液壓缸激光熔覆層壁厚不均勻問題分析及工藝優(yōu)化

孫金蘭

（ 中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 引言

煤礦井下環(huán)境惡劣，液壓支架液壓缸的防腐技術(shù)決定了液壓缸的使用壽命。目前廣泛用于液壓缸桿類零件外圓防腐的技術(shù)大部分就是鍍鉻、熱噴涂及激光熔覆，考慮到鍍鉻生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液及廢氣，迫于環(huán)保壓力，又綜合考慮到防腐效果及成本，激光熔覆技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。目前激光熔覆技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于某公司液壓油缸及活塞桿防腐技術(shù)中，也是煤礦客戶比較青睞的防腐方式，好的防腐手段需要好的工藝做保障，提高激光熔覆層質(zhì)量是筆者目前的一大課題。

激光熔覆的質(zhì)量對油缸使用壽命的影響是舉足輕重的，激光熔覆的質(zhì)量受激光熔覆層品質(zhì)及激光熔覆厚度的影響，該項目主要研究如何保證激光熔覆層厚度來保證防腐效果，如何在保證圖紙重要部位之間同軸度的基礎(chǔ)上，保證熔覆層任意部位的厚度滿足設(shè)計要求。

1 激光熔覆壁厚均勻性工藝研究

基本保留的激光熔覆層是一個理想的圓柱筒[3]，即熔覆層為一壁厚為t的圓筒（見圖1），激光熔覆工藝的加工過程復(fù)雜，基本加工流程如下：車熔覆前外圓—激光熔覆—精車熔覆外圓—精車活塞頭 —磨外圓，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要保證熔覆后的外圓與其余外圓（活塞頭部分）同軸度，以保證順利安裝，同時需要保證加工后熔覆層各部的厚度。

圖1 理想狀態(tài)熔敷層

以往出現(xiàn)的問題如下。

由于熔覆前后工序復(fù)雜，熔覆前的外圓被熔覆層覆蓋后[1]，無法作為基準(zhǔn)，加工過程中多次裝卡，由于裝卡、設(shè)備、基準(zhǔn)磕碰及人為等各種不確定因素，磨削熔覆外圓時，經(jīng)常出現(xiàn)局部磨不圓，或者局部漏鐵現(xiàn)象，原因是車削熔覆區(qū)外圓時裝卡不正，導(dǎo)致車削熔覆前后外圓同軸度差。而且磨削外圓前打表檢測時，經(jīng)常出現(xiàn)活塞頭與熔覆區(qū)外圓不同軸，為保證順利安裝磨削后外圓與活塞頭外圓同軸度不能超過0.3mm，兩者的同軸度差也可能是熔覆層不均勻?qū)е?，要保證產(chǎn)品質(zhì)量即需要保證熔覆層厚度均勻，也得保證熔覆后的外圓與活塞頭的同軸度。根據(jù)目前我公司設(shè)備條件，車活塞頭與車熔覆區(qū)外圓經(jīng)過多次裝卡，多次變換基準(zhǔn)，而且設(shè)備精度也是有限，而且沒有一個有效的檢測手段來提前預(yù)測，保證熔覆區(qū)外圓熔覆前后的同軸度，直到磨削外圓時才完全體現(xiàn)出不同軸的現(xiàn)象，由于激光熔覆層的厚度一般約為0.5mm～0.7mm，如果熔覆前后外圓同軸度超過0.6mm，會出現(xiàn)局部外圓熔覆厚度達(dá)到1mm，局部厚度低于0.2mm，嚴(yán)重降低了防腐效果，只能返修，必須重新熔覆熔覆層。如果同軸度不超過0.6mm，也可能存在熔覆層外圓不均勻的現(xiàn)象（見圖2），但是熔覆厚度最薄處也不允許太小。對某公司大批量生產(chǎn)過程進(jìn)行跟蹤發(fā)現(xiàn)，為避免熔覆壁厚的問題，將熔覆層車去重新熔覆的比率大約占 10%。

圖2 熔覆層偏心時壁厚狀態(tài)

隨著激光熔覆技術(shù)廣泛應(yīng)用，客戶對熔覆要求也在不斷提高，目前大多數(shù)煤機(jī)廠家都可以生產(chǎn)激光熔覆產(chǎn)品，要想打造產(chǎn)品質(zhì)量，需要對激光熔覆的工藝進(jìn)行深入研究，為保證防腐效果，需要保證熔覆層的均勻性，即熔覆層外圓各個部位的厚度都必須滿足設(shè)計要求。

該項目主要是從工藝入手，通過加工過程中基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，增加檢測基準(zhǔn)，使熔覆后加工時以熔覆前的基底作為基準(zhǔn)，保證熔覆層的均勻性，確保好的防腐效果，提高液壓油缸的使用壽命。熔覆層的質(zhì)量決定井下的防腐效果，公司產(chǎn)品曾經(jīng)出現(xiàn)熔覆后熔覆層不均勻的情況，導(dǎo)致將熔覆層全部車掉，重新熔覆，為徹底解決這種情況，優(yōu)化工藝，保證熔覆前后的基準(zhǔn)統(tǒng)一，盡量保證熔覆層的均勻性。

