薄壁氣缸套工藝研究

李志信，任家駿

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西太重北特機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

在大型鍛造生產(chǎn)線中，鍛錘部位的氣缸套是主機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部件，也是易損零件，其工作環(huán)境溫度較高，并且承受著錘頭傳來的沖擊載荷。工作時，錘桿與氣缸套快速相對運(yùn)動，易產(chǎn)生摩擦磨損。因此，要求氣缸套應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，表面質(zhì)量可靠、耐磨，定位精準(zhǔn)，裝配精度高。但氣缸套訂貨周期很長，價格昂貴，對實際生產(chǎn)影響很大。因此，若將此缸套零件進(jìn)行國產(chǎn)轉(zhuǎn)化，對降低生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維修費用將產(chǎn)生顯著的效果。

1 氣缸套特性及材料分析

圖1為氣缸套外形簡圖。從圖1中可以看出，該氣缸套零件形狀簡單，尺寸較大，屬于高強(qiáng)度、高精度薄壁零件，所有表面為加工面，其尺寸精度、表面精度、形位精度要求很高。

圖1 氣缸套外形簡圖

該零件為薄壁直筒類缸體零件，壁厚只有25mm，缸套直徑為Φ1 150mm，高度為700mm，零件的內(nèi)外表面粗糙度要求很高（Ra1.6），筒體圓柱度、內(nèi)外圓同心度等形位要求也很高，一般此類零件的制造工藝性較差，加工過程中極易產(chǎn)生變形，影響零件的尺寸、形位精度，制造過程成品率低。

1.1 對損壞零件進(jìn)行分析檢測

首先根據(jù)零件特點準(zhǔn)備檢測工具，主要包括2m卷尺、Φ1 000mm～Φ1 200mm內(nèi)徑千分尺、Φ1 000mm～Φ1 200mm外徑千分尺、深度尺、金屬切削表面粗糙度樣塊等工具。對損害部位進(jìn)行分析，檢測零件各部位尺寸與圖紙偏差，同時與裝配部件進(jìn)行校核。通過損壞的實體零件可以看出，零件失效主要表現(xiàn)為受力變形及表面磨損，零件失效后設(shè)備表現(xiàn)為漏油、錘桿出現(xiàn)劃痕和動力不足等，說明零件發(fā)揮的作用為密封、支撐等。

1.2 根據(jù)零件使用特性調(diào)整材料

根據(jù)零件使用環(huán)境以及特性分析，可知該零件要求表面光潔度高、耐磨、內(nèi)孔端頭的凹槽處安裝密封圈，具有密封作用，剛性較好。根據(jù)常用材料特性，初步確定使用滿足GB/T 3077－1999的42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1和表2所示。

42CrMo鋼具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和淬透性能，韌性好，淬火時變形小，高溫時具有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，經(jīng)滲氮處理后具有較高的疲勞強(qiáng)度和表面硬度，且具有較好的耐腐蝕性。

2 對氣缸套進(jìn)行制造過程設(shè)計及工藝分析

2.1 確定零件的毛坯工藝要求

通過分析零件的性能要求，選擇零件毛坯為鍛件毛坯，由于大型的鍛造毛坯較少，不易形成批量生產(chǎn)，因此采用自由鍛設(shè)備鍛造環(huán)狀毛坯。

根據(jù)鍛造規(guī)范，鍛造前必須將鋼錠表面缺陷全部清除掉，鍛造比不得小于3.5，各尺寸毛坯余量為（39±14）mm，鍛造過程中應(yīng)規(guī)范加熱，加熱溫度最高為1 200℃～1 220℃，鍛造溫度為800℃，修整溫度為750℃。要求鍛件表面沒有裂紋、折疊、鍛傷、結(jié)疤、夾雜等缺陷，在鍛件本體上進(jìn)行超聲波探傷檢查，符合 JB/T 5000.15－2007標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 42CrMo的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 42CrMo的力學(xué)性能

2.2 確定零件的加工工藝過程

薄壁類零件加工難度一般都比較大，容易產(chǎn)生變形，加工后零件尺寸精度、形位精度不容易得到保證，一直是零件加工中的難題。

（1）選擇加工設(shè)備。選擇1.5m數(shù)控立車，為避免將零件裝夾變形，采用箱體類零件壓板式固定方法固定零件，使得零件在徑向不受裝夾產(chǎn)生的應(yīng)力影響，從粗加工開始到半精加工全部采用該裝夾方式固定，以減小零件加工過程中的變形影響。

