液壓缸內嵌式薄壁導向套應力變形問題分析及工藝優化

隗春月

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

0 引言

在國家質量強國戰略發展理念的大環境下，將高質量發展理念融入日常工作中是必然的，同時為積極響應國家企業轉型目標，將質量創新創效、降本提效、修舊利廢等工作，也必然會成為一個長期并有效幫助企業增加質量效益的重要手段，長期以來導向套的加工一直受各種因素（包括主觀和客觀）的影響，導向套的加工精度一直無法得到提高，頻頻出現同軸度無法達到圖紙要求、同軸度合格但圓度卻超差等各種問題。

在液壓缸眾多薄壁導向套中，內嵌式薄壁導向套的加工精度最難以保證，由于其精度要求高，需要多工序換位裝夾找正，在加工過程中，很容易由于切削、振動等產生變形，從而影響零件的尺寸公差及各種精度要求。同時由于產品厚度與它的徑向、軸向尺寸相比，比重相差太大，會導致其剛性較差，易變形。所以內嵌式薄壁導向套的工藝、裝夾工裝及車削裝夾力、熱處理等，就成了加工質量和提高效率的關鍵，通過調整工藝加工程序、加工順序、裝夾工裝，并配合有效及必要的熱處理手段，是提高薄壁導向套加工水平的整體思路。

1 導向套加工問題的分析

1.1 導向套的作用

液壓缸的導向套起支撐作用，其主要目的是確保加工工件的位置度。在液壓缸活塞桿伸出過程中，使液壓缸的活塞桿保持直線運動，確保活塞與缸管內孔持續進行面接觸運動， 所以導向套是在活塞桿往復運動時的導向，即保證活塞桿與缸筒的同軸度的作用，液壓缸行程越長，導向套越長，同時也為油缸口提供一個支座[1]。因此，要求導向套需要有很好的滑動能力，能夠承受由于活塞桿在液壓缸工作受力時產生的桿鍍鉻區外圓彎曲、振動等。防止灰塵、油水等雜物進入活塞桿和導向套之間的間隙后破壞活塞桿的使用性能，導致工作面產生腐蝕等危害。如圖1所示，為導向套在液壓缸中組裝后的位置圖，所以導向套的加工精度，在立柱及千斤頂的工作過程中起至關重要的作用，如果其加工精度不夠，嚴重的會導致密封不嚴，極容易產生立柱及千斤頂帶液漏液的現象。

圖1 導向套位置圖

1.2 影響薄壁導向套加工精度的因素

薄壁零件已經廣泛應用于各工業、煤炭、石油、汽車等產業，其具有質量輕、節約采購成本、設計結構緊湊等很多優點。但薄壁零件的加工一直是加工中比較難的問題，由于薄壁零件的剛性較差，同時其強度也相應減弱，在實際生產過程中，很容易由于應力釋放、裝夾力不合適等因素，產生嚴重變形，不易保證企業產品的加工質量。同時由于報廢率很高，在影響質量的前提下，阻礙了產能的提高，無法按期交貨的情況也時常出現，“工欲善其事，必先利其器”，所以分析影響薄壁導向套的加工精度因素，就很有必要，經過對生產的批量產品進行大量跟蹤、記錄，主要總結有以下幾個方面對薄壁導向套的加工精度產生了很大影響。

卡緊變形：因工件較薄，在不適當的夾緊力作用下，很容易產生卡緊變形，從而影響產品的尺寸公差和形位公差。

切削變形：因工件在切削力的作用下，很容易由于受熱變形，使尺寸難以控制，同時由于產生切削振動，還會影響產品表面的粗糙度。

應力釋放變形：由于導向套需要具有密封性能的作用，所以其材料也需要具有很好的機械性能，這必然需要熱處理工序，但調質后的高溫回火并沒有充分時效，就會導致材料內部應力分布不均，切削過程中，會釋放部分應力，導致導向套應力變形。

