液压支架柱窝柱帽免加工铸造工艺研究

2023-01-14李勇勇

设备管理与维修 2022年10期

时磊，李勇勇

（西安重装铜川煤矿机械有限公司，陕西铜川 727031）

0 引言

柱窝与柱帽是液压支架上的一个重要部件，在液压支架井下工作时极容易受到恶劣环境影响，若因过度受力而疲劳失效，将给井下的综合开采工作带来很大的阻力。为了提高煤矿开采的效率，降低煤炭生产的成本，探究液压支架柱窝柱帽免加工铸造工艺具有一定的经济价值。

1 免加工铸造

铸造工艺是指将金属熔融为液态后浇入铸型之中，铸型内有跟零件形状相符合的空腔，等到金属冷却凝固后，形成空腔的形状以获得零件或毛坯的方法。铸造工艺按造型方式分为普通砂型铸造与特种铸造。而免加工铸造是用于需要毛坯一次成型零件的铸造技术。与其他的金属加工成型方法相比，铸造工艺的优势在于零件的制作精度更高，不存在加工导致的制造误差，使用性能优异，在加工一些形状复杂的零件时，铸造工艺更能显出它的经济优势。经铸造工艺生产的金属零件除了具有零件基本的机械性能以外，在耐磨、抗振与耐腐蚀性能上也有很好的表现，而这是锻、轧、焊、冲等金属加工成型方法所做不到的。液压支架的柱窝柱帽，在液压支架深入井下作业时，承载整个机械大部分的受力，它的制造质量直接影响到煤矿生产的安全与进度，因此在制造液压支架柱窝柱帽零件时，选用无加工铸造工艺替代传统的金属加工成型。

2 参数设定

无加工铸造技术需要一种三维图像处理软件来进行参数设定，以及在后期查找工艺瑕疵时用于模拟铸造模型。通常情况下可以用UG 软件来完成实体模型的绘制，以ZF10000-21-38型液压支架上的顶梁柱窝柱帽为例，顶梁柱窝柱帽分为前后一对，共同负责支架顶梁受力。首先设定前顶梁柱窝的各项参数，前顶梁柱窝的高设置为378 mm，宽400 mm，长445 mm。后设定后顶梁柱窝的参数，按照设计需求，前顶梁柱窝需要高出后顶梁柱窝30 mm，因此后顶梁柱柱窝高设置为343 mm，其余参数保持与前顶梁柱窝一致即可[1]。柱帽的设计参尺寸数，要与液压支架的单柱与柱窝相匹配，确保具备灵活调节立柱伸缩长度以控制支架高度的功能。

3 铸造准备

3.1 铸型准备

由于液压支架的柱窝柱帽使用时对表面质量与可靠性有一定的刚性需求，因此铸造铸型方法选择熔模铸造，以便于柱窝柱帽一次毛坯直接成型。熔模铸造模具的材质与其他铸造工艺使用的铸型材料不同，是用蜡料作为铸造的铸型材料。首先在易熔材料上复刻出窝柱与窝帽的形状，而后在模样的表面垫上防火材料组成模样的外型壳。在进行高温浇注铸造时，蜡质的材料被熔化后排出型壳，就能形成没有分型面的铸型，在高温烘焙时，选用铬矿砂作为填充。熔模浇注铸造的制造精度非常高，可以达到CT4 以上的精度标准，最大程度减少成型后工件二次切削的加工步骤[2]。

3.2 铸造金属准备

液压支架柱窝柱帽的材料通常为合金钢，它是在普通碳素钢的基础上加入其他合金，使之成为一种全新的复合金属材料。铸造金属准备并不仅仅是将碳素钢与其它金属材料一起熔成液态，还包括金属的冶炼过程，在金属液出炉后，还需要在炉外进行如脱硫、真空脱气、炉外精炼等过程，使铸造金属的化学成分、温度与纯净度都符合柱窝柱帽的材料强度标准。

