淺析拋光砂帶在油缸精加工中的應用和優化

張沛英　李燦文　羅露露

摘 要：本文簡單分析了拋光砂帶在液壓壓磚機油缸密封表面加工中的作用，借助現代摩擦系數公式分析油缸內壁粗糙度對密封材料磨損的原理和機制；不同粗糙度下各個參數設計區間；介紹拋光砂帶對液壓壓磚機油缸密封表面的加工工藝的改進，并對其技術特點進行描述。一年多使用結果表明，加入拋光砂帶工序后，達到了預期的目標。

關鍵詞：拋光砂帶；精加工；粗糙度；密封表面；磨削

1 前言

筆者公司設計的油缸內壁圓柱度為0.02mm；表面粗糙度Ra為0.2μm。而加工工藝基本是精車后砂輪磨削，最后用布輪與拋光膏進行拋光。后來，為了提高質量和生產效率，引進了砂帶拋光工藝。但單純采用拋光砂帶拋光后，發現工作中有部分油缸比較容易產生磨損，密封件也易損壞，造成嚴重的后果。經過微觀結構和現代摩擦系數公式分析，對拋光砂帶工藝進行優化，從而達到良好的效果。

2 油缸密封表面的工作狀態及設計要求

2.1 油缸的密封表面工作狀態

油缸的密封表面工作狀態屬于滑動摩擦里面潤滑狀態下的邊界摩擦，兩摩擦表面間有潤滑油存在。由于潤滑油與金屬表面的吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜。邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開。所以，相互運動時，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，這種狀態稱為邊界摩擦。根據Bowden和Tabor[1]的研究可得到邊界摩擦模型，其邊界摩擦的模型示意圖如圖1所示。

2.2 油缸密封表面設計要求

油缸密封表面設計要求圓柱度控制在0.02mm、Ra控制在0.2μm。

2.3 粗糙度以及磨損的原理分析

2.3.1油缸密封表面的粗糙度Ra的影響

張延良[2]通過45#圓環的不同粗糙度與PTFE密封材料在油潤滑環境下進行磨損性能試驗，得出粗糙度最佳值Ra=0.59～0.81μm。代漢達[3]通過45#圓環的不同粗糙度與PTFE密封材料在水潤滑環境下進行磨損性能試驗，得出粗糙度最佳值Ra=0.082～0.142μm。

在實際工作過程中，油缸密封表面粗糙（如：表面粗糙度值大于3.2μm），密封件就易磨損，并造成液壓油的泄漏。然而，非常光滑的密封表面，并不代表其擁有優良的密封性能。當與密封件配合的液壓油缸密封表面的粗糙度較高時，油缸密封表面和密封件兩表面貼合比較緊密，分子作用較明顯。當密封表面的粗糙度過低，密封件會將油缸密封表面的油膜擦去，表面的凸峰會對密封件表面進行切割，微觀波峰與密封件表面相對運動，微觀的犁溝和切削作用比較明顯。此時，密封件的磨損率比較高。

2.3.2 Rmr值的影響

Rmr（c）指輪廓的支承長度率（material ratio of the profile）在給定水平位置c上輪廓的實體材料長度Ml（c）與評定長度的比率。

在國內外，對需零件表面質量要求嚴格的行業，其技術要求的表面粗糙度參數不但有Ra、Rz等參數，而且有形狀位置精度Rmr等參數。圖2為汽車發動機缸孔的表面粗糙度參數要求，類似還有汽車發動機缸的曲軸軸頸表面。

拋光砂帶機通過選用由粗到精的拋光砂帶，能將油缸密封表面拋光到圖紙要求。用拋光布輪+拋光膏的組合和拋光砂帶都能加工出相同的粗糙度，但用放大鏡（180倍、540倍）看油缸密封表面微觀細節，其模型如圖3所示。能看出兩種工藝的效果是不一樣的。圖3（a）為拋光布輪+拋光膏的組合所達到的表面粗糙度，圖3（b）為拋光砂帶加工出來的相同表面粗糙度Ra，但輔助參數輪廓的支承長度率Rmr卻有所不同。圖3（a）的波峰比較平坦，圖3（b）的波峰比較尖銳。

2.3.3形狀位置精度及磨損機制分析

由于PTFE材料和鉻鋼硬度相差較大，故作用的主要方式應為犁溝效應。犁溝切削的主要媒介為金屬表面的波峰或者凸體。即：當r→∞時，相當于理想平面接觸；當r越小時，犁溝作用就會明顯地表現出來。在一定條件下，r越小，粗糙度越高，即金屬的表面質量越差，微凸體具有較小錐角的概率也就越高。因此，當油缸密封表面粗糙度較高時，密封材料表面損傷以犁溝效應為主，導致密封磨損。

