn)節(jié)奏等方面的因素,進(jìn)一步加強(qiáng)工藝管理,使采煤機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量及制造水平能更上一個(gè)新的臺(tái)階。

[1]鄭文龍.金屬構(gòu)件斷裂分析與防護(hù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.

[2]汪守樸.金相分析基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1986.

[3]魏文光.金屬的力學(xué)性能測(cè)試[M].北京：科學(xué)出版社,1980.

[4]康力,張安義.金屬工藝性[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2005.

[5]馮朝陽(yáng),萬(wàn)中福,馮朝輝.滲碳淬火齒輪彎曲疲勞極限的確定[J].礦山機(jī)械，1999(3)：53-54.[6]張瀟云,周新建.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的改進(jìn)途徑[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2004(9)：4-6.

〔責(zé)任編輯 石白云〕〕

Research of New M aterials of Great M ining Height Shearer for Hard Seam and Im provment of its M anufacturing Process

ZHOU Chen，TIAN Fu－lin
（1.School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003；
2.Training Center of Datong，Shanxi Electric Power Corporation，Datong Shanxi，037039）

By adding trace elements to cast steel and improving relative process，the grains are refined.Aftermodifyingmaterials，new cast steelmaterials are developed and the weaknesses of casting are reduced.The organization of cast steel are observed by Metallographic Observation and variousmechanical functions are tested.After serveral experiments，themechanical functions are full played.The strength index of shellwhich ismade from new materials is elevated by 15%，its index of intergrated mechanical properties is close to that of imported castings.The casting shells of rocker arm and traction，thewelding of electronic－control box，themachining of rocker arm components，internal gear and location hole，and heat treatments of gear parts are improved.

hard；large－section；greatmining height shearer；new materials；manufacturing process

P208

A

2012－12－08

周成(1966-),男,山西大同人,副教授,研究方向：煤礦機(jī)械。

1674－0874（2013）03－0070－04