CN117564614A - 一种液压缸筒近净成形局部增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液压缸筒近净成形局部增材制造方法，包括以下步骤：步骤1）采用热轧钢管为原料，通过退火、酸洗、磷化、皂角工序，定型冷拔钢管；步骤2）根据设计工艺要求的尺寸定尺；步骤3）对定尺后的冷拔钢管进行局部镦粗；步骤4）对局部镦粗冷拔管进行调质处理；步骤5）对调质处理后的镦粗冷拔管进行撑内孔、平端面、倒角、车卡头，确定后续刮滚和精车的加工基准。该方法具有综合力学性能良好、尺寸精度高、加工余量小、材料利用率高的优点。

Description

一种液压缸筒近净成形局部增材制造方法

技术领域

本发明涉及液压油缸制造技术领域，具体的说，涉及了一种液压缸筒近净成形局部增材制造方法。

背景技术

液压支架立柱及千斤顶是其重要组成部分，其中的外缸筒及中缸筒是立柱及千斤顶中的关键零部件。液压支架中立柱是承受负载很大的关键部件，立柱外缸筒和中缸筒材料通常采用高强度厚壁热轧钢管加工制造。传统局部镦粗管的加工工艺为定尺→局部镦粗→调质→车内孔→第一次平端面倒角→车外圆→粗镗→第二次平端面倒角→刮滚。

现有局部镦粗工艺，锻造温度高，易造成脱碳严重，氧化皮厚1～2.5mm，容易过热甚至过烧，导致晶粒粗大、产生魏氏体和网状铁素体，后续调质处理难以消除，难以控制镦粗区域的力学性能。

究其原因，第一方面，传统局部镦粗管的原材料为热轧管，精度差，导致镦粗模具与锻件的间隙大，导致镦粗区域的尺寸精度低；锻造温度高，氧化皮厚，局部镦粗区域的表面质量差，尺寸精度难以保证。

第二方面，传统局部镦粗管的直线度和圆度较差，通过内孔或外圆确定加工基准，需要提高加工余量才能保证内孔和外圆的加工精度，车削量大，工序多，加工效率低。

另一方面，传统局部镦粗管的加工余量大，内孔加工余量9～13mm，外圆加工余量10～15mm，材料利用率低。

因此，传统局部镦粗管的加工工艺存在加工余量大、材料利用率低、加工效率低、局部镦粗区力学性能不稳定的问题，亟需探索一种新的局部镦粗管加工工艺，减小加工余量、提高材料利用率、提高加工效率、提高力学性能。这对提高液压油缸的使用性能，进而提高液压支架的使用寿命，实现煤炭综采设备在矿井下高效运转有非常重要的意义。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种综合力学性能良好、尺寸精度高、加工余量小、材料利用率高的液压缸筒近净成形局部增材制造方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种液压缸筒近净成形局部增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1)采用热轧钢管为原料，通过退火、酸洗、磷化、皂角工序，冷拔定型钢管，冷拔钢管的冷拔过程中，控制冷拔减壁量在2.5mm～8mm之间，外圆直径公差在0～0.8mm，内孔直径公差在±0.3mm；

步骤2)根据设计工艺要求的尺寸定尺；冷拔管由于尺寸精度较高，直接可以进行定尺。

步骤3)对定尺后的冷拔钢管进行局部镦粗，局部镦粗的加热温度为980℃～1030℃，始锻温度为930℃～980℃，终锻温度为860℃～890℃，锻后冷却速度为0.5℃/s～1.5℃/s，获得局部镦粗冷拔管；

传统的局部镦粗的锻后尺寸精度低，原材料为热轧管，热轧管的精度低，镦粗模具与锻件的间隙较大，同时，锻造温度高所产生的大量氧化皮影响锻后工件的尺寸精度。同时，采用卧式模锻，存在原材料尺寸精度差和上下模闭合不严的问题，会导致镦粗后的工件尺寸精度更差。

