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提高液压缸孔表面质量的几种工艺方法

2020-06-20 10:39

   液压缸对于机械质量行业一直是个大问题,如果有一点点参数的偏差那对于精准的机械制造都是无法挽回的失误。所以对于液压缸的加工方法我们一直在寻找最有效最大限度避免失误的方法,现在系统分析了我公司目前采用的几种液压缸表面加工方法及其特点,从质量、效率和成本等角度,论证了珩磨、滚压及高速加工的适用性,进行了滚压刀具及参数验证,改造珩磨机并对不同余量的效率和表面质量做了对比验证,应用CBN刀具探索适宜的切削参数,以达到最佳表面质量。

  螺杆压缩机相较于活塞压缩机具有易损件少、维修周期长、抗液击能力强、负荷调节范围广以及可在苛刻环境条件下运行等诸多优势,目前在中大型冷冻冷藏行业,螺杆压缩机已成为制冷系统的主要压缩机型。

  螺杆压缩机是可以实现能量无级调节的容积式压缩机,其能量调节机构包括滑阀、拉杆和活塞等运动副,这些零件的制造精度影响能量调节的精度,而液压缸体作为增减载运动的承载机构,其表面质量决定了调节活塞在其中运动的顺畅性,表面质量不高将影响调节速度,严重的甚至造成卡阻失灵。

  液压缸体作为压缩机能量增减载最重要的零件,其中液压缸孔的表面粗糙度直接影响能量调节的精确度和响应的灵敏度。我公司多年来采用过多种提高表面加工质量的工艺方法,最终只有珩磨、滚压和高速加工保留了下来,但受设备、效率和成本制约,另考虑表面粗糙度导致的阻尼对活塞上O型圈和聚四氟密封环的影响,设计时将液压缸孔的表面粗糙度值设定为Ra=0.4μm,但传统的精镗工艺等无法达到要求,还有生产上常因安排不当,造成返工或延误交货,在一定程度上存在质量隐患和经 济风险。

  1. 珩磨工作原理

  珩磨是利用安装于珩磨头圆周上的一条或多条油石,由胀开机构(我公司为5条,推进式)将油石沿径向胀开,使其压向工件孔壁,以便产生一定的面接触(见图1)。同时使珩磨头旋转和往复运动,零件不动,从而实现珩磨。珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件之间是浮动的,加工时珩磨头以工件孔壁做导向,因而加工精度受机床本身精度影响较小,孔表面的形成基本上具有创制过程特点。所谓创制过程是油石和孔壁相互对研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理类似两块平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。

  珩磨时由于珩磨头旋转并往复运动或珩磨头旋转、工件往复运动,使加工面形成交叉螺旋线切削轨迹,且在每一往复行程时间内珩磨头的转数不是整数,因而两次行程间,珩磨头相对工件在周向错开一定角度,这样使珩磨头上的每一个磨粒在孔壁上的运动轨迹不重复。另外,珩磨头每转一转,油石与前一转的切削轨迹在轴向上有一段重叠,使前后衔接更平滑均匀。珩磨过程中,孔壁和油石面的每一点相互干涉的机会基本相等。因此,随着珩磨的进行,孔表面和油石表面不断产生干涉点,将这些干涉点磨去并产生新的更多的干涉点,又不断磨去,使孔和油石表面接触面积不断增加,相互干涉的程度和切削作用不断减弱,孔和油石的圆度和圆柱度也不断提高,完成孔表面的创制过程。

  2. 滚压工作原理

  滚压工具的加工原理就像压路机将凹凸不平的马路压得平整一样,就是用很光滑的滚柱滚压被加工金属表面,将工件表面高凸部分向低凹部分挤压,从而使加工表面达到光滑如镜的效果,是一种塑性加工方法,如图2所示,其中A为滚压区域,B为塑性变形区域,C为平滑区域,D为滚压量,E为弹性恢复量。被加工工件表面不仅表面粗糙度值Ra瞬间从1.6~3.2μm降低至0.1~0.2μm,而且提高了被加工表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和密封性等,消除了早期磨损,这些都是切削加工无法取代的优点。

