拉钢铁面条，练工业肌肉——冷拔法生产液压油缸缸筒

马氏体

2021-08-28 17:06

在工程机械的轰鸣声中，“基建狂魔”把伟大的工程向更高、更远的地方推进。

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（徐工集团1600吨全地面起重机，可以在130米高空吊装风力发电机）

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在很多工程机械上，力拔山河的力量来自液压系统。其中，液压油缸负责把液压能转换成机械能，是液压系统的执行元件。缸筒又是油缸的关键部件之一，高压液压油在其中推动活塞运动。

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从使用需求上可以推知，缸筒要由一根大长径比的高精度无缝钢管制成，且为了实现轻量化，必须做到薄壁而高强。

传统方法是以热轧厚壁无缝钢管（经热处理）为原料，机加工到所需的内外径尺寸。这样的方法存在三个问题：（1）大长径比缸筒的加工比较困难；（2）热轧无法保证精度，需要留有较大的加工余量，大量金属被切削掉，材料利用率低；（3）仅仅通过机加工，无法提升金属的力学性能，因此要采用较厚的壁厚来满足缸筒的耐压要求。

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由于细长的刀杆会发生晃动和变形，大长径比管件的内孔加工非常困难。最长八九米的大口径火炮炮管已经是对深孔镗技术的极大考验（上图），长度十米以上的液压油缸，几乎无法用机加工来完成。

针对这些问题，冷拔法应运而生，可以从热轧厚壁钢管直接加工出高精度的缸筒用薄壁钢管，且充分利用了金属的加工硬化特性，提升钢管的强度，实现油缸的轻量化。

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工欲善其事必先利其器，冷拔工艺依赖于强大的冷拔机。这是徐工集团自主研发的亚洲自动化程度最高、行程最长的冷拔机，最大冷拔长度可达18米，拉拔力可达600吨，可用于生产大吨位起重机和500吨以上挖掘机的油缸。

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（徐工集团的700吨液压挖掘机，被誉为“神州第一挖”）

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冷拔的过程好比是拉面和压面的结合，一方面把钢管轴向拉长，另一方面在径向和周向上压紧。因此，冷拔得到的钢管比原料钢管的长度更长，而管径和壁厚略有减小。

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这台冷拔机的千钧之力也是由液压系统提供的（上图为小一号的400吨冷拔机）。

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待加工的钢管由冷拔小车上的夹头夹持。随着液压油缸爆发出最大600吨的拉力，冷拔小车拉动钢管通过外模，由外模的挤压作用使钢管的外壁成型。

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钢管的内壁是依靠内模来成型的。在冷拔前，预先把钢管套到冷拔机另一端的芯杆上，并在芯杆上固定内模（下图），因而冷拔法能够获得很高的内孔加工精度。

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在冷拔的过程中，钢管的晶粒发生变形、形成大量位错，产生很强的加工硬化作用，且使钢材变得更加致密，提升了钢管的耐压能力。相比普通的机加工钢管，冷拔钢管的壁厚可以做得更薄，从而减重近50%。

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而且，冷拔加工的材料利用率非常高，原料钢管的大部分都经过变型成为成品钢管，只需切掉夹头处的一小部分，后续也只需少量甚至无需精加工就可以使用，极大地提高了生产效率。

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冷拔后的钢管残留有内应力，可能导致钢管发生变形或破裂，因此需要进行去应力退火（上图为退火炉）。此前曾经提到，钢板在冷轧后进行退火的目的是再结晶，提高塑性和韧性，以便后续加工。但冷拔钢管的退火在再结晶温度以下进行（一般为三四百度，下图），即只发生回复过程，使得晶体内部缺陷数量减少或重新分布，消除掉大部分内应力，但不改变被拉长的晶粒形态，也基本不影响钢材的强度，从而保留了冷拔法提高钢管强度的优势。

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在轰轰烈烈的建设大潮中，我国已成为世界上工程机械销量最大的国家，我国的液压市场规模也占全世界的30%左右。然而，长期以来，我国液压行业在知识产权、核心技术、高端产品等方面受制于人，制约了工程机械行业的发展。

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从1994年开始，徐工的研发团队就开始冷拔工艺的攻关，历经两年多时间、近百吨钢管的实践，最终打破了一直以来被行业巨头把控的冷拔核心技术，实现了从“被卡脖子”到“挺直腰杆”的蜕变。目前，徐工液压每年可实现自制冷拔钢管20000多吨，不仅满足徐工自身的需求，还能够出口海外，尤其是在国际顶级矿山设备竞技场——澳大利亚经受住10000小时无故障运行的考验（上图），完全不输国外大牌，树立起中国液压的口碑，也标志着我国在这一领域达到世界领先水平。

这些年来，随着国内旺盛需求的牵引和自主研发的突破，部分高端液压产品已经实现进口替代，我国液压进口市场规模总体已呈下降趋势。但要为我国的先进制造业提供更加强劲可靠的工业肌肉，我国液压行业的发展仍然任重道远。

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