优化后的局部镦粗工艺，原材料为冷拔管，冷拔管外圆直径和内孔直径的精度高，凹模内孔尺寸与锻件的间隙小于1.2mm，凸模外圆与锻件的间隙小于0.8mm；低锻造温度产生的氧化皮小于0.3mm，镦粗力为传统局部镦粗力的1.8倍，保证较低锻造温度使工件成型尺寸合格。采用立式闭式模锻，不存在上下模闭合不严的问题，进一步保证工件尺寸精度。

传统的局部镦粗工艺，加热温度1100～1200℃，始锻温度1050～1000℃，终锻温度950～1000℃。锻造温度高，产生的氧化皮厚度1～2.5mm，工件表面脱碳严重，加热区域容易产生魏氏体和网状铁素体，并且，在后续调质处理工程中难以消除。优化后的局部镦粗工艺，加热温度980～1030℃，始锻温度930～980℃，终锻温度860～890℃，低锻造温度减少脱碳，避免过热、过烧，避免产生魏氏体和网状铁素体。锻后冷却速度为0.5～1.5℃/s，通过控制冷却速度，提高再结晶的形核率，细化晶粒。

步骤4)对局部镦粗冷拔管进行调质处理，奥氏体化加热温度控制在870℃～880℃，优选温度为在873℃～878℃。奥氏体化加热保温时间为(壁厚*(1.2～1.4)min/mm)；

优化后的调质处理与传统调质处理(加热温度在850℃～860℃)相比，奥氏体化加热温度提高20℃，保温时间上，相对于传统(壁厚*(1.6～1.8)min/mm)而言时间减少了10～20min。奥氏体化温度提高，可以提高过热度、增加奥氏体的形核率、提高奥氏体的长大速率，奥氏体晶粒大小取决于(形核率/长大速率)。奥氏体化温度875℃时，(形核率/长大速率)值最大。在保证完成奥氏体转变的前提下，减少保温时间可以减少奥氏体晶粒长大的时间，细化晶粒。

淬火冷却采用循环水内外喷淋，结束冷却时工件温度为70℃～100℃；

淬火冷却采取循环水内外喷淋，通过控制喷淋水速、喷口密度、喷淋时间，保证工件内外表面、轴向径向的冷却速度相同、均匀；

工件接触到的喷淋水温度始终为28～32℃，提高工件心部的冷却速度，提高材料的淬硬层深度，使材料获得更多的马氏体。因此，奥氏体化后奥氏体晶粒细小，淬火后马氏体含量高，马氏体板条更细更均匀。

回火温度590℃～630℃，优选温度600℃～630℃，回火冷却采用循环水内外喷淋，保证工件轴向及径向的冷却速率均匀，结束冷却时工件温度为150℃～200℃；

回火温度590～630℃，高于传统回火温度40～50℃，工件的马氏体含量更高、马氏体板条更细更均匀，因此可以采用更高的回火温度，保证材料强度的前提下，提高材料的塑性和韧性。回火冷却同样采取循环水内外喷淋，工件温度150～200℃时冷却结束，减少回火脆性，减少工件变形，保证工件的尺寸精度。

非局部镦粗区域的材料加工工艺为冷拔～调质。热轧管经过退火、冷拔后，形成冷拔管。与热轧管相比，冷拔管的晶粒经过塑性变形后，晶粒沿变形方向被拉长成扁平晶粒，晶粒中出现大量的滑移带、孪生带和位错；在奥氏体化的加热阶段，冷拔管和热轧管的晶粒会发生再结晶，冷拔管的晶粒被拉长，晶界的面积增加，滑移、孪生、位错等缺陷增加，增加了形核率，冷拔管的再结晶晶粒比热轧管的细小；在奥氏体化阶段，冷拔管的再结晶晶粒细小，进而获得晶粒细小的奥氏体，由于奥氏体晶粒减小，马氏体尺寸减小，马氏体板条束宽度减小；发生回火转变后，马氏体转变为回火索氏体，保留马氏体位相的铁素体细小、均匀，分布在铁素体周围的碳化物呈细小弥散分布。因此，冷拔减小了奥氏体化的晶粒尺寸，细化了板条马氏体，回火索氏体均匀密集，提高材料的强度和韧性。

