長行程缸筒加工工藝改進研究

劉美紅 牛高峰 張康熙

摘 要：本文針對長行程缸筒的剛度差、對加工設備的要求高、零件加工精度難以保證等問題進行改進。針對這些問題，本文首先分析缸筒的技術參數要求，然后提出三種缸筒工藝改進方案，最后從制造成本、生產效率、壁厚強度三方面對這三種改進工藝進行對比分析。結果表明，方案3的綜合優勢明顯。

關鍵詞：長行程缸筒;加工工藝;改進

中圖分類號：TD355.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0062-03

Abstract： Aiming at the problems of poor stiffness of long stroke cylinder， high requirement of processing equipment and difficult guarantee of parts processing accuracy， this paper improved the design. In order to solve these problems， this paper first analysed the technical parameters of cylinder， then put forward three kinds of cylinder process improvement schemes， and finally made a comparative analysis of the three improved processes from three aspects： manufacturing cost， production efficiency and wall thickness strength. The results show that the comprehensive advantages of scheme 3 are obvious.

Keywords： long stroke cylinder;processing technology;improvement

缸筒是液壓缸的核心部件，其與缸底、活塞等零件構成一個封閉的容腔，在壓力油的作用下推動活塞沿缸筒內壁運動。設計缸筒時，不僅要保證油缸的壓力、速度、行程和安裝距，還必須保證其具有足夠的強度和剛度，以抵抗液壓力和其他外力作用。

1 缸筒的技術參數要求

臂架伸縮液壓缸缸筒如圖1所示，材料為45號鋼，內徑精度為H9，圓度為0.04，缸筒內表面光潔度[Ra]最大為0.4μm，長度為7 630mm，長度與內徑比[LD]=42.4，要求最大壁厚與最小壁厚差不大于1mm。

2 缸筒的工藝改進方案

長行程液壓缸缸筒的加工難點是缸筒自身的薄壁及超長原因導致其剛度差且原材料質量差異明顯。針對上述問題，綜合考慮市場上幾種常用鋼管的性能及價格，設計時對符合《結構用無縫鋼管》（GB/T 8162—2008）規定的45號熱扎鋼管和45號精密冷拔鋼管進行試驗。初步擬定了3種缸筒加工方法，如圖2所示，方案1為常用加工方法。

2.1 方案1

選用45號熱扎無縫鋼管毛坯料Φ219mm×24mm×7 636mm。由于毛坯在軸向上呈波浪形，在徑向上呈不規則多邊形，以及壁厚不均勻等缺陷，需要在壓力機上進行校直，使其直線度控制在0.5mm/m內。缸筒以內孔找正車基準帶，焊后缸筒以復合推鏜的方式在鏜床上一次走刀完成粗、精鏜工步。推鏜過程中，鏜桿一直受壓，加上毛坯自身缺陷，導致刀具受力不均，切削不平穩，缸筒內徑出現軸向跑偏、壁厚不均等現象[1]。

2.2 方案2

采用國內專業廠家加工的45號精密冷拔鋼管，在直徑方向上，缸筒內孔保留精鏜和滾壓余量0.4～0.5mm，直線度為0.5mm/m[2]。缸底和缸體的連接方式參考方案1，缸底內孔留有少量加工余量。焊后缸筒的內徑采用浮動推鏜加工。為了方便鏜頭的定位支撐，缸底裝夾在床頭箱一側。如調頭裝配時，鏜頭進入缸筒，鏜刀后面的導向部分可能會懸在缸底，不起導向作用。加工過程中，鏜刀靠導向木的導向可糾正冷拔鋼管的形位誤差，操作簡單。精鏜后的滾壓加工可以降低缸筒內的表面粗糙度，提高缸筒強度和表面耐磨性。車削成品參考方案1。

2.3 方案3

筒體采用45號精密冷拔鋼管，在直徑方向上，內徑留珩磨余量0.2～0.3mm，直線度為0.5mm/m。如圖1所示，缸底上有安裝液壓缸時，定位用寬50mm的槽。珩磨工序有以下兩種安排方法。①珩磨在車焊接坡口前進行，可以直接采購珩磨好的鋼管，生產效率高，缺點是缸筒焊接坡口在與缸底焊接后，焊接坡口附近內孔局部會發生收縮變形，車成品時需要以內孔找正進行光車[3]。此時，由于缺少精確的定位基準且缸筒較長，導致采用該方法加工出的產品質量不穩定。②珩磨在缸底與缸筒焊接后進行，加工過程中通過控制珩磨的速度即可排除焊接變形的影響[4]。