目前工藝改進(jìn)后達(dá)到的效果：為保證激光熔覆層的壁厚均勻，熔覆前車熔外圓時，在活塞頭端車一個檢查帶（見圖3），后續(xù)車熔覆后的外圓及活塞頭外圓時均以此為基準(zhǔn)，打表檢測，排除了在前后基準(zhǔn)不一致的情況下，盲目車熔覆區(qū)外圓，導(dǎo)致熔覆前后的外圓不同軸且熔覆后外圓與中缸活塞頭也不同軸，保證熔覆前后的基準(zhǔn)統(tǒng)一，最終使熔覆前后的外圓同軸度達(dá)到約0.1mm，即熔覆層均勻，保證了有效熔覆厚度完全符合設(shè)計要求。

目前這種創(chuàng)新的工藝已經(jīng)被應(yīng)用到某公司所有激光熔覆批量產(chǎn)品中，現(xiàn)場工藝監(jiān)督，車間也嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，車熔覆外圓工序，車檢查帶，熔覆后打表檢測，加工后安裝現(xiàn)場效果良好，并已經(jīng)下井服役，采用該工藝的熔覆區(qū)防腐效果一直非常穩(wěn)定，有效增長了液壓缸的壽命。

2 中缸激光熔覆新工藝與老工藝過程對比

以某公司中缸Y321LZ.02 為例，舊工藝模式如下：1）缸底與缸管組焊，缸底組焊后不可能與缸管里孔完全同軸，需要后續(xù)車卡口。2）車卡口。以原先里孔為基準(zhǔn)，在缸底外圓上車卡口，修正組焊時缸底與缸管不正，為后續(xù)裝卡做準(zhǔn)備。3）卡前面（2）工序車出的基準(zhǔn)，粗車熔覆外圓，根據(jù)熔覆層厚度，確保外圓直徑大小。4）外圓激光熔覆。5）車熔覆區(qū)外圓，由于工人操作過程中卡爪有鐵屑或者設(shè)備精度等各方面因素，即使裝卡在前面（2）工序中車削的卡口，也可能出現(xiàn)裝卡偏心，導(dǎo)致車削后外圓與熔覆外圓偏離。6）精車中缸活塞頭，由于沒有檢測，所有精車后的活塞頭外圓與熔覆外圓存在不同軸的風(fēng)險。7）對工序（6）中的外圓打表檢測，要求跳動<0.1mm，并對熔覆層外圓打表檢測，要求跳動不能超過0.3mm，合格后磨熔覆外圓達(dá)到圖紙要求，如果前面多道工序中任何一步出現(xiàn)裝卡不正的問題，此時可將前面出現(xiàn)的隱患集中體現(xiàn)出來，例如打表發(fā)現(xiàn)活塞頭與熔覆外圓同軸度差，例如磨削時有漏鐵現(xiàn)象，外圓磨不圓的現(xiàn)象，這些情況均需要返修，原生產(chǎn)的100 件中缸熔覆打表檢測結(jié)果統(tǒng)計如表1。根據(jù)實際工藝過程，由于熔覆區(qū)磨削外圓余量大約0.4mm，當(dāng)熔覆外圓全跳動>0.4mm 時，則可能出現(xiàn)局部磨不圓，如果前面工序（5）存在車偏現(xiàn)象嚴(yán)重，可能會導(dǎo)致磨削時漏鐵；當(dāng)外圓全跳動0.3mm<τ≤0.4mm 時，磨削后可能會局部熔覆層稍薄，但如果前面車削熔覆區(qū)外圓車偏嚴(yán)重也可能會導(dǎo)致漏鐵；當(dāng)磨削外圓全跳動τ≤0.3mm時且前面車削熔覆區(qū)外圓沒有車偏，則可以完全保證熔覆層厚度0.5mm～0.7mm。所以要想保證熔覆層厚度，首先需要保證車削熔覆層外圓與熔覆前外圓的同軸度，并保證磨削基準(zhǔn)與熔覆前外圓的同軸度。

