提高液壓缸孔表面質(zhì)量的幾種工藝方法

■ 煙臺冰輪集團 （山東煙臺 264002） 高世剛 王 東 仵文杰 錢金寶

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(diào)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(xiàn)能量無級調(diào)節(jié)的容積式壓縮機，其能量調(diào)節(jié)機構(gòu)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(diào)節(jié)的精度，而液壓缸體作為增減載運動的承載機構(gòu)，其表面質(zhì)量決定了調(diào)節(jié)活塞在其中運動的順暢性，表面質(zhì)量不高將影響調(diào)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(diào)節(jié)的精確度和響應(yīng)的靈敏度。我公司多年來采用過多種提高表面加工質(zhì)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(shè)備、效率和成本制約，另考慮表面粗糙度導(dǎo)致的阻尼對活塞上O型圈和聚四氟密封環(huán)的影響，設(shè)計時將液壓缸孔的表面粗糙度值設(shè)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(chǎn)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(zhì)量隱患和經(jīng)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(gòu)（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(chǎn)生一定的面接觸（見圖1）。同時使珩磨頭旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動，零件不動，從而實現(xiàn)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(dǎo)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。

圖1 內(nèi)圓珩磨示意

珩磨時由于珩磨頭旋轉(zhuǎn)并往復(fù)運動或珩磨頭旋轉(zhuǎn)、工件往復(fù)運動，使加工面形成交叉螺旋線切削軌跡，且在每一往復(fù)行程時間內(nèi)珩磨頭的轉(zhuǎn)數(shù)不是整數(shù)，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(fù)。另外，珩磨頭每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，油石與前一轉(zhuǎn)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(chǎn)生干涉點，將這些干涉點磨去并產(chǎn)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(fù)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(shù)，根據(jù)德國切削物理學(xué)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(shù)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(zhì)量都有很大影響。高速切削下，切屑與刀具的平均摩擦系數(shù)反而下降，從而導(dǎo)致切削力下降，摩擦熱減少。

超硬材料工具是實現(xiàn)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(jīng)高速鋼、硬質(zhì)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(xué)穩(wěn)定性好。④好的導(dǎo)熱性和小的摩擦因數(shù)。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)。

圖2 滾壓示意

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，以確保孔的精度。

灰鑄鐵（H T300）加工線速度提高到50m/min以上，珩磨的往復(fù)速度15～20m/min。油石對孔壁的壓力設(shè)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(nèi)，有利于減小加工表面的殘余應(yīng)力，提高表面質(zhì)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(yù)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(jù)工件材質(zhì)、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(jīng)常清洗滾壓頭。

圖3 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(nèi)）。

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(diào)整至φ（152+0.04）mm（滾壓頭與缸孔孔徑過盈0.03mm）。滾壓參數(shù)選擇主軸轉(zhuǎn)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(nèi)）。

2）精加工孔至φ（152+0.01）m m，表面粗糙度值約Ra=6.3μm。

3）將滾壓量調(diào)整至φ（152+0.08）mm（滾壓頭與缸孔孔徑過盈0.07 mm）。滾壓參數(shù)選擇主軸轉(zhuǎn)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（C B N）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(xué)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。

C BN刀具是由許多細晶粒（0.1～100μm）聚結(jié)而成的聚集體的一類超硬材料產(chǎn)品。它除了具有高硬度、高耐磨性外，還具有高韌性、化學(xué)惰性以及紅硬性等特點，在切削加工的各個方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，能夠在高溫下實現(xiàn)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(shù)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(guān)鍵是要試驗刀具與切削參數(shù)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(zhì)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(shù)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。

圖4 立方氮化硼刀片

圖5 鏜孔零件

7. 珩磨試驗結(jié)果

珩磨數(shù)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(jié)果：表面質(zhì)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(zhì)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(jié)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(jīng)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(chǔ)上增大了滾壓量，滾壓后效果明顯，表面粗糙度值達到R a=1.6μ m，孔徑比滾壓前大0.03m m，為φ（152+0.04）m m，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(zhì)量較差時，不宜采用滾壓工藝。

9. CBN加工試驗結(jié)果

經(jīng)試驗驗證，CBN高速加工同樣可獲得較高的表面質(zhì)量，符合設(shè)計要求，實現(xiàn)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(shù)：珩磨參數(shù)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(jù)生產(chǎn)實際情況進行內(nèi)部調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)套同時左右旋轉(zhuǎn)，便可調(diào)整工具直徑，左旋減少、右旋加大，每刻度值為0.002 5mm。③直徑調(diào)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(yīng)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。

表1 珩磨參數(shù) （單位：mm）

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(zhì)和加工后的要求均有很大關(guān)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(zhì)、硬度和直徑也各有差異，所以建議各種產(chǎn)品最初先進行2～3次試驗性加工，得出最佳參數(shù)。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(shù)控鏜刀，但刀片價格高（經(jīng)濟型300元/片，高精型1 100元/片），可加工數(shù)量為10件/片，且只適用于高速加工設(shè)備，因此有一定局限性。

11. 結(jié)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(shù)，綜合技術(shù)經(jīng)濟分析，對于不同的產(chǎn)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(nèi)常規(guī)產(chǎn)品（孔直徑≤165mm），批量產(chǎn)量＞10件/批，內(nèi)部調(diào)配人員兼職珩磨，成本增加≤10元/件。

2）新產(chǎn)品或不形成批量產(chǎn)品（＜3件/批），以及直徑≥165mm產(chǎn)品（大規(guī)格產(chǎn)品產(chǎn)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(chǎn)品單位成本上升較大，但避免了大宗設(shè)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(chǎn)品產(chǎn)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(yīng)急時使用。

通過對三種工藝方法的驗證，得出如下最佳切削參數(shù)：

1）在鏜削表面粗糙度值Ra=1.6μm時，珩磨余量0.02～0.04mm最佳。

2）滾壓刀具以國產(chǎn)替代進口，余量不超過單邊0.025mm。

3）CBN刀片適合高轉(zhuǎn)速、小吃刀量和快進給的特性。

以上結(jié)論為我公司多品種小批量生產(chǎn)組織中合理安排表面精密加工提供了依據(jù)，也為各工藝人員設(shè)計適合的工藝過程提供了參考。

根據(jù)驗證結(jié)論，液壓缸體在分別使用以上不同的工藝手段后，表面加工質(zhì)量大幅提高，增減載順暢性大幅提高，而成本僅略微上升。根據(jù)質(zhì)量反饋信息來看，螺桿壓縮機增減載故障率由原來的8.3%下降到不足1%，對于壓縮機節(jié)能降耗意義重大。

專家點評

本文中液壓缸內(nèi)孔的三種表面加工方法，珩磨、滾壓和高速加工各有利弊，作者以三種方法的加工原理和驗證對比為主線，通過工藝試驗和結(jié)果分析，獲取合理的工藝參數(shù)并得出正確的結(jié)論：對于不同產(chǎn)品和批量的液壓缸內(nèi)孔采取不同的表面處理方式，并使用正確的工藝方法，可大幅提高內(nèi)孔質(zhì)量。

文章內(nèi)容豐富，結(jié)構(gòu)合理，作者綜合運用各種專業(yè)知識，圍繞三種工藝方法的試驗結(jié)果進行分析和比較，思路清晰，語言生動，得出的驗證結(jié)論也非常實用，對提高液壓缸內(nèi)孔的表面質(zhì)量具有很好的幫助。