提高液壓缸孔表面質量的幾種工藝方法 - 副本

螺桿壓縮機相較于活塞壓縮機具有易損件少、維修周期長、抗液擊能力強、負荷調節(jié)范圍廣以及可在苛刻環(huán)境條件下運行等諸多優(yōu)勢，目前在中大型冷凍冷藏行業(yè)，螺桿壓縮機已成為制冷系統(tǒng)的主要壓縮機型。螺桿壓縮機是可以實現能量無級調節(jié)的容積式壓縮機，其能量調節(jié)機構包括滑閥、拉桿和活塞等運動副，這些零件的制造精度影響能量調節(jié)的精度，而液壓缸體作為增減載運動的承載機構，其表面質量決定了調節(jié)活塞在其中運動的順暢性，表面質量不高將影響調節(jié)速度，嚴重的甚至造成卡阻失靈。液壓缸體作為壓縮機能量增減載最重要的零件，其中液壓缸孔的表面粗糙度直接影響能量調節(jié)的精確度和響應的靈敏度。我公司多年來采用過多種提高表面加工質量的工藝方法，最終只有珩磨、滾壓和高速加工保留了下來，但受設備、效率和成本制約，另考慮表面粗糙度導致的阻尼對活塞上O型圈和聚四氟密封環(huán)的影響，設計時將液壓缸孔的表面粗糙度值設定為Ra＝0.4μm，但傳統(tǒng)的精鏜工藝等無法達到要求，還有生產上常因安排不當，造成返工或延誤交貨，在一定程度上存在質量隱患和經濟風險。1.珩磨工作原理珩磨是利用安裝于珩磨頭圓周上的一條或多條油石，由脹開機構（我公司為5條，推進式）將油石沿徑向脹開，使其壓向工件孔壁，以便產生一定的面接觸（見圖1）。同時使珩磨頭旋轉和往復運動，零件不動，從而實現珩磨。珩磨頭與機床主軸之間或珩磨頭與工件之間是浮動的，加工時珩磨頭以工件孔壁做導向，因而加工精度受機床本身精度影響較小，孔表面的形成基本上具有創(chuàng)制過程特點。所謂創(chuàng)制過程是油石和孔壁相互對研、互相修整而形成孔壁和油石表面。其原理類似兩塊平面運動的平板相互對研而形成平面的原理。

珩磨時由于珩磨頭旋轉并往復運動或珩磨頭旋轉、工件往復運動，使加工面形成交叉螺旋線切削軌跡，且在每一往復行程時間內珩磨頭的轉數不是整數，因而兩次行程間，珩磨頭相對工件在周向錯開一定角度，這樣使珩磨頭上的每一個磨粒在孔壁上的運動軌跡不重復。另外，珩磨頭每轉一轉，油石與前一轉的切削軌跡在軸向上有一段重疊，使前后銜接更平滑均勻。珩磨過程中，孔壁和油石面的每一點相互干涉的機會基本相等。因此，隨著珩磨的進行，孔表面和油石表面不斷產生干涉點，將這些干涉點磨去并產生新的更多的干涉點，又不斷磨去，使孔和油石表面接觸面積不斷增加，相互干涉的程度和切削作用不斷減弱，孔和油石的圓度和圓柱度也不斷提高，完成孔表面的創(chuàng)制過程。2.滾壓工作原理滾壓工具的加工原理就像壓路機將凹凸不平的馬路壓得平整一樣，就是用很光滑的滾柱滾壓被加工金屬表面，將工件表面高凸部分向低凹部分擠壓，從而使加工表面達到光滑如鏡的效果，是一種塑性加工方法，如圖2所示，其中A為滾壓區(qū)域，B為塑性變形區(qū)域，C為平滑區(qū)域，D為滾壓量，E為彈性恢復量。被加工工件表面不僅表面粗糙度值Ra瞬間從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、耐腐蝕性和密封性等，消除了早期磨損，這些都是切削加工無法取代的優(yōu)點。

3.CBN高速加工原理機械加工中，切削溫度是一個重要的制約參數，根據德國切削物理學家薩洛蒙的超高速切削理論，鋼材的切削速度與切削溫度可用薩洛蒙曲線表示，曲線表明切削速度和切削溫度不是呈線性變化的。常規(guī)切削在初始區(qū)域的切削溫度使工件和刀具難以承受，稱之“死谷”。但突破后進入超高速切削區(qū)，材料的切削機理發(fā)生變化，切削過程變得比常規(guī)速度下容易和輕松，效率卻成10倍增加。在超高速切削過程中，刀具與切屑間摩擦系數的變化規(guī)律，對切削力、切削熱、積屑瘤、刀具磨損及表面加工質量都有很大影響。高速切削下，切屑與刀具的平均摩擦系數反而下降，從而導致切削力下降，摩擦熱減少。超硬材料工具是實現超高速加工的前提，目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經高速鋼、硬質合金鋼和陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。

