缸筒加工的镗削滚压工艺分析

缸筒作为油缸、矿用单体支柱、液压支架、炮管等产品的主要部件,其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。缸筒加工要求高,其内表面粗糙度要求为Ra0.4～0.8µm,对同轴度、耐磨性要求严格。缸筒的基本特征是深孔加工,其加工一直困扰加工人员。

采用滚压加工,由于表面层留有表面残余压应力,有助于表面微小裂纹的封闭,阻碍侵蚀作用的扩展。从而提高表面抗腐蚀能力,并能延缓疲劳裂纹的产生或扩大,因而提高缸筒疲劳强度。通过滚压成型,滚压表面形成一层冷作硬化层,减少了磨削副接触表面的弹性和塑性变形,从而提高了缸筒内壁的耐磨性,同时避免了因磨削引起的烧伤。滚压后,表面粗糙度值的减小,可提高配合性质。

1滚压刀具的设计

以我们设计的Ø160mm组合镗滚刀为例说明刀具设计及工艺。

如结构图所示,保护帽1用于保护芯轴头部对刀仪的基准位置。支承垫4和支承钉6的作用是保护保持架(ZQSn6-6-3)免受滚柱轴向压力的压裂。支承套11材料为GCr15,要求与芯轴15过盈配合,组装后配磨。

滚柱材料为GCr15或高速钢W18Cr4V,62～65HRC。滚柱在镗滚刀中起滚压和导向作用。采用滚柱滚压的原因是它较圆珠滚压工作接触面积大,能承受较大的滚压力,可选用较大的进给量,从而提高生产率。对薄壁低刚性的工件,应选用直径较小而较长的滚柱,滚柱直径较小时可得较小的表面粗糙度值,这里我们选Ø13mm滚柱。滚柱圆角半径r在一定范围内影响表面粗糙度,减小圆角半径,相应地增加了单位应力,能减小表面粗糙度值和提高表面冷硬度。滚柱数量z增多可减小滚压粗糙度值,但所需滚压力增大。一般z取5～10,我们取6。加大滚柱滚压后角a可减小表面粗糙度值,但a过大易形成过冷硬状态,破坏表面层,一般取a≤1°。滚柱直径方向上高低不一会造成卡死、振动、拉伤加工表面,故直径方向上差值不大于0.03mm。

技术要求:(1)装配后转动后齿环、保待架和滚柱面能自由滑动
(2)退刀时,保证刃口向上,以免拉伤
1.保护帽2.紧定螺钉3.保持架4.支承垫5.滚柱6.支承钉7轴承
8.后齿环9.前齿环10.小套11.支承套12.螺栓13.刀体14.机夹刀块15.芯轴
组合镗滚刀结构图

滚压完成,退刀时,勾动后齿环8,使前、后齿环成啮合状态,在保持架3与芯轴15之间插人退刀半环(其长度为滚柱长度基本尺寸),从而使得保持架带动滚柱沿支承套1:40的锥度后移,退入支承套槽中,使滚柱与缸筒脱离接触,实现退刀。

镗滚刀中滚柱、支承套、保持架为易损件,每副易损件约可滚压Ø90m×2150m油缸150根(以行程计算)。

2滚压影响因素分析

工件材料滚压适用于50以下碳钢,碳含量愈低,孔扩张量愈小。材料硬度越低,塑性越高,则滚压的表面质量越好。滚压后硬度虽可达到400HB,但从280HB开始,滚压后效果显著下降,因此,滚压前工件材料硬度一般不低于140HB。

预加工一般采用车削或镗削。工件的几何形状精度由预加工来保证,一般要求预加工Ra0.25～5µm,锉削滚压加工余量0.5mm左右。

滚压次数第一次滚压中塑性变形最显著、最充分,表面质量得到明显提高,随着滚压次数的增加,表面产生过大的压应力,会破坏第一次滚压所得到的表面质量,即破坏滚压冷硬层,造成脱皮现象故组合撞滚刀的滚压次数选一次。

切削用量进给量f越大,表面粗糙度值将增大；滚压速度v与表面质量关系不大。滚压头过盈量一般取0.15mm左右(普通Ø60～200mm孔径油缸),滚压量0.02～0.04m。以Ø160mm孔加工为例,我们取v=30～40m/min,f=0.1～0.25mm/r。

冷却清洁我们采用HT-40机械油:煤油(GB258-64)=1:1,也可采用硫化油:柴油=1:1配方。加工时压力油从滚压头后部冲向镗滚刀,经未加工表面从床头侧排到油槽中,这样避免了脱落的切屑刮伤已加工表面。油箱的设计,主要问题是清洁、沉淀而不是冷却,因为切削油每20min循环一次,根本来不及沉淀,加大容量不是方法。过滤问题主要通过选择合适的过滤器材和在工艺上来保证。现场证明,过滤网孔隙太大,毛毡孔隙太小容易堵塞。
缸筒滚压加工常见问题及解决方法:尺寸超差:对刀不准,刀具或滚压头磨损;内表面有振动波纹:材料太硬,转速太高;明显刀纹:进给量大,切削深度过大;拉沟:刀刃断裂,切削液量小,切削液温度太高。

3应用实例

镗削滚压工艺是一种高效高质量的工艺措施,现以Ø160mm健削滚压头(45钢无缝钢管)为例证明镗滚效果。滚压后,孔表面粗糙度由幢滚前Ra3.2～6.3µm减小为Ra0.4～0.8µm,孔的表面硬度提高约30%,缸筒内表面疲劳强度提高25%。油缸使用寿命若只考虑缸筒影响,提高2～3倍,镗削滚压工艺较磨削工艺效率提高3倍左右。以上数据说明,该镗削滚压工艺是高效的,能大大提高缸筒的表面质量。

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