3 方案對比

為了確定缸筒的最佳工藝改進方案，綜合考慮產品的制造成本、生產效率、壁厚強度對上述3個工藝方案的影響。

3.1 制造成本分析

工件固定成本是一定的，所以，只需要對單位工件的可變成本（以下稱單件成本）進行比較即可。單件成本指的是單件合格品的成本，廢品損失也要分攤到單件成本里。計入廢品損失的單件成本表達式為[5]：

（1）

式中：[B1]表示單件不計廢品損失成本（元）;[B2]表示單件成本（元）;[C1]表示單件廢品殘值（元）;[f]表示廢品率;[h]表示合格產品件數。

通過計算可知，方案3的經濟效益最好，其次是方案2。

3.2 生產效率分析

方案1中選用的熱軋無縫鋼管加工余量較大，且比方案2增加了粗鏜工序，廢品率高達45.19%。這不僅提高了生產成本，且增加了生產周期，降低了生產效率。而方案3中選用精密冷拔鋼管進行珩磨，與方案2的浮動推鏜、滾壓工序相比，工作量相對較小，且合格品率高，生產效率有保證，方案2和方案3比方案1提高了2～3倍的效率。

3.3 缸筒壁厚計算

當[δ/D≤0.08]時（可用薄壁缸筒的實用表達式[6]）：

（2）

當[δ/D=0.08～0.3]時：

（3）

式中：[D]表示缸筒內徑（m）;[Pmax]表示液壓缸的最高允許壓力（MPa），[Pmax≤1.5Pn];[σ]表示缸筒材料的許用應力（MPa），用公式表示為：

（4）

式中，[σs]表示缸筒材料的屈服強度（MPa）;n表示安全系數。通常情況下，n=1.5～2.5。具體的要依據液壓缸的重要程度和工作壓力大小等因素選取，工作壓力大，n可取的小一些。

缸筒壁厚驗算過程如下[7]。

為了保證液壓缸工作安全，額定壓力[Pn]值應低于某一極限值：

（5）

為了避免缸筒發生塑性變形，液壓缸的額定壓力[Pn]值應與塑性變形壓力[PPL]有一定的比例關系：

（6）

缸筒的徑向變形量應在一定范圍中，且不能超出密封件的允許范圍：

（7）

缸筒的爆破壓力[PE]要大于等于液壓缸耐壓試驗壓力[PT]：

（8）

式中：[D1]表示缸筒外徑（m）;[PPL]表示缸筒發生完全塑性變形的壓力（MPa）;[PT]表示液壓缸耐壓試驗壓力（MPa）;[PE]表示缸筒發生爆裂時壓力（MPa）;E表示缸筒材料的彈性模量（MPa）;v表示缸筒材料的泊桑比系數;[σB]表示缸筒材料的抗拉強度（MPa）。

缸筒條件：[D]=l80mm，[D1]=210mm，[Pn]=30MPa，取[Pmax=1.25Pn]=38MPa。

由于[δ/D=0.83≥0.08]，計算可得方案1、2、3中缸筒的壁厚均滿足條件，驗算結果見表1。

根據表1可以看出，方案1中最小塑性變形力不符合規定的參考值。在瞬間高壓的沖擊下，缸筒內孔很容易發生塑性變形，使油缸發生內泄，供壓不足。方案2、3中，精密冷拔鋼管材料的屈服強度較高，滿足設計要求。

4 結論

綜上所述，在上述3種缸筒的工藝實施方案中，方案3的綜合優勢明顯。缸筒選用高強度的精密冷拔鋼管珩磨加工而成;同時，缸底采用螺紋定位，在滿足油缸性能的前提下，也控制了產品成本，提高了生產效率。

參考文獻：

[1]關強，劉殿通，劉金華，等.薄壁長筒件加工新工藝[J].現代制造工程，2000（1）：12-13.

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[4]中國標準出版社，全國液壓氣動標準化技術委員會編.中國機械工業標準匯編（液壓與氣動卷）[M].北京：中國標準出版社，1999.

[5]肖子淵.液壓起重機液壓缸設計[J].液壓氣動與密封，1995（2）：52-60.

[6]周昭偉.焊工手冊[M].北京：機械工業出版社，1998.

[7]劉吉民.關于細長液壓缸穩定性的近似計算公式[J].工程機械，2003（12）：35-38.