局部镦粗区域的材料加工工艺为冷拔～镦粗～调质。局部镦粗的加热速率快，冷拔出现的扁平晶粒、大量滑移带、孪生带、位错等缺陷保留至奥氏体转变前；由于低锻造温度、锻后冷速控制进一步细化晶粒，锻后的晶粒为细小的珠光体和铁素体等轴晶；经过调质处理，获得均匀分布的细小回火索氏体。因此，冷拔～镦粗～调质，提高了材料的强度和韧性。

步骤5)对调质处理后的镦粗冷拔管进行撑内孔、平端面、倒角和车卡头工序，确定后续刮滚和精车的加工基准。

传统加工方式通常包括：定尺→局部镦粗→调质→车内孔→第一次平端面倒角→车外圆→粗镗→第二次平端面倒角→刮滚

其中，车内孔：卡左端外圆，中心架架右端非镦粗区域外圆，车右端面及右端内孔60～100mm。撑右端内孔架好中心架，车右端面及右端内孔60～100mm。

第一次平端面倒角：三爪撑两端孔，车左右两端面、倒角、沿轴向刀检。

车外圆：通车外圆，镦粗区域和非镦粗区域均留径向5～10mm余量。

粗镗：以两端倒角定位夹紧，粗镗内孔。

第二次平端面倒角：三爪撑两端孔，车左右两端面、倒角、沿轴向刀检。本申请改进后的工序包括：定尺→局部镦粗→调质→平端面倒角→刮滚平端面倒角：三爪撑两端孔，车左右两端面、倒角、沿轴向刀检。

可见，工序得到了大幅的减少。通过冷拔控制原材料的尺寸精度，低锻造温度和高模具精度控制锻后尺寸精度，循环水内外喷淋控制调质后尺寸精度，保证了工件的尺寸精度。在平倒车工序，可以撑内孔确定加工基准，减少了1次车内孔、1次平端面和倒角、1次车外圆、1次内孔粗镗。减小了加工余量，传统加工工艺的内孔加工余量9～13mm，外圆加工余量10～15mm，优化后的内孔加工余量3～5mm，外圆加工余量3～5mm。提高了材料利用率，传统加工工艺的材料利用率为70.92％，优化后的材料利用率为81.32％，材料利用率提高14.67％。

基上所述，步骤1)中，选用热轧钢管的材料为30CrMnSi。

基上所述，步骤3)中，局部镦粗变形的方式采用立式闭式模锻，加热方式采用中频感应加热。

基上所述，步骤4)中，淬火冷却过程中，循环水内外喷淋的喷淋水速：5m/s～10m/s，喷淋时间：2.5min～5min。

基上所述，步骤4)中，回火冷却过程中，循环水内外喷淋的喷淋水速：5m/s～10m/s，喷淋时间：30s～60s。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：

本发明调整了液压缸筒的供货状态，调整优化了局部镦粗工艺及模具，优化了调质处理的工艺参数，对冷却方式提出了特殊要求，最终使材料的性能、精度和利用率都大幅提升。

说明书附图

图1为液压缸筒的工艺尺寸和结构原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，以热轧管的材料为30CrMnSi，规格为Φ303*41mm作为原始材料，实施液压缸筒近净成形局部增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1)退火处理热轧钢管，然后酸洗、磷化和皂化，定型冷拔钢管，3mm≤冷拔减壁量＜4mm，外圆直径公差(0mm～0.8mm)，内孔直径公差(±0.3mm)。

在其它实施例中，控制冷拔减壁量在2.5mm～8mm之间。

步骤2)根据设计工艺要求的尺寸定尺。

局部镦粗区外圆直径Φ324mm，如图1中的D4尺寸，非镦粗区域外圆直径Φ300mm，如图1中的D2尺寸，内孔直径226mm，如d2尺寸，局部镦粗区长度130mm，如图1中的L2尺寸，工件总长1000mm，如图1中的L10尺寸。冷拔管定尺规格为Φ300*38×1085mm。

