高壓開關液壓操動機構活塞加工工藝研究

摘 要：高壓開關用液壓操動機構為滅弧室中觸頭的分合閘運動提供動力，操動機構的可靠性直接影響到開關乃至電網運行的可靠性。作為專業制造操動機構的單位，在制造工藝方面進行深入摸索、研究和試驗，引入多種加工方法，提高零部件的質量和效率，文章以機構的核心零件活塞為例，闡述制造工藝保證方法，從而確保整機的性能。

關鍵詞：液壓操動機構；工藝方法；高壓開關可靠性

液壓操動機構是機電液一體化的精密產品，為高壓開關提供分合閘動力，確保高壓及特高壓線路的穩定運行，因此，對機構的制造和可靠性要求很高，零部件形位公差、表面粗糙度和耐磨性等質量對產品可靠性影響很大。儲能缸的液壓活塞是為液壓操動機構提供能量轉換的重要裝置，在儲能時，儲能缸內的儲能活塞將液壓能轉為壓縮彈簧的機械能；機構進行動作時，儲能活塞將彈簧儲存的機械勢能轉換成液壓能，從而驅動工作缸內活塞桿的運動，實現斷路器的分合閘動作。

儲能活塞在儲能缸內工作時往復運動，與液壓缸的配合面通過密封圈密封，需要承受近百公斤的壓力。因此，液壓活塞表面粗糙度超差，會磨損液壓缸和密封圈，造成液壓缸的漏油情況，最終造成整個液壓產品的失效。

圖1 活塞的零件設計圖紙

1 設計需求-加工工藝關鍵與重點

根據機構工作需要，參照圖1所示，設計參數如下：零件材料為鋁青銅，長158mm，最小外圓Ф45mm，最大外圓Ф65mm，各外圓及槽的相互位置度——同軸度要求在0.02以內，其幾個外圓及外圓槽的最小尺寸公差0.025mm，其徑向跳動要小于0.01，圓柱度小于0.005。零件在機加工的整個制造過程中，要確保同軸度及尺寸的要求；同時要保證零件表面粗糙度最小Ra0.4μm的加工要求，從而，最終確保零件的合格率。

該零件加工工藝的關鍵與重點是在加工過程中要采取合理的工藝措施來保證設計要求。其影響的因素有：工序流程、加工方法、設備、刀具等因素。

2 工藝方案分析

2.1 裝夾方式

對不同的位置度要求，在生產中應采用不同的加工方法。對同軸度要求的零件，在加工中我們常采用基準統一或互為基準的工藝原則。為保證活塞零件形位公差，該零件將采用先粗加工后精加工的工序方案，裝夾時采用一夾一頂的裝夾方式，以保證其同軸度誤差。

2.2 以車代磨工藝方案的應用

2.2.1 經過對零件的反復分析和研究，其表面粗糙度最小Ra0.4μm，有兩種方案可以解決零件粗糙度問題，一是采用磨床加工，二是以車代磨。

銅合金為在機加工行業常用的有色金屬，而有色金屬的塑性和韌性比合金鋼好，但其硬度較低。從切削的角度來說，有色金屬在磨削時砂輪切削下來的金屬顆粒會填堵砂輪磨粒間的間隙，起刀具作用的磨粒的前后角尺寸將都不復存在，從而使磨削不能再進行，因此有色金屬的磨削加工從工藝方案上盡量不選擇。根據該零件的精加工要求及材質的特點，經過試驗，我們最終選用金剛石刀具在數控車床上加工。

2.2.2 對于該零件的幾乎所用外圓同軸度小于0.02mm的加工要求，不但要使加工時的基準統一，而且其加工設備的回轉精度也要有相應要求。因此，加工機床的主軸跳動要高于被加工零件的精度要求，才能保證零件加工的合格。同時還要考慮加工設備的機床導軌的直線度、結構系統的剛性等原因。而機床設備主軸精度所影響的徑向跳動也會造成同軸度超差。在零件試制時，該零件外圓采用普通數控車床加工，其表面粗糙度及圓度質量總是不穩定，不能達到圖紙要求。經過調研與試驗，最終采用哈挺QUEST6-42數控車床。該精密數控車床具有良好的抗震性和系統剛性，持久的可靠性與高精度性。其設備床身采用花崗巖材料，主要用于各種高硬度材料進行車、鏜等以車代磨高精度加工，并可獲得高質量的加工表面和精度。

