拉鋼鐵面條,練工業肌肉——冷拔法生產液壓油缸缸筒_風聞
马氏体-2021-08-28 17:06
在工程機械的轟鳴聲中,“基建狂魔”把偉大的工程向更高、更遠的地方推進。

(徐工集團1600噸全地面起重機,可以在130米高空吊裝風力發電機)

在很多工程機械上,力拔山河的力量來自液壓系統。其中,液壓油缸負責把液壓能轉換成機械能,是液壓系統的執行元件。缸筒又是油缸的關鍵部件之一,高壓液壓油在其中推動活塞運動。

從使用需求上可以推知,缸筒要由一根大長徑比的高精度無縫鋼管制成,且為了實現輕量化,必須做到薄壁而高強。
傳統方法是以熱軋厚壁無縫鋼管(經熱處理)為原料,機加工到所需的內外徑尺寸。這樣的方法存在三個問題:(1)大長徑比缸筒的加工比較困難;(2)熱軋無法保證精度,需要留有較大的加工餘量,大量金屬被切削掉,材料利用率低;(3)僅僅通過機加工,無法提升金屬的力學性能,因此要採用較厚的壁厚來滿足缸筒的耐壓要求。

由於細長的刀杆會發生晃動和變形,大長徑比管件的內孔加工非常困難。最長八九米的大口徑火炮炮管已經是對深孔鏜技術的極大考驗(上圖),長度十米以上的液壓油缸,幾乎無法用機加工來完成。
針對這些問題,冷拔法應運而生,可以從熱軋厚壁鋼管直接加工出高精度的缸筒用薄壁鋼管,且充分利用了金屬的加工硬化特性,提升鋼管的強度,實現油缸的輕量化。

工慾善其事必先利其器,冷拔工藝依賴於強大的冷拔機。這是徐工集團自主研發的亞洲自動化程度最高、行程最長的冷拔機,最大冷拔長度可達18米,拉拔力可達600噸,可用於生產大噸位起重機和500噸以上挖掘機的油缸。

(徐工集團的700噸液壓挖掘機,被譽為“神州第一挖”)

冷拔的過程好比是拉麪和壓面的結合,一方面把鋼管軸向拉長,另一方面在徑向和周向上壓緊。因此,冷拔得到的鋼管比原料鋼管的長度更長,而管徑和壁厚略有減小。


這台冷拔機的千鈞之力也是由液壓系統提供的(上圖為小一號的400噸冷拔機)。


待加工的鋼管由冷拔小車上的夾頭夾持。隨着液壓油缸爆發出最大600噸的拉力,冷拔小車拉動鋼管通過外模,由外模的擠壓作用使鋼管的外壁成型。


鋼管的內壁是依靠內模來成型的。在冷拔前,預先把鋼管套到冷拔機另一端的芯杆上,並在芯杆上固定內模(下圖),因而冷拔法能夠獲得很高的內孔加工精度。


在冷拔的過程中,鋼管的晶粒發生變形、形成大量位錯,產生很強的加工硬化作用,且使鋼材變得更加緻密,提升了鋼管的耐壓能力。相比普通的機加工鋼管,冷拔鋼管的壁厚可以做得更薄,從而減重近50%。

而且,冷拔加工的材料利用率非常高,原料鋼管的大部分都經過變型成為成品鋼管,只需切掉夾頭處的一小部分,後續也只需少量甚至無需精加工就可以使用,極大地提高了生產效率。

冷拔後的鋼管殘留有內應力,可能導致鋼管發生變形或破裂,因此需要進行去應力退火(上圖為退火爐)。此前曾經提到,鋼板在冷軋後進行退火的目的是再結晶,提高塑性和韌性,以便後續加工。但冷拔鋼管的退火在再結晶温度以下進行(一般為三四百度,下圖),即只發生回覆過程,使得晶體內部缺陷數量減少或重新分佈,消除掉大部分內應力,但不改變被拉長的晶粒形態,也基本不影響鋼材的強度,從而保留了冷拔法提高鋼管強度的優勢。

在轟轟烈烈的建設大潮中,我國已成為世界上工程機械銷量最大的國家,我國的液壓市場規模也佔全世界的30%左右。然而,長期以來,我國液壓行業在知識產權、核心技術、高端產品等方面受制於人,制約了工程機械行業的發展。

從1994年開始,徐工的研發團隊就開始冷拔工藝的攻關,歷經兩年多時間、近百噸鋼管的實踐,最終打破了一直以來被行業巨頭把控的冷拔核心技術,實現了從“被卡脖子”到“挺直腰桿”的蜕變。目前,徐工液壓每年可實現自制冷拔鋼管20000多噸,不僅滿足徐工自身的需求,還能夠出口海外,尤其是在國際頂級礦山設備競技場——澳大利亞經受住10000小時無故障運行的考驗(上圖),完全不輸國外大牌,樹立起中國液壓的口碑,也標誌着我國在這一領域達到世界領先水平。
這些年來,隨着國內旺盛需求的牽引和自主研發的突破,部分高端液壓產品已經實現進口替代,我國液壓進口市場規模總體已呈下降趨勢。但要為我國的先進製造業提供更加強勁可靠的工業肌肉,我國液壓行業的發展仍然任重道遠。
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參考資料:
中央電視台.《大國重器(第三季)動力澎湃》第五集《聚力天地間》.(徐工冷拔技術,4:13開始)
中央電視台.《中國財經報道》20170318 感受中國製造:高端重器新突破. (徐工冷拔技術,12:15開始)
https://tv.cctv.com/2017/03/19/VIDEyzMYgmzK2a9OM1MZYV6v170319.shtml
徐工液壓事業部. 逐夢高端 聽徐工液壓奏響核心零部件高質量發展“三部曲”
https://www.xcmg.com/yyj/news/news-detail-631198.htm
王家聰. 高精度冷拔管在缸筒行業中的應用. 液壓與氣動, 1999(04):48-50.
南清安, 侯立寧. 高精度冷拔鋼管的拔制原理及特點分析. 煤炭科學技術, 1996, 024(010):18-20.
葉海燕, 姚東旭. 液壓油缸用冷拔管熱處理工藝. 金屬加工(熱加工), 2014(S2):138-141.