步骤3)对定尺后的冷拔钢管进行局部镦粗，获得局部镦粗冷拔管。

局部镦粗变形采用立式闭式模锻，加热方式为中频感应加热。加热温度980℃～1030℃，始锻温度930℃～980℃，终锻温度860℃～890℃，镦粗力为45000kN，锻后冷却速度0.5～1.5℃/s。凹模内孔尺寸为局部镦粗冷拔管外圆名义尺寸+1mm，凸模外圆尺寸为局部镦粗冷拔管外圆名义尺寸～0.5mm。根据钢管规格不同镦粗力如下表。

外圆直径/mm	壁厚/mm	镦粗力/kN
			Φ190～Φ330	30～47	30000～48000
Φ330～Φ430	47～61	48000～82500
			Φ430～Φ630	61～75	82500～120000

表1钢管规格与镦粗力和相应壁厚的对照表

步骤4)对局部镦粗冷拔管进行调质处理。

奥氏体化加热温度875℃，保温时间50min。淬火冷却采用循环水内外喷淋，喷淋水速：7m/s～8m/s，喷淋时间：3min，保证工件轴向及径向的冷却速率均匀，结束冷却时工件温度为70℃～100℃。回火温度630℃，保温时间4h。回火冷却采用循环水内外喷淋，喷淋水速：7～8m/s，喷淋时间：40s，保证工件轴向及径向的冷却速率均匀，结束冷却时工件温度为150℃～200℃。

在其它实施例中，奥氏体化加热温度控制在870℃～880℃，优选温度为在873℃～878℃。

(5)对调质处理后的镦粗冷拔管进行平倒车，撑内孔、平端面、倒角和车卡头工序，确定后续刮滚及精车的加工基准。

本发明针对优化后的缸筒增材制造工艺和传统缸筒增材制造工艺，分别做了拉伸实验、冲击试验。实验表明，优化后局部镦粗冷拔管的强度、塑性、韧性高于传统加工工艺局部镦粗钢管，如下表所示。

表2本申请工艺与和传统缸筒增材制造工艺对比

在其它优选的实施例中，步骤4)中，奥氏体加热温度还可以优选为870℃～875℃之间，或次选为875℃～880℃之间；回火温度优选为＞600℃，不高于630℃，次选为590℃～600℃。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1）采用热轧钢管为原料，通过退火、酸洗、磷化、皂角工序，定型冷拔钢管，冷拔钢管的定型过程中，控制冷拔减壁量在2.5mm~8mm之间，外圆直径公差在0~0.8mm，内孔直径公差在±0.3mm；

步骤2）根据设计工艺要求的尺寸定尺；

步骤3）对定尺后的冷拔钢管进行局部镦粗，局部镦粗的加热温度为980℃~1030℃，始锻温度为930℃~980℃，终锻温度为860℃~890℃，锻后冷却速度为0.5℃/s~1.5℃/s，获得局部镦粗冷拔管；

步骤4）对局部镦粗冷拔管进行调质处理，奥氏体化加热温度控制在870℃~880℃，奥氏体化加热保温时间为壁厚*（1.2~1.4）min/mm；

淬火冷却采用循环水内外喷淋，结束冷却时工件温度为70℃~100℃；

回火温度590℃~630℃，回火冷却采用循环水内外喷淋，保证工件轴向及径向的冷却速率均匀，结束冷却时工件温度为150℃~200℃；

步骤5）对调质处理后的镦粗冷拔管进行撑内孔、平端面、倒角和车卡头工序，确定后续刮滚和精车的加工基准。

2.根据权利要求1所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤1）中，选用热轧钢管的材料为30CrMnSi。

3.根据权利要求1或2所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤3）中，局部镦粗变形的方式采用立式闭式模锻，加热方式采用中频感应加热。

4.根据权利要求1或2所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，奥氏体化加热温度控制在870℃~880℃。

5.根据权利要求4所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，回火温度为600℃~630℃。

6.根据权利要求5所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，淬火冷却过程中，循环水内外喷淋的喷淋水速：5 m/s ~10m/s，喷淋时间：2.5 min ~5min。

7.根据权利要求5或6所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，回火冷却过程中，循环水内外喷淋的喷淋水速：5 m/s ~10m/s，喷淋时间：30 s ~60s。

8.根据权利要求7所述的液压缸筒近净成形局部增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，喷淋水的温度维持在28℃~32℃。