 

  3. CBN高速加工原理

  机械加工中,切削温度是一个重要的制约参数,根据德国切削物理学家萨洛蒙的超高速切削理论,钢材的切削速度与切削温度可用萨洛蒙曲线表示,曲线表明切削速度和切削温度不是呈线性变化的。常规切削在初始区域的切削温度使工件和刀具难以承受,称之“死谷”。但突破后进入超高速切削区,材料的切削机理发生变化,切削过程变得比常规速度下容易和轻松,效率却成10倍增加。在超高速切削过程中,刀具与切屑间摩擦系数的变化规律,对切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损及表面加工质量都有很大影响。高速切削下,切屑与刀具的平均摩擦系数反而下降,从而导致切削力下降,摩擦热减少。

  超硬材料工具是实现超高速加工的前提,目前,刀具材料已从碳素钢和合金工具钢,经高速钢、硬质合金钢和陶瓷材料,发展到人造金刚石及聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼(CBN)。

  CBN刀具有如下特点:①硬度高,耐磨性好。②热稳定性好。③化学稳定性好。④好的导热性和小的摩擦因数。⑤强度和韧性较差。因此CBN刀具特别适用于高速精加工,尤其是干切状态。

  4. 珩磨加工试验

  珩磨油石采用金刚石磨料,加工中油石磨损小,即油石受工件修整量很小。因此,孔的精度在一定程度上取决于珩磨头上油石的原始精度。所以在用金刚石和立方氮化硼油石时,珩磨前要很好地修整油石,以确保孔的精度。

  灰铸铁(HT300) 加工线速度提高到50m/min以上,珩磨的往复速度15~20m/min。油石对孔壁的压力设为0.3~0.5MPa(粗珩时1MPa左右,精珩时<0.1MPa)。由于珩磨时油石与工件是面接触,每颗磨粒对工件表面的垂直压力只有磨削时的1/100~1/50,加上珩磨速度低,故切削区的温度保持在50~150℃范围内,有利于减小加工表面的残余应力,提高表面质量。为了冲刷切屑,降低切削区温度和表面粗糙度值,切削液采用煤油。

  5. 滚压加工试验

  滚压头如图3所示,滚压材料硬度40HRC以下。滚压前预加工孔的表面粗糙度值Ra<3.2μm。滚压前工件孔径留余量0.02~0.07mm(具体根据工件材质、孔径及工件热处理状态确定)。滚压速度25~40m/min,进给量1.0~1.5mm/r。工作时,选用清洁的低粘度油性切削液或低粘度润滑油,且必须经常清洗滚压头。

  

 

  (1)加工第一件试件加工工艺为:

  1)液压缸孔粗、半精加工至φ 151.7mm(由于直径限制,φ 140mm加工至滚压头的滚压直径内)。

  2)精加工孔至φ ( 1 5 2 +0 . 0 0 )mm( 表面粗糙度值约Ra=1.6μm)。

  3)将滚压量调整至φ (152+0.04)mm(滚压头与缸孔孔径过盈0.03mm)。滚压参数选择主轴转速n=80m/min,进给速度v f=88mm/min。L=218mm,滚压加工时间2.47min/件。滚压后缸孔尺寸φ (152+0.015)mm无变形。

  (2)加工第二件试件加工工艺为:

  1)液压缸孔粗、半精加工至φ 151.7mm(由于直径限制,φ 140mm加工至滚压头的滚压直径内)。

  2)精加工孔至φ ( 1 5 2 +0 . 0 1 )mm, 表面粗糙度值约Ra=6.3μm。

  3)将滚压量调整至φ (152+0.08)mm(滚压头与缸孔孔径过盈0.07 mm)。滚压参数选择主轴转速n=80m/min,进给速度vf=88mm/min。L=218mm,滚压加工时间2.47min/件。滚压后缸孔尺寸φ(152+0.04)mm变形0.01mm。