1.3 零件的加工工藝分析

內嵌式薄壁導向套在加工精度方面要求很高，即圓度、同軸度、位置度等各方面的綜合要求。其中密封槽、導向槽及硬接觸配合面均要實現高精度，才能保證液壓缸在使用過程中盡量減少漏液帶液等現象的發生。為了增加導向套的使用壽命，考慮到其在使用過程中硬度問題，要對其進行熱處理調質處理，除此之外，還要考慮到液壓缸內部件的耐腐蝕性問題，要對導向套進行鍍鋅，鈍化處理。

導向套有兩組加工面， 如圖2所示，導向套的兩組加工面分別為以外圓為基準的加工面，這組加工面包括端面、外圓自身、外圓槽及內圓；以另一端外圓為基準的加工面。這個主要是剩余外圓的加工和各個槽的車削。

圖2 內嵌式薄壁導向套

2 針對導向套加工問題的改進措施

在導向套加工過程中，影響導向套尺寸精度、同軸度、垂直度的因素很多，如卡盤的裝夾精度和機床主軸的精度誤差、工件組織軟硬不均、加工應力釋不均勻的影響、加工基準的確定等。由于內嵌式薄壁導向套不具有法蘭結構，這就導致其剛度較低、強度也很低，在裝夾力、切削力的共同作用下就很容易發生同軸度超差，同時還很容易產生切削刀具吃刀深度不均和讓刀的問題。另外為了節省材料費用，最大程度地節能增效，一般導向套毛料會采用鍛造毛料，再加上材料在軋制過程中，自身內部就會有不均勻的應力存在，所以一旦在熱處理后的時間不夠長，就不能保證內部殘余應力得到充分釋放，尤其是薄壁類導向套，很容易產生應力變形，同時受工人能力影響，程序設置時切削量、進給量及線速度等控制不好，因此造成了工件加工完成后尺寸不合格的情況，以下是通過不斷地推算、實踐得出提高薄壁導向套加工精度的幾方面工藝改進措施。

2.1 調整工藝路線

原路線為下料-鍛-粗加-調質-精車-鍍，調整措施：在調質后、精車前增加半精車+消應力回火工序。主要考慮兩方面：①半精車時在保證精車質量的前提下，根據加工基準以及機床加工能力，直徑尺寸盡量較小留量，尤其是外圓導向環槽及內孔的靜密封槽交界處，受零件設計結構限制，由于兩者軸向距離很小，在調整后效果會更明顯；②由于零件在加工前，毛料為鍛造成形，所以在半精車工序，一旦將鍛造拉長的材料纖維切斷，再增加消應力回火工序，可有效減少由于局部內應力過于集中、加工過程中內部殘存應力釋放所引起的變形。導向套調質后的低溫回火又稱“消除應力回火”，一般回火范圍為150 ℃～250℃，回火后的組織稱為回火馬氏體[2],通過這樣處理后的導向套，不但具有高硬度和高耐磨性，而且內應力集中的情況和材料脆性會得到很大程度地改善，減少了由于局部內應力過于集中和脆性大，導致零件出現裂紋的概率。

以正在批量生產的導向套進行試驗及記錄，挑選出8組改進前后變形情況最嚴重的零件進行跟蹤，對變形最嚴重的φ485（+0.154，+0.024）mm導向環槽進行測量對比，如表1所示零件工藝改進前和改進后，零件的加工尺寸對比如下，將變形量控制在0.2mm左右，變形情況得到很大改善。