3.3 浇注

浇注工艺是将高温熔融状态的金属注入模具中的过程，在浇注过程中需要注意的环节是挡渣设计，通常情况下选用全封闭或半封闭的浇注系统。在该工艺中，窝柱与窝帽的内浇注道、横浇注道、直浇注道的比例关系设置为1∶0.9∶2。顶梁前后窝帽的浇注道均设置一个直浇注道、两个工件共用一个横浇注道，在两个工件对称的左右两侧各设置一处内浇筑道，其中直浇注道的半径为44 mm。横浇注道与内浇注道采用梯形口设计，横浇注道下底长32 mm，上底长22 mm，高34 mm。内浇筑道下底长25 mm，上底长22 mm，高11 mm。ZF10000-21-38 型液压支架的顶梁柱窝采用王字形筋结构设计，在它的T 形以及十字形筋交叉处作为热节部位。因此在进行浇注时，在两个十字形筋交叉部位放置一个明顶帽口用来补偿钢水热缩。冒口采用上粗下窄的圆台体设计，顶部半径为250 mm，底部半径为150 mm，高度为330 mm。

3.4 铸件处理

铸件处理是指铸件的表面处理，由于铸件刚成型时表面还存在浇口、冒口以及金属毛刺披缝等，需要一些工艺流程去除使毛坯成为成品工件。首先应当在专用的振动除壳器上去除柱窝柱帽铸件表面的防火壳型，而后使用抛丸机或浇口冒口切割机对铸件进行热处理与整形。完成铸件的表面处理后，铸件成为成品零件。但考虑到液压支架柱窝柱帽的工作环境，为避免柱窝柱帽零件在井下因被锈蚀而加速疲劳，还要采用防锈工艺处理。

4 铸造工艺优化

确定熔模浇注的铸造工艺流程后，将柱窝的三维模型代入数值模拟软件，在模拟软件中将温度与常规重力等铸造外部条件设置完成后，进行凝固模拟分析。在模拟无加工浇注铸造工艺时的初始温度为25 ℃，浇注金属温度为1545 ℃，浇注时间为30 s。模拟结果演示，柱窝的筋板部分比其余部位稍薄，因此筋板部分的浇注金属会先凝固，剩下的金属仍为一个可流动的液相整体，一直到所有的主体部位都趋近凝固时，由于十字筋与T 形筋部位厚于其他部位，所以仍然是液态，等到完全凝固时，十字筋或T 形筋位热节部位就形成了缩松。通过软件模拟浇注凝固全过程，得知缩松缩孔现象主要发生部位，据此对工艺进行优化。

由软件模拟可知，铸造过程中导致柱窝柱帽出品率低的主要原因是因为柱窝十字筋与柱帽部位较厚处在凝固时未能进行补缩，导致金属由液态变为固态时在缩孔处产生瑕疵，在铸件成型后被放大成树枝状的裂纹，也就成了报废工件，即使加工合格，柱窝十字筋部位也是一个薄弱的部位，很难确保液压支架运行时的稳定性[3]。因此在无加工熔模浇注工艺中，针对冒口先于十字筋凝固的问题，可通过技术优化解决凝固次序问题。

4.1 外冷铁工艺

外冷铁工艺是指在型腔内部和工作表面安放常温的金属块从而加快铸件某一部位的凝固速度的工艺，通过在模型内靠近十字筋的位置安装具有特定激冷面积的金属块，来加快十字筋部位的凝固速度，使其在冒口凝固前凝固，避免出现十字筋部位缩孔时没有金属液相补足的问题。

4.2 冒口加热保温

除了外冷铁工艺使十字筋部位进行保温外，还要通过工艺技术解决局部加热冒口以延缓冒口液相凝固时间。传统铸造工艺的冒口是由人工在砂箱上部操作，以捂砂型冒口作为补缩部位，这种工艺下，当钢水上升到冒口处时，由于急冷环境使钢水表面立刻结成一层钢水膜，阻隔了柱窝十字筋部分的补缩效果。因此考虑保温自热型冒口作为补缩部位，采用隔热性能较好的硅砂、砖粉或纸浆作为冒口的隔热材料，阻止冒口与外界环境的热交换。另一方面采用短时间内可以燃烧产生大量热能的高效发热材料，如铝粉、铝镁合金、氧化铁等对冒口进行二次加热。在保温与加热的双重作用下，冒口的凝固速度会远低于柱窝王字形筋部位与柱帽较厚的部位，也就起到了合理补缩的效果。优化后的无加工熔模浇注铸造工艺出产的柱窝与柱帽部件，不存在因缩孔、缩松导致的铸造缺陷，工件出品率极高。