王純賢，朱威風(fēng)，尹建賀，胡勝來(lái)，鄭勝華

(1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城工程技術(shù)研究院，安徽宣城 242000;2.宣城市建林機(jī)械有限公司，安徽宣城 242057)

0 引言

汽車液壓制動(dòng)泵主缸是車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在車輛制動(dòng)安全性方面具有非常重要的作用。由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，每次制動(dòng)過(guò)程中密封皮碗都要經(jīng)過(guò)主缸上的補(bǔ)償孔往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此補(bǔ)償孔口處的銳邊和加工中存在的毛刺就會(huì)損傷該皮碗，造成制動(dòng)液壓系統(tǒng)液壓油內(nèi)泄和生成物污染，直接影響到車輛制動(dòng)的工作性能、穩(wěn)定性、平順性和使用壽命，降低了車輛行駛的安全性。國(guó)內(nèi)制動(dòng)主缸大部分使用壽命達(dá)不到要求，主要原因之一就是補(bǔ)償孔的加工工藝無(wú)法消除補(bǔ)償孔口處的銳邊和加工中存在的毛刺。為解決這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)人員采用了很多方法和手段，但或者效率不高，或者精度不夠，或者成本過(guò)高，都難以獲得理想的效果［1］。雖然國(guó)外已經(jīng)開發(fā)了一些先進(jìn)的補(bǔ)償孔去毛刺設(shè)備，如德國(guó)的熱能去毛刺設(shè)備和美國(guó)的磨粒流、電解去毛刺設(shè)備等，但這些設(shè)備不但價(jià)格昂貴，而且實(shí)際效果不夠理想。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種制動(dòng)泵主缸補(bǔ)償孔反沖法加工工藝，開發(fā)了相應(yīng)的專用數(shù)控設(shè)備和刀具，實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能夠有效解決傳統(tǒng)加工工藝所存在的問(wèn)題，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率和制動(dòng)泵的工作性能與使用壽命，降低了汽車使用和維護(hù)成本。

1 制動(dòng)泵主缸補(bǔ)償孔加工方法分析

1.1 問(wèn)題分析

汽車制動(dòng)泵主缸分為單腔式和雙腔式兩種，分別用于單回路和雙回路系統(tǒng)，由于安全原因，目前廣泛使用雙腔式制動(dòng)主缸［2］。為了調(diào)節(jié)和補(bǔ)償制動(dòng)腔的制動(dòng)液，保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地工作，在制動(dòng)泵主缸的每個(gè)主皮碗的前端處通常需要加工一個(gè)補(bǔ)償孔，其直徑一般為0.5～0.8mm。補(bǔ)償孔在汽車液壓制動(dòng)主缸中的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是起卸荷作用，可稱回流孔，二是起補(bǔ)償作用，可稱進(jìn)油孔［3］。雙腔式制動(dòng)泵主缸有兩個(gè)制動(dòng)腔，因此需要加工出兩個(gè)補(bǔ)償孔，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動(dòng)泵主缸剖面圖

制動(dòng)時(shí)，活塞在制動(dòng)泵主缸內(nèi)反復(fù)往返運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)主密封皮碗在補(bǔ)償孔區(qū)域往返運(yùn)動(dòng)。皮碗與制動(dòng)主缸內(nèi)孔之間有一定的過(guò)盈量，在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償孔時(shí)唇邊會(huì)在液壓壓力作用下被擠入補(bǔ)償孔內(nèi)。如果補(bǔ)償孔缸內(nèi)孔口處銳邊較鋒利或有毛刺，就會(huì)對(duì)皮碗產(chǎn)生切割作用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的工作循環(huán)，使皮碗破損失效，主要表現(xiàn)在補(bǔ)償孔一側(cè)的唇口刮破，唇邊有被補(bǔ)償孔銳邊和毛刺刮出的溝槽［4］。皮碗失效會(huì)造成制動(dòng)泵工作性能降低，嚴(yán)重影響到汽車行駛的安全性，因此，在制動(dòng)泵主缸加工過(guò)程中，避免缸內(nèi)補(bǔ)償孔孔口產(chǎn)生銳邊和毛刺是極為重要的。

1.2 傳統(tǒng)加工工藝

圖2為傳統(tǒng)的制動(dòng)泵主缸補(bǔ)償孔結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)加工工藝通常有兩種方法，一是先高速鉆削好補(bǔ)償孔，再加工出缸體孔，這樣雖然可以基本避免補(bǔ)償孔口內(nèi)翻的毛刺，但補(bǔ)償孔會(huì)在缸體孔加工過(guò)程中尺寸變小或被切屑堵塞，需要進(jìn)行后續(xù)處理;另外一種方法是在缸體孔加工后，用小臺(tái)鉆鉆出補(bǔ)償孔，然后使用硬度適當(dāng)?shù)拿?nèi)翻的毛刺刷鈍，最后用金剛砂紙拋光。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，這兩種工藝都不理想，難以從根本上消除補(bǔ)償孔孔口毛刺，同時(shí)，這兩種加工工藝都無(wú)法改變補(bǔ)償孔與缸體主孔貫穿處的直角結(jié)構(gòu)，并且存在著加工效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題［5］。