表1 數據對比

將數據整理成圖形，可直觀對照改進前后的數據具體變化，圖3所示，通過對比，調整工藝路線，在半精車后增加去應力回火，有效減少了變形情況。

圖3 內嵌式薄壁導向套

2.2 改進裝夾卡盤

普通三爪卡盤卡緊過程中，徑向夾緊接觸為線接觸，薄壁導向套在裝夾零件的過程中，容易產生直徑方向的彈性變形，在加工完成放松卡盤裝夾壓力后，工件的里孔將會出現回彈波動，從而影響零件的尺寸公差，超差變形嚴重的，勢必會導致零件報廢，無形中增加了采購成本、加工成本，企業批量生產時，其浪費的資源及資金占了企業成本計算的很大一部分。為了防止內嵌式薄壁導向套由于裝夾出現的變形問題，一般會要求必須保證內孔各重要導向、密封溝槽與外圓溝槽和硬接觸面的同軸度、端面的垂直度。所以必須將卡爪裝夾方式由線接觸改為面接觸，通時增加卡盤與圓柱面的接觸面積，可將裝夾壓力均勻分布于零件外形的各個部位，從而減少由裝夾引起的卡緊變形[3]。

采用六爪裝夾方法：數控機床六爪精加工裝夾方式，由于裝夾力分散成六處，卡爪與零件基本呈現線性圓弧接觸，裝卸方便，可以達到大弧形軟爪裝夾效果，通用性強，省時省力，較其余幾種裝夾方式，更加方便。如圖4所示，在原數控車床六爪卡盤上，增加大弧形軟爪，增大卡爪與零件的接觸面積，同時在安全范圍內將卡盤卡緊壓力降低，可以大大改善卡緊變形的情況，將卡盤對零件的變形影響降到最低。

2.3 半精車時，調整數控車床半精車編程程序

對零件的工藝工序、卡盤調整后，雖然零件的變形情況得到了很大程度地改善，但仍有部分零件超過圖紙同軸度0.15mm的要求，仍然有部分產品不符合公司的高質量要求，即使回用，其產品質量大打折扣，將來也有可能作為三包件返回廠內，經過對零件的反復追蹤、分析及調試，最終懷疑是由于材料內部不均勻、不穩定的內應力，經過車削，得到不均勻釋放，導致零件仍有部分變形。

基于以上分析，在現場對加工機床的程序進行調整，將“先加工反面用的卡口、再加工其余部位”的程序，更改為先半精車其余部位，使內部殘余應力達到部分釋放，在半精車反面工序所用的卡口，盡量減少由于應力釋放對下道工序所用卡口的影響，從而改善反面各尺寸的加工精度，通過調整，各方面尺寸的變形情況得到改善，效果非常明顯。

2.4 具體數據測量對比

在對各方面進行調整后，零件的變形情況得到改善，以下為改進后的零件在半精車工序車削加工前后，對數據的追蹤記錄情況，如圖5所示，對6個卡爪分別編號1#～6#，分別在各卡盤相同位置，在卡盤夾緊和松開兩種狀態下，對零件被夾緊處及卡爪之間的位置進行測量。

圖5 六爪卡盤編號

具體數據見表2：無論在加工前，或是加工后，卡盤夾緊及松開后，同一位置，零件變形量高達0.2mm左右，相當于零件還未加工，零件已經變形，所以調整了卡盤夾緊壓力，改變卡盤與零件的接觸面積，以減少變形量。

表2 卡盤改進數據對比

3 改進效果

對采用上述改進工藝的零件進行對比，精車后測量結果顯示，未進行工藝改進的零件圓度超差0.3mm～0.5mm，嚴重的甚至扁變形0.7mm，變形情況很嚴重。做了上述改進后，能夠將變形量控制在0.2mm左右，變形情況得到很大改善。

4 結語

導向套在整個液壓缸結構中有不可或缺的作用，解決導向套加工精度的問題極為迫切。而導向套在加工精度方面要求很高，即圓度、同軸度、位置度等各方面的綜合要求。其中密封槽、導向槽及硬接觸配合面均要實現高精度，才能保證液壓缸在使用過程中盡量減少漏液帶液等現象的發生。

該文從工藝技巧、裝夾方式、加工技巧等各方面入手，對其相應進行改進，不僅能解決薄壁導向套同軸度不高、圓度不夠等現象，同時也減少了調試程序時間、報廢率及采購成本，保證了交貨期，為企業高質量發展提供了更多的可能，具有良好的經濟效益。