表1 磨削前熔敷外圓打表跳動情況統(tǒng)計

為保證熔覆層厚度的均勻性，新的工藝流程具體如下：1）缸底與缸管組焊。2）修裝卡基準(zhǔn)，保證里孔外圓同軸度，為后續(xù)激光熔覆做準(zhǔn)備。3）車熔覆區(qū)外圓，保證最終的熔覆層厚度，為保證熔覆區(qū)通長厚度均勻，后續(xù)精車外圓必須與外圓同軸度好，在該工序車一檢查帶（見圖3）。4）外圓激光熔覆。5）車熔覆區(qū)外圓，為保證熔覆層厚度均勻，必須要以熔覆前的外圓為基準(zhǔn)，由于上述外圓激光熔覆后，無法作為基準(zhǔn)，這就需要我們創(chuàng)造的等同效果的基準(zhǔn)發(fā)揮作用，車外圓前需要對前面（3）工序中的基準(zhǔn)打表檢測（見圖4），跳動須≤0.1mm，方可車外圓，否則，需要查找原因，避免熔覆前后基準(zhǔn)不統(tǒng)一導(dǎo)致的熔覆層偏，甚至漏鐵現(xiàn)象。6）對（3）工序中所車檢查帶打表檢測，跳動須≤0.1mm，合格后精車中缸活塞頭，打表檢測可以保證后續(xù)磨削前的檢測順利通過。7）對（6）工序中精車外圓打表檢測，跳動須≤0.1mm，并對熔覆層外圓打表檢測，要求跳動不能超過0.3mm，合格后磨熔覆外圓達(dá)到圖紙要求，按照新工藝增加檢測基準(zhǔn)，磨削時產(chǎn)品合格率得到明顯提升，目前在產(chǎn)的100 件中缸熔覆打表檢測結(jié)果統(tǒng)計如表2。

圖3 檢查帶位置圖

圖4 車削熔覆層前打表檢測

通過增加檢測基準(zhǔn)的方法，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，與之前老工藝對比，只是在車熔覆外圓時增加了車一端檢查帶，無須二次裝卡，只需要在裝卡時打表檢測，提前判斷裝卡是否有問題，排除一些未知的影響因素，如果此時發(fā)現(xiàn)打表跳動超過工藝要求，則可以及時查找原因，及時排除，在沒有增加工序的基礎(chǔ)上，保證了活塞頭與熔覆區(qū)外圓同軸度，提高了熔覆外圓的均勻性，最大限度保證了設(shè)計技術(shù)要求的熔覆層厚度。

3 所使用的科學(xué)技術(shù)原理

基準(zhǔn)統(tǒng)一原則[2]：熔覆后的外圓及活塞頭部位加工前全部以檢查帶為基準(zhǔn)。

保證熔覆層的壁厚均勻，即保證熔覆前后外圓的同軸度，由于熔覆后無法對熔覆前外圓打表，因此，一次裝卡車削的熔覆前外圓時，直接在活塞頭部位車削一檢查帶，后續(xù)按該基準(zhǔn)檢測，保證熔覆前后同軸度。

4 自主創(chuàng)新點(diǎn)

要保證熔覆前后外圓的同軸度，必須熔覆后外圓以熔覆前外圓為基準(zhǔn)，根據(jù)熔覆工藝的實際情況，熔覆后，熔覆前外圓已經(jīng)被覆蓋，在無法找到基準(zhǔn)的情況下，自主創(chuàng)造基準(zhǔn)，采用一次裝卡，車削熔覆前外圓時，同時在活塞頭端車一檢查帶，一刀下的活塞頭檢查帶代替熔覆前熔覆區(qū)外圓，最大限度地保證熔覆前后外圓的同軸度，保證壁厚均勻。

5 經(jīng)濟(jì)和社會效益及測算依據(jù)

以某公司Y321 中缸為例 ，將新工藝制造中缸增加的費(fèi)用及時間與老工藝造成的返修做一個對比。

兩者增加的費(fèi)用對比見表3。

表3 兩種工藝費(fèi)用對比

所耗費(fèi)的時間對比見表4。

表4 兩種工藝生產(chǎn)周期對比

通過計算可以得出：用新工藝制造一個中缸增加的成本和時間幾乎可以忽略，而在老工藝模式下制造一根中缸，出現(xiàn)熔覆層不均勻或同軸度問題導(dǎo)致返修，花去費(fèi)用較高且耗費(fèi)的時間較長，一件中缸體用新工藝與用舊工藝對比，新工藝可節(jié)省費(fèi)用=10050-16.3=10033.7 元，而且利用新工藝節(jié)約的時間=63-2.16=60.84h。目前車間出現(xiàn)熔覆層不均勻或同軸度問題導(dǎo)致將熔覆層車掉重新熔的情況比例大約為10%，按一套支架數(shù)量200 根中缸來計算的話，可節(jié)約費(fèi)用200674 元，可節(jié)約生產(chǎn)時間為1201.68h。

6 結(jié)論

目前某公司80%的支架已采用激光熔覆技術(shù)，這種創(chuàng)新的工藝手段已經(jīng)被應(yīng)用到某公司所有激光熔覆批量產(chǎn)品中，加工工序順暢，安裝現(xiàn)場效果良好，并已經(jīng)下井服役，采用該工藝的熔覆區(qū)防腐效果一直非常穩(wěn)定，有效增加了液壓缸的壽命，該工藝手段可以應(yīng)用于某公司所有激光熔覆工藝中，而且車削等同基準(zhǔn)的方法也可以大膽應(yīng)用到某公司未來的表面改性新技術(shù)中，是目前保證熔覆前后外圓同軸度最有效的手段，應(yīng)用前景廣。