CBN刀具有如下特點：①硬度高，耐磨性好。②熱穩(wěn)定性好。③化學穩(wěn)定性好。④好的導熱性和小的摩擦因數。⑤強度和韌性較差。因此CBN刀具特別適用于高速精加工，尤其是干切狀態(tài)。4.珩磨加工試驗珩磨油石采用金剛石磨料，加工中油石磨損小，即油石受工件修整量很小。因此，孔的精度在一定程度上取決于珩磨頭上油石的原始精度。所以在用金剛石和立方氮化硼油石時，珩磨前要很好地修整油石，以確?？椎木?。

灰鑄鐵（HT300）加工線速度提高到50m/min以上，珩磨的往復速度15～20m/min。油石對孔壁的壓力設為0.3～0.5MPa（粗珩時1MPa左右，精珩時＜0.1MPa）。由于珩磨時油石與工件是面接觸，每顆磨粒對工件表面的垂直壓力只有磨削時的1/100～1/50，加上珩磨速度低，故切削區(qū)的溫度保持在50～150℃范圍內，有利于減小加工表面的殘余應力，提高表面質量。為了沖刷切屑，降低切削區(qū)溫度和表面粗糙度值，切削液采用煤油。5.

滾壓加工試驗滾壓頭如圖3所示，滾壓材料硬度40HRC以下。滾壓前預加工孔的表面粗糙度值Ra＜3.2μm。滾壓前工件孔徑留余量0.02～0.07mm（具體根據工件材質、孔徑及工件熱處理狀態(tài)確定）。滾壓速度25～40m/min，進給量1.0～1.5mm/r。工作時，選用清潔的低粘度油性切削液或低粘度潤滑油，且必須經常清洗滾壓頭。

（1）加工第一件試件加工工藝為：1）液壓缸孔粗、半精加工至φ151.7mm（由于直徑限制，φ140mm加工至滾壓頭的滾壓直徑內）。2）精加工孔至φ（152+0.00）mm（表面粗糙度值約Ra=1.6μm）。3）將滾壓量調整至φ（152+0.04）mm（滾壓頭與缸孔孔徑過盈0.03mm）。滾壓參數選擇主軸轉速n=80m/min，進給速度vf=88mm/min。L=218mm，滾壓加工時間2.47min/件。滾壓后缸孔尺寸φ（152+0.015）mm無變形。

（2）加工第二件試件加工工藝為：1）液壓缸孔粗、半精加工至φ151.7mm（由于直徑限制，φ140mm加工至滾壓頭的滾壓直徑內）。2）精加工孔至φ（152+0.01）mm，表面粗糙度值約Ra=6.3μm。3）將滾壓量調整至φ（152+0.08）mm（滾壓頭與缸孔孔徑過盈0.07mm）。滾壓參數選擇主軸轉速n=80m/min，進給速度vf=88mm/min。L=218mm，滾壓加工時間2.47min/件。滾壓后缸孔尺寸φ（152+0.04）mm變形0.01mm。6.CBN加工試驗立方氮化硼（CBN）是硬度僅次于金剛石的超硬材料。其原理是與鐵系金屬的親和性低，所以主要被用于鐵系金屬的切削加工。它不但具有金剛石的許多優(yōu)良特性，而且有更高的熱穩(wěn)定性和對鐵系金屬及其合金的化學惰性，可以加工原來只能依賴磨削的淬火鋼及高硬度鑄鐵等難切削材料，并且能夠高速精加工鑄鐵，提高刀具壽命等優(yōu)越效能。

CBN刀具是由許多細晶粒（0.1～100μm）聚結而成的聚集體的一類超硬材料產品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，還具有高韌性、化學惰性以及紅硬性等特點，在切削加工的各個方面都表現出優(yōu)異的切削性能，能夠在高溫下實現穩(wěn)定切削，特別適合加工各種淬火鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料。刀具切削鋒利、保形性好、耐磨性能高、單位磨損量小、修正次數少以及利于自動加工，特別適用于精加工。工藝試驗可在同類機床上進行精加工試驗，關鍵是要試驗刀具與切削參數的選擇及工藝系統(tǒng)是否有足夠的剛性。

使用山特維克可樂滿的立方氮化硼刀具（見圖4），加工HT300材料（見圖5）。工藝如下：1）精加工余量0.30mm，提高粗加工尺寸精度和減少熱變形，以保證切削余量均勻，延長刀具壽命。2）干式切削。在較高的切削速度下，大量切削熱由切屑帶走，很少滯留在工件表面而影響加工表面質量和精度。3）精鏜刀片選用高強度、高韌性的菱形刀片，刀尖半徑圓角0.4mm。4）切削參數選擇切削速度vc=120m/min，進給量f=0.1mm/r，背吃刀量ap=0.2～0.3mm。7.珩磨試驗結果珩磨數量：LG20、LG16液壓缸體各10件；珩磨余量：0.02～0.03mm（前道工序加工精度和表面粗糙度達到要求）；珩磨時間：15～20min/件；珩磨結果：表面質量顯著提高。