1.3 反沖法加工工藝

針對(duì)傳統(tǒng)工藝存在的問(wèn)題，本文提出一種主缸補(bǔ)償孔反沖法加工工藝，通過(guò)帶有圓弧角的沖頭由缸體內(nèi)向外頂壓出補(bǔ)償孔，從而避免了孔口銳邊和毛刺。圖3為利用反沖法工藝加工的補(bǔ)償孔，具體方法是，利用制動(dòng)泵缸體孔加工好后的缸體頭部外圓進(jìn)行主定位，再利用缸體尾部中心孔輔助定位及夾緊，然后從所要加工補(bǔ)償孔位置上方進(jìn)油凸臺(tái)孔中鉆出一個(gè)工藝孔，工藝孔的鉆孔深度決定了沖頭的沖穿厚度，沖頭裝夾在沖桿上，再在缸體孔中借助沖桿向前快速移動(dòng)產(chǎn)生的推力使沖頭升高，由內(nèi)向外沖穿缸體預(yù)留的壁厚，形成補(bǔ)償孔，并在補(bǔ)償孔孔口形成一個(gè)圓角，從而達(dá)到去除孔口銳邊和毛刺的目的，徹底消除了傳統(tǒng)方法使密封皮碗往復(fù)工作時(shí)與補(bǔ)償孔孔口銳邊的摩擦，從而大大減小了皮碗的磨損，有效地提高了制動(dòng)泵的使用壽命和安全性［6］。

圖2 傳統(tǒng)工藝加工補(bǔ)償孔

圖3 反沖工藝成型的補(bǔ)償孔

2 反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備和刀具

2.1 反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備

根據(jù)制動(dòng)泵主缸補(bǔ)償孔反沖法工藝要求，所設(shè)計(jì)的專用數(shù)控設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由鉆孔動(dòng)力頭、沖桿外套及沖桿、夾具體、導(dǎo)軌和滑板組成。各部分主要功能為：

(1)鉆孔動(dòng)力頭：鉆削加工補(bǔ)償孔位置正上方的工藝孔;

(2)沖桿外套及沖桿：沖桿外套用于安裝沖頭，并對(duì)沖桿起導(dǎo)向作用。沖桿在沖桿外套內(nèi)滑動(dòng)，推動(dòng)沖頭上下運(yùn)動(dòng)，完成反沖孔動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償孔的反沖法沖壓加工;

(3)夾具體：固定于滑板上，實(shí)現(xiàn)待加工主缸工件的定位和夾緊;

(4)導(dǎo)軌和滑板：導(dǎo)軌固定于左、右支撐板中，滑板在導(dǎo)軌上帶動(dòng)夾具體左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)加工工藝實(shí)現(xiàn)依賴于各氣缸和電機(jī)的動(dòng)作。將各氣缸閥門和電機(jī)的狀態(tài)視為被控變量，利用程序通過(guò)中間繼電器與交流接觸器進(jìn)行變量控制。通過(guò)對(duì)變量進(jìn)行分類，確定輸入點(diǎn)數(shù)16，輸出點(diǎn)數(shù)10，選擇了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、兼容性好、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的某小型PLC，其輸入點(diǎn)數(shù)18，輸出點(diǎn)數(shù)12，多出的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)提供了系統(tǒng)今后功能擴(kuò)展的空間。利用該P(yáng)LC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種功能，其中手動(dòng)控制用于設(shè)備的檢修和調(diào)試，正常工作時(shí)采用自動(dòng)控制功能。圖5是自動(dòng)控制流程圖，其中動(dòng)力頭運(yùn)動(dòng)位置采用限位開關(guān)檢測(cè)控制，氣缸行程位置采用電磁感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)控制。

2.2 反沖法專用頂?shù)?/h3>

反沖法加工中，為實(shí)現(xiàn)缸體內(nèi)補(bǔ)償孔孔口處能被專用頂?shù)俄攭撼龉饣瑘A弧角和無(wú)毛刺的目的，需要解決缸體定位、頂?shù)督Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂?shù)对谘a(bǔ)償孔加工位置處向上頂壓后沖頭下降的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，因此所設(shè)計(jì)的專用頂?shù)督Y(jié)構(gòu)如圖6所示［7］。它主要有沖頭、沖頭座、沖桿和沖桿外套組成，沖頭嵌在沖桿端頭的斜面滑槽上，其根部為圓角。該結(jié)構(gòu)使制動(dòng)泵主缸實(shí)現(xiàn)一次裝夾同時(shí)完成補(bǔ)償孔加工和倒圓角兩道工序，而且避免了由于切削加工而產(chǎn)生的毛刺，有效地提高了加工效率和質(zhì)量。

