液壓支架液壓缸缸筒內(nèi)壁激光熔覆修復(fù)工藝研究

張國超，雷 丹，王曉飚,3，湯 波，楊英滔，李 欣

1西安必盛激光科技有限公司 陜西西安 710119

2陜西中立檢測(cè)鑒定有限公司 陜西西安 710065

3中國科學(xué)院光學(xué)與精密機(jī)械研究所 陜西西安 710119

我國煤炭井下開采環(huán)境惡劣，對(duì)綜采工作面使用的液壓支架底缸、中缸內(nèi)表面造成銹蝕、劃傷等缺陷，造成工作不正常，從而導(dǎo)致液壓支架提前報(bào)廢[1-2]。在升井大修中發(fā)現(xiàn)，大部分缸筒內(nèi)壁都存在不同程度的銹蝕和磨損。采用的修復(fù)方法為鍍鉻或鍍銅，由于電鍍鉻層厚度僅為 50～70 μm，不能抵抗大強(qiáng)度的沖擊，且電鍍鉻污染嚴(yán)重，隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，在某些領(lǐng)域電鍍鉻已經(jīng)被完全取代[3-4]；而電鍍銅的防腐不能達(dá)到預(yù)期效果[5]。激光熔覆技術(shù)近幾年應(yīng)用于煤礦液壓支架的修復(fù)，主要是立柱和活塞桿的外表面處理。筆者采用激光熔覆修復(fù)工藝技術(shù)，結(jié)合液壓缸內(nèi)孔機(jī)加工工藝對(duì)缸筒內(nèi)壁的修復(fù)工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期對(duì)今后液壓支架液壓缸缸筒的內(nèi)壁修復(fù)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)備及工藝參數(shù)

試驗(yàn)采用 TK2236G 型深孔鏜床和 HMT3300C 型深孔臥式珩磨機(jī)，表面修復(fù)使用 BS-IFE-6000-18-4H型激光熔覆設(shè)備。

激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率 5 900 W，光斑2 mm×16 mm，工作距離 140 mm，線速度 8 mm/s，搭接率 40%，送粉量 55 g/min，單邊厚度 1.5 mm。熔覆過程中采用氬氣保護(hù)；試驗(yàn)所用缸體材質(zhì)為 27 SiMn，內(nèi)孔直徑為 230 mm，長度為 1 050 mm；激光熔覆鐵基合金粉末粒度為 100～270 目，主要化學(xué)成分如表 1 所列。

表1 合金粉末主要化學(xué)成分 %

2 工藝流程

該修復(fù)工藝的基本思路是先去掉缸筒內(nèi)壁上的損壞表層，再用激光熔覆的方法在缸筒內(nèi)壁上熔覆一層合金粉末，然后將熔覆的合金層加工至要求的尺寸，形成全新的缸筒內(nèi)壁。

整個(gè)工藝流程分 8 個(gè)步驟：對(duì)修復(fù)缸筒進(jìn)行預(yù)檢，確定修復(fù)的價(jià)值與工藝—對(duì)待修復(fù)的缸筒進(jìn)行定位找正—去除缸筒內(nèi)壁損壞的部分—選擇合適的合金粉末—采用激光熔覆的方法修復(fù)內(nèi)壁表面—進(jìn)行精加工處理—測(cè)量及驗(yàn)收復(fù)用。具體工藝流程如圖 1 所示。

圖1 液壓缸缸筒內(nèi)壁激光熔覆工藝流程

3 激光內(nèi)壁修復(fù)工藝步驟

3.1 工件檢驗(yàn)

檢查缸筒內(nèi)壁磨損、銹蝕等損壞狀況，如存在脹缸，需進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量，如果脹缸尺寸大于 3 mm，或缸筒出現(xiàn)裂紋、斷裂等不可逆的缺陷，進(jìn)行報(bào)廢處理；對(duì)于需修復(fù)的缸筒，測(cè)量其直線度，缸筒的直線度應(yīng)滿足如表 2 所列要求[6]。

表2 缸筒直線度要求

3.2 焊夾持塊

液壓缸缸筒端部為橢圓形，在修復(fù)時(shí)機(jī)床卡盤無法夾持，影響后期定位找正及熔覆加工，故在缸筒頭部焊接一塊夾持塊，如圖 2 所示，以便于后期的機(jī)加工和熔覆。