（2）半精加工過程。由于該零件在切削加工過程中會產(chǎn)生較大的切削應(yīng)力，切削過程中的切削用量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給等要素選擇應(yīng)保證產(chǎn)生較小的應(yīng)力，因此將半精加工分成兩道，中間增加一次退火以消除切削應(yīng)力，防止精加工時應(yīng)力釋放而導(dǎo)致零件尺寸發(fā)生變化。

（3）精加工工藝過程。由于零件表面光潔度要求很高，因此零件精加工采用磨削。首先進(jìn)行外圓磨削，使用6m外圓磨床，制作外圓磨削工裝，工裝要求中心軸與支撐外壁同心度在0.01mm以內(nèi)，尺寸與缸套精加工前其內(nèi)孔尺寸應(yīng)配合。然后用立式珩磨機(jī)對內(nèi)孔進(jìn)行珩磨，以保證零件內(nèi)孔尺寸精度、表面光潔度等要求。各項尺寸公差不能接近下差，保持在中上差范圍，以應(yīng)對滲氮處理過程中尺寸的細(xì)微變化。經(jīng)過實際生產(chǎn)過程的3次驗證，滲氮處理后該零件的尺寸縮小了0.03mm～0.05mm，因此在零件滲氮前，精加工零件的尺寸應(yīng)調(diào)大0.04mm。

（4）零件熱處理要求?？紤]零件使用狀態(tài)以及環(huán)境要求，該零件采用調(diào)質(zhì)處理，加熱860℃，850℃淬油，再560℃回火處理，使得零件調(diào)質(zhì)硬度達(dá)到HB300～HB320，以獲得更好的表面滲氮處理效果。加工過程中的消除切削應(yīng)力退火溫度要求控制在470℃以下，不能超過調(diào)質(zhì)過程中的回火溫度。

（5）零件表面強(qiáng)化處理。滲氮處理是一種常用的提高鋼鐵零件表面強(qiáng)度和耐磨性的熱處理手段，具有處理溫度低、零件變形小、表面硬度高、耐腐蝕等特點。42CrMo滲氮效果跟基體性能相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗，將零件的熱處理工藝調(diào)整為調(diào)質(zhì)HRC32～HRC35。42CrMo的材料成分中Cr、Mo含量較高，能夠得到比較好的滲氮效果。滲氮設(shè)備選用臺式離子氮化爐LD－200A。根據(jù)滲氮工藝要求，滲氮溫度為530℃，保持滲氮溫度，時長為23h，然后降溫，隨爐冷卻，最終保證滲氮層深度達(dá)到0.5mm，表面硬度達(dá)到HRC60～HRC64，以滿足零件的使用性能要求。氮化裝盤時應(yīng)注意，該零件不能與其他零件擠壓，爐盤上應(yīng)放置4塊～6塊等高墊塊，然后放置氣缸套。

（6）零件吊裝要求。操作時應(yīng)特別注意起吊方式，不允許直接在零件上栓綁鋼絲繩、尼龍繩等吊具，應(yīng)制作專門的缸套起吊工裝，并拖住缸套的底部端面進(jìn)行起吊，避免與其他零件碰撞等。發(fā)貨過程中，必須制作專門的包裝方案，保證零件在運(yùn)輸?shù)跹b等過程的完好狀態(tài)。

（7）檢測零件的精度。對應(yīng)零件制作工藝過程，應(yīng)制定詳細(xì)的零件檢驗節(jié)點，且毛坯檢驗必須嚴(yán)格按照鍛造工藝要求進(jìn)行，因為熱處理環(huán)節(jié)關(guān)系到材料性能是否能夠達(dá)到，所以要求檢查各環(huán)節(jié)的熱處理溫度，遵守?zé)崽幚砉に?，記錄滲氮前后的尺寸變化并進(jìn)行對比，以調(diào)整零件滲氮前的尺寸。

2.3 新品實際使用驗證及工藝改進(jìn)

通過多次對生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)質(zhì)硬度上調(diào)，調(diào)整切削要素，增加中間去應(yīng)力退火，增加內(nèi)孔珩磨，調(diào)整滲氮工藝等，經(jīng)過兩次調(diào)整工藝之后，氣缸套的質(zhì)量得到很大的提升，無論尺寸精度、形位精度都能滿足使用要求，并延長了使用壽命，降低了設(shè)備使用成本。

3 結(jié)論

經(jīng)過多次調(diào)整和改進(jìn)氣缸套的制造工藝，生產(chǎn)出的氣缸套獲得了良好的性能，降低了設(shè)備維護(hù)成本和備件采購成本，更好地保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。

［1］重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)編寫委員會.重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］陳玉琨，趙云筑.工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.