CN107893849B - 水压凿岩机活塞及其制作方法 - Google Patents

水压凿岩机活塞及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水压凿岩机活塞，包括活塞基体，活塞基体上沿活塞基体的轴向依次开设有前段基体环形槽、中段基体环形槽和后段基体环形槽，前段基体环形槽、中段基体环形槽和后段基体环形槽的槽内分别烧结有自润滑性能好、耐冲击的改性PEEK复合材料。本发明还公开了上述活塞的制作方法，包括以下步骤，放置嵌件、制备改性PEEK、设置挤出温度、注塑成型、冷却和研磨。本发明具有自润滑性能好，摩擦系数低，高强度，耐冲击与耐磨损的特性，具有良好的综合机械性能，可大大提高水压凿岩机活塞的使用寿命。

Description

水压凿岩机活塞及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种液压凿岩机，属于水压凿岩机用机件的生产加工技术领域，具体涉及一种水压凿岩机活塞及其制作方法。
背景技术
液压凿岩机是近几年发展较为迅速的凿岩设备之一，特别是水压传动凿岩机的发展，被誉为1880年代以来采矿机械的革命性的发明，主要用于采矿炮孔的开凿。其工作原理是，动力单元提供110 bar 的压力给凿岩机，推动活塞高速运动，敲击钎杆，最大冲击率为每分钟1950 次，完成岩石的连续破碎。
水力凿岩机使用的闭路水压系统，因为所需的少量的水（36 升）在闭路管道里循环，除了需要少量的水冲洗钻孔里产生的钻屑以外，无需额外的水。因此，节约了气压凿岩机（风钻），液压凿岩机和开路式水压凿岩机所必须的大量的水，从而节约了供水和排水的设施和费用。该设备在使用时，没有水和油的排放，也没有其他凿岩机所产生的大量的粉尘，其噪音也远远低于其它的凿岩机，在98-102 分贝之间。概况讲水压传动凿岩机节能环保，具有良好的市场前景。但是，水压传动凿岩机系统全部为普通水，无油膜润滑，这对以钢件为主的滑动摩擦副系统是致命的，特别是核心冲击件活塞，因运动配合面为刚性接触，易产生研伤断裂的问题。
为了解决上述问题，可以考虑在钢件活塞的运动配合部位烧结一层具有自润滑性能好，摩擦系数低，高强度，耐冲击与耐磨损的金属塑料复合材料。目前，具有上述部分性能的塑料复合材料在专利CN105711194A和专利CN102875966B中都有所提到，大都以塑料制件为主，主要用于飞机机翼。但是，两个专利提供的塑料复合材料未涉及自润滑性能和摩擦系数低的性能特点，要用于水压传动凿岩机的活塞，还需进一步改良。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足，提供一种表面自润滑性能好，摩擦系数低，高强度，耐冲击与耐磨损的水压凿岩机用活塞。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：水压凿岩机活塞，包括活塞基体，活塞基体上沿活塞基体的轴向依次开设有前段基体环形槽、中段基体环形槽和后段基体环形槽，前段基体环形槽、中段基体环形槽和后段基体环形槽的槽内分别烧结有自润滑性能好、耐冲击的改性PEEK复合材料。
以下是本发明对上述方案的进一步优化：所述改性PEEK复合材料烧结的厚度设置为0.5±0.1mm，且改性PEEK复合材料的外圆面高于活塞基体1上该段的外圆面0.25±0.01mm。
进一步优化：所述前段基体环形槽、中段基体环形槽和后段基体环形槽上分别设置有与改性PEEK复合材料配合使用的螺纹沟槽。
进一步优化：所述每个螺纹沟槽的螺距分别为1±0.1mm。
本发明还包括上述活塞的制作方法，包括以下步骤：
A、将基体放入热压模具内作为嵌件；
B、将PEEK树脂（聚醚醚酮）、CF（碳纤维）、石墨纤维与PTFE(聚四氟乙烯)按质量百分比混合制得改性PEEK备用；