圖2 液壓缸缸筒焊接夾持塊

3.3 定位找正

定位找正決定了后期內(nèi)孔鏜削、熔覆和珩磨的精度。用車床卡盤夾住夾持塊，用傘型頂尖頂住缸口，找正后車削靠近缸口的C處，形成寬度為 50～60 mm的架窩；然后用中心架托住C處架窩，撤掉傘型頂尖。接著，以缸底內(nèi)孔為基準(zhǔn)，用百分表調(diào)整卡盤四爪(要求內(nèi)壁跳動(dòng)量 ≤0.03 mm)，然后在夾持塊A處車一道寬為 50～60 mm 的槽，要求深槽整個(gè)圓周見光即可，如圖 3 所示。

圖3 待修復(fù)液壓缸缸筒定位找正

3.4 熔覆前粗鏜內(nèi)壁

用卡盤夾住夾持塊，中心架托住缸口，以缸底內(nèi)孔為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)中心架位置，以A處深槽調(diào)節(jié)卡盤四爪(要求跳動(dòng)量 ≤0.05 mm)，粗鏜內(nèi)孔至 231.5 mm，鏜完后確保內(nèi)壁表面平整無缺陷。

3.5 激光內(nèi)壁熔覆

用卡盤夾住夾持塊，傘型頂尖頂住缸口，中心架托住C處，再將尾座頂尖退出。熔覆前將孔內(nèi)的鐵屑及油漬清理干凈，確保內(nèi)壁無油污。檢查熔覆頭保護(hù)鏡片，確保完好，調(diào)整好設(shè)備的各項(xiàng)工藝參數(shù)及送粉器中的粉量，做到熔覆過程不間斷。熔覆厚度為 1.5 mm，內(nèi)孔熔覆至 228.5 mm，缸筒內(nèi)壁熔覆過程和熔覆后的效果如圖 4 所示。

圖4 激光熔覆過程及熔覆效果

圖5 為內(nèi)壁熔覆層結(jié)合處及熔覆層在電子顯微鏡下的照片。從圖 5 可以看出，經(jīng)激光熔覆后熔覆層與基材產(chǎn)生了冶金結(jié)合，且結(jié)合處未見裂紋、夾雜物等缺陷，熔覆層內(nèi)部也未見氣泡、夾雜等缺陷，熔覆質(zhì)量良好。熔覆完成后，對(duì)熔覆層表面硬度進(jìn)行測(cè)試，如表 3 所列，熔覆層的平均硬度為 233.9HB。

圖5 內(nèi)壁熔覆層結(jié)合處與熔覆層顯微鏡圖

表3 內(nèi)壁熔覆層硬度測(cè)試結(jié)果

3.6 熔覆后精鏜內(nèi)壁

對(duì)熔覆層表面進(jìn)行精鏜。為保證精度，精鏜與粗鏜選擇同一鏜床，工件夾持方法與粗鏜一致。精鏜時(shí)由于熔覆層硬度與基材有差異，盡量選擇硬度高的刀具，以免鏜削過程中由于刀具磨損造成內(nèi)孔錐度太大而影響熔覆層質(zhì)量。內(nèi)孔精鏜至 229.5 mm，要求錐度≤0.1 mm。

3.7 珩磨內(nèi)壁

清理內(nèi)壁后按照珩磨工藝規(guī)范進(jìn)行加工，內(nèi)壁珩磨至圖紙尺寸，表面粗糙度小于Ra0.4，珩磨后的內(nèi)壁如圖 6 所示。

圖6 珩磨后內(nèi)壁表面

3.8 檢驗(yàn)

加工完畢后檢查內(nèi)壁尺寸是否達(dá)到圖紙要求，熔覆層表面是否存在氣孔、裂紋等缺陷，滿足要求后方可用于液壓支架。

4 結(jié)語

激光熔覆工藝應(yīng)用在液壓缸內(nèi)壁修復(fù)上的案例在國內(nèi)較為少見，內(nèi)壁修復(fù)較為常見的方法是熔銅修復(fù)。激光熔覆工藝的優(yōu)勢(shì)為：一是維修工藝清潔，環(huán)保無污染，且效率和成本較內(nèi)壁熔銅低；二是熔覆層硬度在 220HB 以上，具有高耐磨性和耐腐性，使用壽命提高 3～5 倍。隨著內(nèi)壁激光熔覆技術(shù)的日益成熟，在液壓支架維修方面將會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。