2.3.4小結

（1） 密封表面并不是越光滑越好，而是有一個適當的范圍。過低的粗糙度會影響摩擦副的最小油膜厚度；過高的粗糙度凸峰會與密封件表面進行干摩擦，微觀的犁溝和切削作用比較明顯。兩者都會對密封件有一定程度的磨損。即使砂帶能使密封面達到更好的粗糙度Ra，液壓油缸中的表面粗糙度只需要加工到與密封系統相應的要求即可。

（2） 密封表面的粗糙度Ra、形狀位置精度Rmr都應該有一個適當的范圍，只有這樣才能確保液壓密封件的使用壽命。即使在同等粗糙度的情況下，拋光布輪+拋光膏的組合比單純的拋光砂帶加工出來的Rmr值大得多。因此，一般情況下都要安排傳統工藝最后一步使用，拋光布輪+拋光膏的組合減少金屬表面的波峰或者凸體，使得相同Ra狀態下，Rmr增加，減低犁溝效應，從而降低磨損。即砂帶與布輪拋光都能達到要求的密封面粗糙度Ra，但砂帶仍無法取代布輪拋光這項工序。

3 油缸密封表面加工工藝

3.1 砂輪磨削

傳統的砂輪磨削工藝無振蕩砂輪的工作，遵循一定的運動軌跡，只有部分砂粒同工件接觸，從而使這部分的砂粒承受磨削負載， 故磨損速度快。要得到較好的粗糙度，需要不停地修砂輪，最后影響加工時間，影響工件的加工質量。砂輪內圓磨削模擬圖如圖4所示。

3.2 砂帶拋光

讓砂帶穩定高速旋轉的同時， 作有規律的振蕩， 使其磨削負荷盡可能平均分散給絕大多數的磨粒， 以達到磨粒均勻磨損。并可使磨紋網狀化， 提高磨削質量，容易達到一個穩定的粗糙度，提高工作效率。

砂帶的彈性磨削效應能夠大大減輕或吸收磨削時產生的震動和沖擊。磨削速度穩定，砂帶驅動輪不會象砂輪一樣越磨直徑越小速度越慢。砂帶拋光工件表面質量高主要表現在表面粗糙度值小，殘余應力狀態好，以及表面無微觀裂紋或金相組織變化等現象。

3.3 油缸密封表面的加工工藝路線

3.3.1傳統的工藝路線

傳統的工藝路線如圖5所示。

其主要的工序為：

（1） 用60#砂輪對油缸進行粗精磨，其實際工作時間為8～10h。粗精磨主要是保證油缸密封表面的尺寸精度及圓柱度。

（2） 再用拋光布輪+拋光膏的組合對用砂輪加工過的油缸密封表面進行拋光至Ra=0.2μm、Rmr為50%～70%。該工序的實際工作時間為24～32h。

3.3.2目前的工藝路線

目前采用的工藝路線如圖6所示。

其主要的工序為：

（1） 用60#砂輪對油缸進行粗磨，其實際工作時間為3～4h，注意保證油缸密封表面的尺寸精度及圓柱度。

（2） 再用拋光砂帶機以60#的砂帶對用砂輪磨削后的油缸密封表面進行拋光。此時，Ra=0.26～0.35μm、Rmr為15%～25%，微觀圖如圖7所示。該工序實際工作時間為3～4h。

（3） 再用拋光布輪+拋光膏的組合，對砂帶拋光過的油缸密封表面再進行拋光。此時，Ra=0.15～0.2μm、Rmr為50%～70%，微觀圖如圖8所示。該工序實際工作時間為5～6h。

筆者公司實測砂帶拋光過的油缸密封表面再進行拋光結果如表1所示。

4 結論

砂帶機經調試后投入生產線，使用后得出如下結論：

（1） 其質量可靠、效率高。在實際加工過程中，加入使用拋光砂帶后，工作時間減少三分之二。

（2） 砂帶磨削非常安全、噪音和粉塵小，且易于控制，環境效益好。

（3） 拋光后Rmr過低，不能滿足使用要求，因此仍需要布輪拋光做保證。通過對砂帶拋光工藝、布輪拋光工藝深入分析以及優化。通過一年多時間的使用，發現對于油缸內壁的磨損現象大大降低，目前基本沒有發現因表面質量問題而導致油缸磨損的問題。

參考文獻

[1] F. P. Bowden， D. Tabor. The Friction and Lubrication of Solid [M]. Oxford： Clarendon Press， 1954.

[2] 張延良，周軍，鄧建新等.偶件表面粗糙度對PTFE密封材料摩擦磨損性能的影響[J].潤滑與密封，2011，69（6）：4.

[3] 代漢達，曲建俊.水潤滑下偶件表面粗糙度對PTFE復合材料摩擦學性能的影響[J].潤滑與密封，2009，34（2）：8-10.

[4] 汪一麟等譯.摩擦磨損計算原理[M].北京：機械工業出版社，1982.

[5] 蔡光起等譯.磨削技術理論與應用[M].沈陽：東北大學出版社，2002.8.