通過試驗，可以斷定珩磨LG20以下液壓缸體工藝上是可行的，珩磨表面質量有顯著提高，具體對螺桿機增減載的影響有多大需等待市場的反饋。8.滾壓試驗結果試件一：由于底孔是新刀片加工的，滾壓完成后液壓缸缸孔表面粗糙度值已經能達到Ra=1.6μm，所以滾壓后效果相差不是很明顯。試件二：由于第一件試件效果不很明顯，所以在第二件試件加工時將刀片換成舊刀片，加工完成后表面粗糙度值Ra=6.3μm，同時在第一件的基礎上增大了滾壓量，滾壓后效果明顯，表面粗糙度值達到Ra=1.6μm，孔徑比滾壓前大0.03mm，為φ（152+0.04）mm，孔變形0.01mm。分析原因可能是受孔壁太薄影響。資料顯示，使用滾壓工具加工，該工件加工部位必需有充分的壁厚（外徑是孔徑的15%以上），如果壁薄或部分壁薄，加工后會發(fā)生變形或降低圓度。

鑄件滾壓后還是能用肉眼看出鑄件表面存在微小的黑顆粒，當材料軟、塑性大時，容易滾壓。隨著塑性降低、硬度提高，永久變形量隨之減少。一般來說，鑄鐵的滾壓效果較差。滾壓鑄鐵件時，當鑄件的材料硬度不均勻時，被滾壓表面的缺陷（氣孔、砂眼等）會馬上顯露出來。因此，當鑄件表面缺陷較多、質量較差時，不宜采用滾壓工藝。9.

CBN加工試驗結果經試驗驗證，CBN高速加工同樣可獲得較高的表面質量，符合設計要求，實現了“以鏜削代珩磨”。10.三種工藝方法對比分析（1）珩磨珩磨對于“增減載失靈”這一排第二位的螺桿壓縮機故障的改善是有利的，能夠顯著減少機頭增減載故障發(fā)生的頻次。規(guī)定如下。1）珩磨范圍：LG12、LG16和LG20液壓缸體增加一道珩磨工序，安排在精加工之后進行。2）珩磨參數：珩磨參數見表1。3）人員安排：因該工序工作強度不大，不考核節(jié)拍，故操作人員的安排依據生產實際情況進行內部調配，兼職操作。

（2）滾壓滾壓工藝具體要求如下。1）滾壓工具直徑的調節(jié)方法。①用千分尺測量工具直徑。②向柄方向推動有刻度調節(jié)套同時左右旋轉，便可調整工具直徑，左旋減少、右旋加大，每刻度值為0.0025mm。③直徑調整好后，放開鋁殼自動鎖定該直徑。④加工盲孔、階梯孔時，底部約0.5～1.0mm無法加工。滾針可輕輕碰到孔底。底部有錐度、R形不相混合的工件，應在底部加墊限位塊，防止工具卡死。

2）加工部位的壁厚要求。使用滾壓工具加工，工件加工部位必需有充分的壁厚（外徑是孔徑的15%以上），如果壁薄或部分壁薄，加工后會發(fā)生變形或降低圓度，碰到此問題可用以下方法解決：①減少滾壓量。②利用夾具支撐外周。③在加工薄壁以前實施加工。滾壓工具可加工的工件硬度最大上限值為40HRC。如果遇到高硬度材料加工時，由于工具承受壓力大，工具壽命會縮短。3）加工尺寸、表面粗糙度要求。加工前的尺寸、表面粗糙度、材質和加工后的要求均有很大關系，需要綜合考慮。如加工前凹凸部分的深淺，用多少加工余量通過滾壓加工能完全增埋凹陷部分，達到光滑的表面，不同的材質、硬度和直徑也各有差異，所以建議各種產品最初先進行2～3次試驗性加工，得出最佳參數。滾壓加工余量能少則少。滾壓加工是高要求的精加工，一般加工前的狀態(tài)越好，加工后得到的效果也越好，同時滾壓工具的磨耗也越少。一般普通鋼件留滾壓余量0.02～0.04mm，銅鋁件留滾壓余量0.03～0.07mm，表面粗糙度值Ra＜3.2μm。（3）CBN加工CBN刀具使用普通數控鏜刀，但刀片價格高（經濟型300元/片，高精型1100元/片），可加工數量為10件/片，且只適用于高速加工設備，因此有一定局限性。11.結語通過對不同的表面加工工藝方法的試驗驗證，獲取系列工藝參數，綜合技術經濟分析，對于不同的產品、批量采取不同的表面處理方式，可使用相對較為合理的工藝方法。得出：1）公稱直徑200mm以內常規(guī)產品（孔直徑≤165mm），批量產量＞10件/批，內部調配人員兼職珩磨，成本增加≤10元/件。2）新產品或不形成批量產品（＜3件/批），以及直徑≥165mm產品（大規(guī)格產品產量≤5件/批），直接使用CBN刀具加工，成本增加≤30元/件，盡管相對批量產品單位成本上升較大，但避免了大宗設備投資（珩磨機最低報價56萬元/臺）。3）滾壓工藝受鑄鐵無延伸率、滾壓前工序清潔度要求高以及滾壓頭價格高、易損壞等特點，鑄鋼類產品產量未大幅提升之前，只作為珩磨的備用工藝，在珩磨機故障或應急時使用。

通過對三種工藝方法的驗