孟繁明

（阜礦集團(tuán)機(jī)械制造公司， 遼寧 阜新 123000）

引言

ZY15000/26/52 液壓支架立柱伸縮缸筒缸徑為Φ400 mm、長(zhǎng)2 200 mm，是國內(nèi)外液壓支架中缸徑較大的立柱。其制造難點(diǎn)是缸體Φ400 mmH9 內(nèi)孔的加工，不僅要求尺寸公差小、粗糙度低，而且圓柱度、直線度也很高。為了生產(chǎn)出滿足設(shè)計(jì)要求的零件，首先要制定合理的加工工藝并研制相應(yīng)的工藝裝備?，F(xiàn)在國內(nèi)外大缸徑油缸內(nèi)孔的加工方法主要有兩種：鏜削-珩磨和推鏜-滾壓[1]。在確定工藝方案時(shí)綜合分析了兩種加工方法的加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率等因素最終選用推鏜-滾壓工藝，由于Φ400 mm 立柱外缸筒缸徑大、壁厚小，其內(nèi)孔加工技術(shù)的關(guān)鍵就是研制先進(jìn)合理的滾壓工藝裝備。

1 大缸徑油缸內(nèi)孔滾壓工藝裝備的結(jié)構(gòu)

1.1 大缸徑油缸內(nèi)孔滾壓加工思路分析

由于大缸徑油缸的缸徑與壁厚的比值都比較大，接近薄壁管類，其內(nèi)孔滾壓加工時(shí)有以下特點(diǎn)：

1）產(chǎn)生的彈性變形較大，為獲得理想的加工尺寸和圓度，應(yīng)盡量減小滾壓量，各種加工參數(shù)需要多次試驗(yàn)才能確定[2-3]。

2）為了提高高端支架立柱的可靠性，大缸徑油缸所設(shè)計(jì)的表面硬度都比較高，滾壓加工時(shí)工件表面承受壓力大，使?jié)L壓裝備的壽命縮短，增加了滾壓難度。

3）在設(shè)計(jì)大缸徑內(nèi)孔滾壓裝備時(shí)除了要保證其本身結(jié)構(gòu)能滿足使用性能外，還要盡量減小工藝裝備在加工過程中的切削阻力減少其自重對(duì)滾壓質(zhì)量的影響：改善加工過程中的冷卻條件，解決發(fā)熱變形等問題。

4）需要解決大缸徑、大長(zhǎng)度缸筒滾壓中常見的圓度、直線度偏差較大問題。

1.2 大缸徑油缸內(nèi)孔滾壓工藝裝備結(jié)構(gòu)

Φ400 mm缸徑內(nèi)孔滾壓裝備由鏜削部分、滾壓部分和支撐部分三大部分所組成。

1）鏜削部分含鏜刀塊和鏜刀，鏜刀選用機(jī)夾涂層刀片，鏜刀塊起固定鏜刀作用。

2）滾壓部分主要由芯軸、前、后滾道、滾柱、滾柱保持器、推力軸承等件組成，保持器將多個(gè)滾柱支承在滾道上，滾道承受徑向滾壓力；單向推力球軸承承受滾壓時(shí)的軸向力，使保持器能繞芯軸體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。滾壓頭與深孔鉆鏜床鏜軸靠矩形螺紋聯(lián)接：加工時(shí)，工件以外倒角為定位基準(zhǔn)安裝在機(jī)床主軸和輸油器之間，分別以接盤和導(dǎo)向套相聯(lián)接，滾壓工藝裝備從輸油器內(nèi)的導(dǎo)向套中進(jìn)入工件，加工時(shí)作旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。加工完后，使?jié)L柱從滾道上退下，滾壓裝備退回。

3）支撐部分的作用是保證加工完成退刀時(shí)工藝裝備不下垂，避免滾柱劃傷工件。利用滾柱對(duì)油缸內(nèi)孔表面施加一定壓力使金屬產(chǎn)生塑性變形從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的尺寸精度、粗糙度和形狀公差，滾壓加工可提高零件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

Φ400 mm缸徑內(nèi)孔滾壓工藝裝備采用推鏜-滾壓復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一次走刀完成精鏜和滾壓兩個(gè)工序，加工效率大大提高。

2 大缸徑油缸內(nèi)孔滾壓工藝裝備的設(shè)計(jì)原理

對(duì)于滾壓加工內(nèi)孔的質(zhì)量要求，除了要求工件有合適的熱處理硬度、合適的加工余量外，滾柱對(duì)內(nèi)孔表面施加的滾壓力決定著滾壓后內(nèi)孔尺寸和表面粗糙度。而滾壓力主要是由滾道外圓尺寸、鏜刀對(duì)刀直徑、滾柱個(gè)數(shù)、滾柱直徑、滾柱表面硬度等因素決定的。

2.1 滾壓加工原理

滾壓加工原理如下頁圖1 所示，在碾入?yún)^(qū)域（A）滾柱將與切削加工面接觸并漸漸加壓，在塑性變形區(qū)域（B）接觸壓力超過材料的屈服點(diǎn)，產(chǎn)生局部塑性變形。在平滑區(qū)域（C）開始彈性復(fù)原，滾柱漸漸與加工表面分離。通常在滾壓加工的實(shí)踐作業(yè)時(shí)，要經(jīng)過多次滾壓才能使被加工面滾壓成尺寸穩(wěn)定的光滑表面。