  6. CBN加工试验

  立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。其原理是与铁系金属的亲和性低,所以主要被用于铁系金属的切削加工。它不但具有金刚石的许多优良特性,而且有更高的热稳定性和对铁系金属及其合金的化学惰性,可以加工原来只能依赖磨削的淬火钢及高硬度铸铁等难切削材料,并且能够高速精加工铸铁,提高刀具寿命等优越效能。

  CBN刀具是由许多细晶粒(0.1~100μm)聚结而成的聚集体的一类超硬材料产品。它除了具有高硬度、高耐磨性外,还具有高韧性、化学惰性以及红硬性等特点,在切削加工的各个方面都表现出优异的切削性能,能够在高温下实现稳定切削,特别适合加工各种淬火钢、冷硬铸铁等难加工材料。刀具切削锋利、保形性好、耐磨性能高、单位磨损量小、修正次数少以及利于自动加工,特别适用于精加工。工艺试验可在同类机床上进行精加工试验,关键是要试验刀具与切削参数的选择及工艺系统是否有足够的刚性。

  使用山特维克可乐满的立方氮化硼刀具(见图4),加工HT300材料(见图5)。工艺如下:

  1)精加工余量0.30mm,提高粗加工尺寸精度和减少热变形,以保证切削余量均匀,延长刀具寿命。

  2)干式切削。在较高的切削速度下,大量切削热由切屑带走,很少滞留在工件表面而影响加工表面质量和精度。

  3)精镗刀片选用高强度、高韧性的菱形刀片,刀尖半径圆角0.4mm。

  4)切削参数选择切削速度vc=120m/min,进给量f=0.1mm/r,背吃刀量ap=0.2~0.3mm。

  

 

  7. 珩磨试验结果

  珩磨数量:LG20、LG16液压缸体各10件;珩磨余量:0.02~0.03mm(前道工序加工精度和表面粗糙度达到要求);珩磨时间:15~20min/件;珩磨结果:表面质量显著提高。

  通过试验, 可以断定珩磨LG20以下液压缸体工艺上是可行的,珩磨表面质量有显著提高,具体对螺杆机增减载的影响有多大需等待市场的反馈。

  8. 滚压试验结果

  试件一:由于底孔是新刀片加工的, 滚压完成后液压缸缸孔表面粗糙度值已经能达到Ra=1.6μm,所以滚压后效果相差不是很明显。

  试件二:由于第一件试件效果不很明显,所以在第二件试件加工时将刀片换成旧刀片,加工完成后表面粗糙度值Ra=6.3μm,同时在第一件的基础上增大了滚压量, 滚压后效果明显, 表面粗糙度值达到R a= 1 . 6 μ m ,孔径比滚压前大0 . 0 3 mm, 为φ (152+0.04)mm, 孔变形0.01mm。分析原因可能是受孔壁太薄影响。资料显示,使用滚压工具加工,该工件加工部位必需有充分的壁厚(外径是孔径的15%以上),如果壁薄或部分壁薄,加工后会发生变形或降低圆度。

  铸件滚压后还是能用肉眼看出铸件表面存在微小的黑颗粒,当材料软、塑性大时, 容易滚压。随着塑性降低、硬度提高,永久变形量随之减少。一般来说,铸铁的滚压效果较差。滚压铸铁件时,当铸件的材料硬度不均匀时,被滚压表面的缺陷(气孔、砂眼等)会马上显露出来。因此,当铸件表面缺陷较多、质量较差时,不宜采用滚压工艺。

  9. CBN加工试验结果

  经试验验证,CBN高速加工同样可获得较高的表面质量,符合设计要求,实现了“以镗削代珩磨”。

  10. 三种工艺方法对比分析

  (1)珩磨珩磨对于“增减载失灵”这一排第二位的螺杆压缩机故障的改善是有利的,能够显著减少机头增减载故障发生的频次。规定如下。

  1)珩磨范围:LG12、LG16和LG20液压缸体增加一道珩磨工序,安排在精加工之后进行。

  2)珩磨参数:珩磨参数见表1。

  3)人员安排:因该工序工作强度不大,不考核节拍,故操作人员的安排依据生产实际情况进行内部调配,兼职操作。

  