圖5 設(shè)備自動(dòng)控制流程圖

圖6 反沖法專用頂?shù)?/p>

采用該專用刀具在設(shè)備上加工補(bǔ)償孔時(shí)，如果制動(dòng)主缸有兩個(gè)補(bǔ)償孔，只需通過(guò)對(duì)專用設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)工位的調(diào)整，利用自動(dòng)控制，就可以實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾，加工出兩個(gè)補(bǔ)償孔。在設(shè)計(jì)和制造中，沖桿外套直徑與缸體孔直徑基本尺寸一致，通過(guò)控制兩者的裝配間隙，保證裝卸工件時(shí)主缸孔內(nèi)表面不會(huì)受到損壞。另外，需要改變補(bǔ)償孔的加工直徑時(shí)，只需更換相應(yīng)尺寸的沖頭就能滿足加工要求。

3 實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用對(duì)比分析

把用傳統(tǒng)和反沖法兩種工藝加工出的制動(dòng)泵主缸分成兩組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。利用制動(dòng)泵主缸補(bǔ)償孔檢測(cè)儀分別進(jìn)行檢測(cè)，觀察到反沖工藝成型的制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔處無(wú)銳邊和毛刺［8］。常溫下耐久性試驗(yàn)中，傳統(tǒng)工藝加工的制動(dòng)泵工作次數(shù)平均在25.2萬(wàn)次就失效了，而反沖工藝成型的制動(dòng)泵工作次數(shù)經(jīng)過(guò)25萬(wàn)次時(shí)，仍能正常工作，無(wú)泄漏、損壞等異常現(xiàn)象發(fā)生，工作次數(shù)平均在78.6萬(wàn)次才失效，壽命比傳統(tǒng)工藝提高了三倍多。

表1 新老工藝加工出的制動(dòng)泵主缸實(shí)驗(yàn)比較

常溫實(shí)驗(yàn)下經(jīng)過(guò)25萬(wàn)次運(yùn)轉(zhuǎn)后對(duì)制動(dòng)泵進(jìn)行拆檢，對(duì)比皮碗磨損情況，可以肉眼觀察到傳統(tǒng)工藝加工出主缸中的皮碗出現(xiàn)明顯裂口，唇口磨損嚴(yán)重，而使用反沖工藝成型主缸中的皮碗則無(wú)裂口，唇口也無(wú)明顯磨損。肉眼觀察制動(dòng)液發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝加工出主缸中的制動(dòng)液顏色發(fā)黑，表明已經(jīng)發(fā)生液壓油生成物污染，而反沖工藝成型主缸中的制動(dòng)液顏色正常，未發(fā)生液壓油生成物污染?？梢?，采用缸孔由內(nèi)向外反沖工藝成型后補(bǔ)償孔處不會(huì)產(chǎn)生毛刺，圓角結(jié)構(gòu)保證了皮碗和補(bǔ)償孔處的摩擦光滑性，大大提高了密封皮碗的工作壽命，從而提高了制動(dòng)泵的工作壽命和車輛的整車性能，有效地降低了汽車維護(hù)成本。

在實(shí)際生產(chǎn)中，反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備采用高速鉆孔和利用PLC控制氣缸實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)快進(jìn)、快退，加工一件單腔主缸的引孔和補(bǔ)償孔只需8秒，加工一件雙腔主缸引孔和補(bǔ)償孔只需15秒。從表2對(duì)比可以看出，在同一班產(chǎn)2100件的情況下，傳統(tǒng)工藝需要31臺(tái)設(shè)備，31個(gè)操作人員，而新工藝只需8臺(tái)設(shè)備，8個(gè)操作人員。顯然，新工藝大大減少了設(shè)備和操作人員數(shù)量，提高了工作效率，這在當(dāng)今勞動(dòng)力成本越來(lái)越高的情況下，具有重要的意義。

表2 新老加工工藝生產(chǎn)效率比較

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車液壓制動(dòng)泵主缸補(bǔ)償孔的加工質(zhì)量直接影響到車輛制動(dòng)的效能、穩(wěn)定性、平順性、使用壽命和維護(hù)成本，在國(guó)內(nèi)外都是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的新型反沖法加工工藝，開發(fā)出補(bǔ)償孔反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備和刀具，有效地解決了傳統(tǒng)加工方法存在補(bǔ)償孔孔口銳邊和毛刺的問(wèn)題。該方法及設(shè)備已獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)際應(yīng)用效果顯著，具有良好的推廣價(jià)值，對(duì)提高我國(guó)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的性能和使用壽命具有重要的意義，對(duì)類似小孔加工問(wèn)題也具有良好的借鑒意義。

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