C、将步骤B中的原料分别注射到模具腔中相应的前段基体环形槽、中段基体环形槽和后段基体环形槽中，改性PEEK成型后即为改性PEEK复合材料；
D、在保压条件下冷却，并脱模取出活塞；
E、将步骤D中制得的活塞上的改性PEEK复合材料的外圆面进行加工。
以下是本发明对上述方法的进一步优化：所述PEEK树脂（聚醚醚酮）的质量百分比为60～70%、CF（碳纤维）的质量百分比为10～20%、石墨纤维的质量百分比为2～4%、PTFE(聚四氟乙烯) 的质量百分比为10～20%。
进一步优化：将步骤B中的物料按质量百分比均匀混合，并在120℃环境下烘干制得改性PEEK备用。
进一步优化：所述后段基体环形槽上改性PEEK的挤出温度为330～340℃，中段基体环形槽上改性PEEK的挤出温度为355～365℃，前段基体环形槽上改性PEEK的挤出温度为360～370℃。
进一步优化：将步骤D中制得的活塞上的改性PEEK复合材料的外圆面的摩擦系数加工至0.05以下。
进一步优化：所述保压压力为2000吨，且脱模温度在150℃以下。
本发明通过添加具有优良的自润滑性特性的聚醚醚酮PEEK，使本发明中的活塞适合于严格要求低摩擦系数和耐磨耗用途的场合，且由其制造的复合材料耐腐蚀性较好，具有强度高，耐冲击等特性，特别在水润滑条件下更具有良好的耐磨损性能，加上活塞基体由特殊合金钢热处理而成，具有良好的综合机械性能，杜绝了水压凿岩机活塞在每分钟1950次高频次运动下配合面的研伤断裂问题，可大大提高水压凿岩机活塞的使用寿命。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明在实施例中的结构示意图。
图中：1-活塞基体；2-改性PEEK复合材料；3-1-前段基体环形槽；3-2-中段基体环形槽；3-3-后段基体环形槽；4-螺纹沟槽。
具体实施方式
实施例1，如图1所示，水压凿岩机活塞，包括活塞基体1，活塞基体1上沿活塞基体1的轴向依次开设有前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3，前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3的槽内分别烧结有自润滑性能好、耐冲击的改性PEEK复合材料2。
所述改性PEEK复合材料2烧结的厚度设置为0.5±0.1mm，且改性PEEK复合材料2的外圆面高于活塞基体1上该段的外圆面0.25±0.01mm，这样设计是为了实现薄层塑料复合材料烧结的可行性，并为磨削留出加工余量。
所述前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3上分别设置有与改性PEEK复合材料2配合使用的螺纹沟槽4，且每个螺纹沟槽4的螺距分别为1±0.1mm，这样设计可以增大活塞基体1与改性PEEK复合材料2间的附着力。
所述活塞基体1为经热处理的特殊合金钢件，该材料代号为1Cr15Ni4Mo3N。
上述活塞的制作方法，包括以下步骤：
A、放置嵌件
将水压凿岩机活塞基体1放入热压模具的型腔内作为嵌件；
B、制备改性PEEK
先将PEEK树脂（聚醚醚酮）60%、CF（碳纤维）20%、石墨纤维2%与PTFE(聚四氟乙烯)18%的塑料颗粒按质量百分比在混料机内均匀混合，并置于电加热烘箱中，在设定的120℃环境下烘干制得改性PEEK备用；
C、设置挤出温度
后段基体环形槽3-3上改性PEEK的挤出温度为330℃，中段基体环形槽3-2上改性PEEK的挤出温度为355℃，前段基体环形槽3-1上改性PEEK的挤出温度为360℃；
D、注塑成型
将步骤B中搅拌均匀混合后的塑料颗粒料添加到注塑机的料桶中，按照步骤C中设置的温度，通过注塑的螺杆枪分别注射到模具腔中相应的前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3中，改性PEEK成型后即为改性PEEK复合材料2；
E、冷却