3 工藝實施

在以車代磨工藝確定后，設計了活塞的加工方案，其工藝流程為：下料→粗車→熱處理→半精車→精車→入庫。

3.1 為保證活塞各外圓的同軸度，半精加工時先加工工藝臺，采用設計與加工基準一致的原則，在精加工時采取一夾一頂的方式加工，零件所有外圓、外槽一次裝夾加工，既增加了零件裝夾夾持的可靠性，又保證了加工面的同軸度。

3.2 熱處理前粗加工要求：根據擠壓棒料以往的經驗，由于在材料表面存在有擠壓成形應力引起的微裂紋，熱處理的熱冷劇烈會造成裂紋向深層的擴延，最終會造成整個零件的報廢。因此零件在固溶時效前增加粗加工工序，車去原材料表面的微裂紋，以提高精加工前毛坯的合格率。

3.3 合理選擇切削參數：在裝夾工藝的方法、加工工序和設備精度等因素都滿足后，還要考慮加工刀具的選擇。因為刀具的磨損也是影響零件質量的因素之一。該零件精加工硬度在HB200～260，金剛石PCD刀具適于此類材質的加工。①通過對不同轉速、進刀等切削用量的改變與統計，選擇了適于活塞加工的切削速度V、進給量f和切削深度ap；②經過對不同主偏角刀片的試驗，確定35°轉位刀片適于活塞零件的加工；并對刀片的前角、后角和刀尖圓弧半徑進行了確認。經過切削試驗，選定切削參數為：n=400r/min，ap=0.15mm，f=0.08mm/r。在此切削參數下，加工出的零件表面粗糙度值達到Ra0.4？滋m的要求，并且尺寸穩定性好。雖然CBN材質的刀具價格較貴，但每個刀片能加工60～80個零件，在性價比上來講還是較為合適的。實踐證明，我們選用PCD材質刀片、使用以車代磨工藝是有效可行的，在一次裝夾下完成了零件的加工，確保了零件的同軸度，滿足了其技術要求。

4 工藝完善與優化

在該零件的批量加工后，裝配試驗中出現了幾起泄漏情況，經過分析及通過顯微鏡檢測，活塞零件雖然表面粗糙度值達到了Ra0.4？m的要求，但是在微觀上零件表面還是存在有車刀紋路，波浪型排列的刀紋像似小銼刀一樣，破壞了缸體上與活塞接觸的密封圈，造成了油液的外漏。第二，提高活塞的表面粗糙度，也是提升公司零件工藝品質及管理需要。經過研究與多次試驗，引進了豪克能表面加工工藝。該技術是近些年引進歐洲的一種金屬表面光整加工技術，其原理是利用金屬在常溫狀態下具有一定塑性的特點，并借助一種專用設備使電能轉變成頻率高達30KHz的大能量、振幅極小的機械能，對金屬零件的表面進行無研磨劑的研磨，將金屬零件表面熨平，使金屬零件表面達到更理想的表面粗糙度，同時提高零件表面的顯微硬度、耐磨性及疲勞強度和疲勞壽命。

活塞通過豪克能表面加工設備處理后，使液壓活塞滑動工作部位表面粗糙度由Ra 0.4？滋m提升至Ra<0.1？滋m以下，表面顯微硬度提高10%-20%，有效提高了活塞表面粗糙度及耐磨性，從而減少漏油現象，提高液壓機構產品可靠性。現完善后的工藝加工流程為：下料→粗車→熱處理→半精車→精車→鏡面加工→入庫。

5 結束語

在活塞的加工過程中，通過合理的裝夾設計、加工刀具、設備選擇，以及工藝改進，保證了液壓活塞的質量要求，也形成包括工藝流程、工藝參數、工藝方法的技術成果，培養鍛煉自己的技術骨干和隊伍，豐富了實踐經驗。