圖1 滾壓加工原理示意圖

Φ400 mm缸徑內(nèi)孔滾壓就是利用這個(gè)原理，通過圓柱形的滾柱在內(nèi)孔表面滾壓達(dá)到了理想的加工效果。在滾壓工藝裝備的設(shè)計(jì)中必須控制好施加給工件的滾壓力，因?yàn)闈L壓力太小鏜刀紋壓不下去得不到理想的粗糙度，滾壓力太大又可能造成內(nèi)孔表面疲勞點(diǎn)蝕，比如滾柱直徑太小會(huì)使接觸表面應(yīng)力過大、或者滾柱數(shù)量過多在交變接觸應(yīng)力的作用下，工件內(nèi)表面材料接觸疲勞造成起皺或起皮；滾柱數(shù)量多少還與加工效率有關(guān)[4-5]。

2.2 軸線平行的兩圓柱體相接觸時(shí)的接觸應(yīng)力計(jì)算

滾壓時(shí)，滾柱與缸筒是內(nèi)切的兩個(gè)圓柱體，可按軸線平行的兩個(gè)圓柱體接觸強(qiáng)度公式計(jì)算接觸應(yīng)力。兩圓柱體接觸時(shí)的示意圖如圖2 所示，軸線平行的兩圓柱體接觸時(shí)應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖2 兩圓柱體接觸時(shí)示意圖

圖3 軸線平行的兩圓柱體接觸時(shí)的應(yīng)力分布圖

從圖中可知，兩圓柱體接觸時(shí)，受壓力P 后，接觸處接觸線變成寬度為2b 的矩形面，單位壓力按橢圓柱規(guī)律分布。變形最大的x 軸上壓力最大，以P0表示，接觸面上其余各點(diǎn)的壓力按半橢圓規(guī)律分布，如圖3。由公式（1）（2）（3）計(jì)算單個(gè)滾柱接觸的應(yīng)力。因滾柱和缸筒材料同是鋼，式中彈性模量E1=E2=E，泊 松 比 μ1=μ2=0.3；兩 圓 柱 體 內(nèi) 內(nèi) 接 觸 取

式中：P 為接觸壓力；P0為變形最大的x 軸上壓力；R1為圓柱體 1 的半徑；R2為圓柱體 2 的半徑；E1為圓柱體 1 彈性模量；E2為圓柱體 2 彈性模量；μ1為圓柱體1 泊松比；μ2為圓柱體2 泊松比；b 為接觸線寬度；y 為y 軸上寬度；L 為圓柱體長(zhǎng)度。

3 大缸徑內(nèi)孔滾壓工藝裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 Φ400 mm 缸徑內(nèi)孔滾壓裝備的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)過程中特別注重了提高加工質(zhì)量、提高加工效率和提高操作方便性的理念，并著重解決了如下三方面的技術(shù)難題：

1）為解決大缸徑鋼管毛坯偏差大，容易出現(xiàn)缸筒內(nèi)壁局部加工不圓的情況，特別設(shè)計(jì)了兩個(gè)相獨(dú)立的鏜刀塊，改常用的單刀精鏜為雙刀精鏜，可以提高精鏜加工的圓度、直線度，同時(shí)降低粗糙度。

2）大缸徑滾壓裝備因質(zhì)量過大加工中存在下垂問題，進(jìn)刀時(shí)下垂，影響工件內(nèi)孔與外圓的同軸。和內(nèi)孔表面質(zhì)量，退刀時(shí)下垂?jié)L柱會(huì)劃傷工件。通過精確計(jì)算，大幅減少其自重，最終使該滾壓裝備比公司原有的Φ360 mm 滾壓裝置減少80 kg；并對(duì)前、后端支承部分在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)增加了有效支撐面積，起到了良好的效果。同時(shí)為避免滾壓裝備退出時(shí)下方滾柱下落擠傷工件，采用了彈性更好且不會(huì)損傷加工面的滾柱擋板材料。

3）為有效降低運(yùn)行成本，對(duì)易損件—滾道結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析，去除不影響該裝備性能的部分，使其有效長(zhǎng)度縮短為常規(guī)滾道40%，大大降低了滾道的成本。

3.2 大缸徑油缸內(nèi)孔加工中需考慮的影響因素

由于影響油缸內(nèi)孔滾壓質(zhì)量的因素很多，所以除了研制先進(jìn)合理的工藝裝備外在大缸徑油缸內(nèi)孔加工中必須充分考慮了以下幾方面的影響因素：

1）設(shè)計(jì)合理的缸體加工工藝和熱處理工藝，使?jié)L壓面硬度（HB）小于290；

2）確定滾壓量：即根據(jù)設(shè)計(jì)的滾道尺寸、材料硬度、缸徑與壁厚比值確定合適的鏜刀對(duì)刀尺寸；

3）滾壓參數(shù)參考：進(jìn)給量（0.4 mm/r 左右）、滾壓速度（主軸轉(zhuǎn)速 63～100 r/min）；

4）推鏜內(nèi)孔工序?yàn)殓M滾工序留合適的工序余量和表面質(zhì)量；

5）零件兩端有較準(zhǔn)確的定位基準(zhǔn)面。

4 大缸徑缸筒推鏜、滾壓工藝裝備的使用效果

Φ400 mm 缸徑內(nèi)孔滾壓工藝裝備制造完成，開始進(jìn)行調(diào)試，通過試驗(yàn)確定了加工精度、加工效率具佳的加工參數(shù)，現(xiàn)已成功完成白音華礦5.2 m 支架Φ400 mm 立柱的缸筒加工。滾壓后的缸筒完全滿足設(shè)計(jì)要求，加工效率高滿足了生產(chǎn)進(jìn)度要求。實(shí)踐證明的Φ400 mm 缸徑內(nèi)孔滾壓工藝裝備是目前國內(nèi)較為先進(jìn)的，內(nèi)孔加工技術(shù)也是科學(xué)合理的。