在保压条件下冷却，保压压力为2000吨，使模具温度降到150℃以下时脱模，取出成型活塞；
F、研磨
将步骤E中制得的活塞放至外圆磨床磨削加工，并使烧结部位的改性PEEK复合材料2的外圆达到成品要求，加工后烧结面的摩擦系数在0.05以下。
实施例2，在实施例1中活塞的制作方法，包括以下步骤：
A、放置嵌件
将水压凿岩机活塞基体1放入热压模具的型腔内作为嵌件；
B、制备改性PEEK
先将PEEK树脂（聚醚醚酮）60%、CF（碳纤维）18%、石墨纤维2%与PTFE(聚四氟乙烯)20%的塑料颗粒按质量百分比在混料机内均匀混合，并置于电加热烘箱中，在设定的120℃环境下烘干制得改性PEEK备用；
C、设置挤出温度
后段基体环形槽3-3上改性PEEK的挤出温度为335℃，中段基体环形槽3-2上改性PEEK的挤出温度为360℃，前段基体环形槽3-1上改性PEEK的挤出温度为365℃；
D、注塑成型
将步骤B中搅拌均匀混合后的塑料颗粒料添加到注塑机的料桶中，按照步骤C中设置的温度，通过注塑的螺杆枪分别注射到模具腔中相应的前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3中，改性PEEK成型后即为改性PEEK复合材料2；
E、冷却
在保压条件下冷却，保压压力为2000吨，使模具温度降到150℃以下时脱模，取出成型活塞；
F、研磨
将步骤E中制得的活塞放至外圆磨床磨削加工，并使烧结部位的改性PEEK复合材料2的外圆达到成品要求，加工后烧结面的摩擦系数在0.05以下。
实施例3，在实施例1中活塞的制作方法，包括以下步骤：
A、放置嵌件
将水压凿岩机活塞基体1放入热压模具的型腔内作为嵌件；
B、制备改性PEEK
先将PEEK树脂（聚醚醚酮）65%、CF（碳纤维）16%、石墨纤维3%与PTFE(聚四氟乙烯)16%的塑料颗粒按质量百分比在混料机内均匀混合，并置于电加热烘箱中，在设定的120℃环境下烘干制得改性PEEK备用；
C、设置挤出温度
后段基体环形槽3-3上改性PEEK的挤出温度为340℃，中段基体环形槽3-2上改性PEEK的挤出温度为365℃，前段基体环形槽3-1上改性PEEK的挤出温度为370℃；
D、注塑成型
将步骤B中搅拌均匀混合后的塑料颗粒料添加到注塑机的料桶中，按照步骤C中设置的温度，通过注塑的螺杆枪分别注射到模具腔中相应的前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3中，改性PEEK成型后即为改性PEEK复合材料2；
E、冷却
在保压条件下冷却，保压压力为2000吨，使模具温度降到150℃以下时脱模，取出成型活塞；
F、研磨
将步骤E中制得的活塞放至外圆磨床磨削加工，并使烧结部位的改性PEEK复合材料2的外圆达到成品要求，加工后烧结面的摩擦系数在0.05以下。
实施例4，在实施例1中活塞的制作方法，包括以下步骤：
A、放置嵌件
将水压凿岩机活塞基体1放入热压模具的型腔内作为嵌件；
B、制备改性PEEK
先将PEEK树脂（聚醚醚酮）70%、CF（碳纤维）13%、石墨纤维4%与PTFE(聚四氟乙烯)13%的塑料颗粒按质量百分比在混料机内均匀混合，并置于电加热烘箱中，在设定的120℃环境下烘干制得改性PEEK备用；
C、设置挤出温度
后段基体环形槽3-3上改性PEEK的挤出温度为338℃，中段基体环形槽3-2上改性PEEK的挤出温度为362℃，前段基体环形槽3-1上改性PEEK的挤出温度为368℃；
D、注塑成型
将步骤B中搅拌均匀混合后的塑料颗粒料添加到注塑机的料桶中，按照步骤C中设置的温度，通过注塑的螺杆枪分别注射到模具腔中相应的前段基体环形槽3-1、中段基体环形槽3-2和后段基体环形槽3-3中，改性PEEK成型后即为改性PEEK复合材料2；
E、冷却
在保压条件下冷却，保压压力为2000吨，使模具温度降到150℃以下时脱模，取出成型活塞；
F、研磨