 

  (2)滚压滚压工艺具体要求如下。

  1)滚压工具直径的调节方法。①用千分尺测量工具直径。②向柄方向推动有刻度调节套同时左右旋转,便可调整工具直径,左旋减少、右旋加大,每刻度值为0.002 5mm。③直径调整好后,放开铝壳自动锁定该直径。④加工盲孔、阶梯孔时,底部约0.5~1.0mm无法加工。滚针可轻轻碰到孔底。底部有锥度、R形不相混合的工件,应在底部加垫限位块,防止工具卡死。

  2)加工部位的壁厚要求。使用滚压工具加工,工件加工部位必需有充分的壁厚(外径是孔径的15%以上),如果壁薄或部分壁薄,加工后会发生变形或降低圆度,碰到此问题可用以下方法解决:①减少滚压量。②利用夹具支撑外周。③在加工薄壁以前实施加工。滚压工具可加工的工件硬度最大上限值为40HRC。如果遇到高硬度材料加工时,由于工具承受压力大,工具寿命会缩短。

  3)加工尺寸、表面粗糙度要求。加工前的尺寸、表面粗糙度、材质和加工后的要求均有很大关系,需要综合考虑。如加工前凹凸部分的深浅,用多少加工余量通过滚压加工能完全增埋凹陷部分,达到光滑的表面,不同的材质、硬度和直径也各有差异,所以建议各种产品最初先进行2~3次试验性加工,得出最佳参数。滚压加工余量能少则少。滚压加工是高要求的精加工,一般加工前的状态越好,加工后得到的效果也越好,同时滚压工具的磨耗也越少。一般普通钢件留滚压余量0.02~0.04mm,铜铝件留滚压余量0.03~0.07mm,表面粗糙度值Ra<3.2μm。

  (3)CBN加工CBN刀具使用普通数控镗刀,但刀片价格高(经济型300元/片,高精型1 100元/片),可加工数量为10件/片,且只适用于高速加工设备,因此有一定局限性。

  11. 结语

  通过对不同的表面加工工艺方法的试验验证,获取系列工艺参数,综合技术经济分析,对于不同的产品、批量采取不同的表面处理方式,可使用相对较为合理的工艺方法。得出:

  1)公称直径200mm以内常规产品(孔直径≤165mm),批量产量>10件/批,内部调配人员兼职珩磨,成本增加≤10元/件。

  2)新产品或不形成批量产品(<3件/批),以及直径≥165mm产品( 大规格产品产量≤5件/批),直接使用CBN刀具加工,成本增加≤30元/件,尽管相对批量产品单位成本上升较大,但避免了大宗设备投资(珩磨机最低报价56万元/台)。

  3)滚压工艺受铸铁无延伸率、滚压前工序清洁度要求高以及滚压头价格高、易损坏等特点,铸钢类产品产量未大幅提升之前,只作为珩磨的备用工艺,在珩磨机故障或应急时使用。

  通过对三种工艺方法的验证,得出如下最佳切削参数:

  1)在镗削表面粗糙度值Ra=1.6μ m时,珩磨余量0.02~0.04mm最佳。

  2)滚压刀具以国产替代进口,余量不超过单边0.025mm。

  3)CBN刀片适合高转速、小吃刀量和快进给的特性。以上结论为我公司多品种小批量生产组织中合理安排表面精密加工提供了依据,也为各工艺人员设计适合的工艺过程提供了参考。

  根据验证结论,液压缸体在分别使用以上不同的工艺手段后,表面加工质量大幅提高,增减载顺畅性大幅提高,而成本仅略微上升。根据质量反馈信息来看,螺杆压缩机增减载故障率由原来的8.3%下降到不足1%,对于压缩机节能降耗意义重大。

  本文发表于《金属加工(冷加工)》2020年第6期第37~41页,作者:烟台冰轮集团高世刚、王东、仵文杰、钱金宝,原标题:《提高液压缸孔表面质量的几种工艺方法》

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发布时间:2019-11-01 00:00:00

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