将步骤E中制得的活塞放至外圆磨床磨削加工，并使烧结部位的改性PEEK复合材料2的外圆达到成品要求，加工后烧结面的摩擦系数在0.05以下。
本发明通过添加具有优良的自润滑性特性的聚醚醚酮PEEK，使本发明中的活塞适合于严格要求低摩擦系数和耐磨耗用途的场合，且由其制造的复合材料耐腐蚀性较好，具有强度高，耐冲击等特性，特别在水润滑条件下更具有良好的耐磨损性能，加上活塞基体由特殊合金钢热处理而成，具有良好的综合机械性能，杜绝了水压凿岩机活塞在每分钟1950次高频次运动下配合面的研伤断裂问题，可大大提高水压凿岩机活塞的使用寿命。

Claims (8)

1.水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：水压凿岩机活塞，包括活塞基体（1），活塞基体（1）上沿活塞基体（1）的轴向依次开设有前段基体环形槽（3-1）、中段基体环形槽（3-2）和后段基体环形槽（3-3），前段基体环形槽（3-1）、中段基体环形槽（3-2）和后段基体环形槽（3-3）的槽内分别烧结有自润滑性能好、耐冲击的改性PEEK复合材料（2）；
水压凿岩机活塞的制作方法，包括以下步骤：
A、将基体放入热压模具内作为嵌件；
B、将PEEK树脂、CF碳纤维、石墨纤维与PTFE聚四氟乙烯按质量百分比混合制得改性PEEK备用；
所述PEEK树脂的质量百分比为60～70%、CF碳纤维的质量百分比为10～20%、石墨纤维的质量百分比为2～4%、PTFE聚四氟乙烯的质量百分比为10～20%；
C、将步骤B中的原料分别注射到模具腔中相应的前段基体环形槽（3-1）、中段基体环形槽（3-2）和后段基体环形槽（3-3）中，改性PEEK成型后即为改性PEEK复合材料（2）；
D、在保压条件下冷却，并脱模取出活塞；
E、将步骤D中制得的活塞上的改性PEEK复合材料（2）的外圆面进行加工。
2.根据权利要求1所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：所述改性PEEK复合材料（2）烧结的厚度设置为0.5±0.1mm，且改性PEEK复合材料（2）的外圆面高于活塞基体1上该段的外圆面0.25±0.01mm。
3.根据权利要求2所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：所述前段基体环形槽（3-1）、中段基体环形槽（3-2）和后段基体环形槽（3-3）上分别设置有与改性PEEK复合材料（2）配合使用的螺纹沟槽（4）。
4.根据权利要求3所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：所述每个螺纹沟槽（4）的螺距分别为1±0.1mm。
5.根据权利要求4所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：将步骤B中的物料按质量百分比均匀混合，并在120℃环境下烘干制得改性PEEK备用。
6.根据权利要求5所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：所述后段基体环形槽（3-3）上改性PEEK的挤出温度为330～340℃，中段基体环形槽（3-2）上改性PEEK的挤出温度为355～365℃，前段基体环形槽（3-1）上改性PEEK的挤出温度为360～370℃。
7.根据权利要求6所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：将步骤D中制得的活塞上的改性PEEK复合材料（2）的外圆面的摩擦系数加工至0.05以下。
8.根据权利要求7所述的水压凿岩机活塞的制作方法，其特征在于：所述保压压力为2000吨，且脱模温度在150℃以下。
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