高精度大型液壓油缸的工藝探討

陳明連，李 濤，蔣衛杰

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

在機械行業中，液壓油缸是經常使用的執行部件。當油缸尺寸較大且對精度要求較高時，需控制油缸的變形、加工誤差及測量誤差，于是對液壓油缸的材料、加工工藝和測量提出了更高要求。計量行業對液壓式力標準機液壓工作油缸的精度要求較高，工作油缸的變形量、加工精度和測量精度對裝置的精度影響很大，本文對這種液壓油缸的材料、加工工藝和測量進行了探討[1-5]。

1 材料的選擇

在高精度液壓油缸中，油缸和活塞之間的配合間隙一般都在0.02 mm～0.04 mm之間。由于材料在受壓力影響和溫度變化時均會產生一定的變形，當變形量超出一定范圍后，就會使活塞與油缸擦碰并產生一定的摩擦力，從而影響高精度液壓油缸的精度。當油缸和活塞尺寸較大時，變形對油缸精度的影響尤為突出。所以，在選擇材料時就必須考慮材料的變形問題。

1.1 油缸的材料

油缸材料可選范圍很大，目前采用較多的有35鋼、45鋼、25GrMo和35GrMo等等。由于普通油缸是采用密封圈密封的，所以材料的變形不會影響油缸的功能。而高精度液壓油缸則不能使用這些材料，因為這些材料的變形會影響液壓油缸的精度。文章推薦使用40CrNiMoA合金結構鋼作為高精度液壓油缸的材料，40CrNiMoA是優質的調質鋼，調質后具有良好的綜合力學性能，其低溫沖擊韌性很高，淬火低溫回火或高溫回火后均有較高的疲勞極限和較低的缺口敏感性。分析45鋼、25GrMo和40CrNiMoA材料的化學成 分和力學性能，如表1和表2所示。

表1 材料的化學成分

表2 材料的力學性能

從上述化學成分和力學性能對比表可以看出：對于碳素結構鋼、合金結構鋼而言，由于其成分的不同，材料的抗拉強度、屈服點、伸長率、斷面收縮率差異較大。綜合分析材料的抗拉強度、屈服點、伸長率、斷面收縮率后，可知40CrNiMoA力學性能指標更符合大型、高精度油缸的材料選擇。

1.2 活塞的材料

在選擇活塞的材料時，同樣要考慮材料的變形狀態。目前活塞材料使用較多的是高強度鑄鐵 HT300、球墨鑄鐵和45鋼。文章推薦選用Cr12MoV合金工具鋼，零件熱處理宜采用淬火處理，要求淬火溫度在950°～1 000°之間，且采用油冷卻。

下面，對45鋼、Cr12MoV和HT300的特性和用途進行對比。

45鋼的強度較高，塑性和韌性尚可，切削性良好，調質后有很好的綜合力學加工性能。可用于制作承受載荷較大的小截面調質件、應力較小的大型正火零件以及對心部強度要求不高的表面淬火件。

Cr12MoV合金工具鋼具有較高的淬透性、硬度、耐磨性和塑性，變形小，但高溫塑性差?？捎糜谥谱鞲鞣N鑄、鍛模具等。

HT300高強度鑄鐵的塑性和韌性較低，但抗壓強度非常高，有良好的吸振性、減振性和潤滑性，同時具有良好的導熱性、切削加工性和鑄造性，可承受高彎曲應力?？捎糜谥谱饕蟾邚姸?、高耐磨性的重要鑄件和要求保持高氣密性的鑄件。

從以上對比可以看出：雖然HT300高強度鑄鐵的應用面較廣，但對于對精度要求較高、對材料的變形量要求較高的應用場合，使用Cr12MoV合金工具鋼比較合適。

2 加工工藝控制

文章主要介紹大型、高精度液壓油缸的加工注意點，對于普通液壓油缸及活塞的加工，本文不再贅述。在液壓式力標準機中，工作油缸的幾何精度控制對裝置的精度影響很大，油缸的幾何精度主要包括圓度、圓柱度和光潔度。保證光潔度相對比較容易，采用磨削的手段就可以達到；而圓度和圓柱度則不易控制。一般而言，高精度液壓油缸的圓度和圓柱度都需控制在0.01 mm左右，對于尺寸相對較小的油缸，這個精度較易達到；當油缸直徑尺寸大于500 mm時，要達到這樣的精度就非常困難了。

2.1 油缸磨削時安裝方式的確定

本文介紹的油缸尺寸較大、重量較大且對精度要求較高，若采用臥式加工，受自身重量和懸式裝夾的影響，油缸右端部一定會產生擾度，精度就不能保證，所以必須采用立式安裝的方法，如圖1所示。

2.2 加工機床的選擇

油缸在初加工時，加工機床的選擇范圍比較廣，可選用臥式車床或立式車床，還可以使用加工中心。對油缸進行精加工時，則必須采用立式磨床，而且需對機床的精度及磨頭的剛性進行確認。應確認機床磨頭與工作臺面的垂直度小于0.005 mm。確認磨頭剛性的方法如下：砂輪一旦確定后就不能再改變，選定一個進刀量（如：0.1 mm），在磨削的有效行程內測量磨頭滑枕的偏移量，如果偏移量超過0.05 mm，說明采用這個進刀磨削加工不能滿足零件的加工要求，則必須減少進刀量直至偏移量不超過0.05 mm。

圖1 油缸磨削時的安裝方式

2.3 精磨的最終控制

精磨時需要注意的是：由于是磨削加工，所以必定會產生熱量而造成油缸的變形（對大油缸的影響更加明顯），所以要求做到：1）當接近油缸磨削尺寸時，必須減少進刀量；2）磨削的最后一刀必須要有一定的等待時間，具體的等待時間沒有量值，只能根據零件的材料、零件的結構、工作環境條件、機床的運轉情況等得到經驗值。

3 油缸的測量

為保證油缸和活塞的加工精度，油缸和活塞的測量也是至關重要的環節。所用的計量器具都應經過檢定，其精確度等級應能滿足工件的精度要求。

3.1 溫度控制

對于大型液壓油缸和活塞而言，溫度的變化對零件的影響是很明顯的。對于高精度油缸和活塞而言，溫度的變化可能直接導致零件的精度超出要求?，F場對材料為Cr12MoV、直徑為570 mm的某活塞進行了一次測試，結果顯示：溫度為 20℃和 30℃時，測得的結果相差0.01 mm。若材料為45鋼，變形量將達到0.06 mm。為使測量的結果更加精確，測量應由同一個人使用同一計量器具進行，油缸、活塞和計量器具要保持在同一溫度下，且等溫時間應大于24小時。

3.2 油缸和活塞的測量

為了使測量結果更加精確，僅僅控制測量不夠的。在實際的加工過程中，有經驗的師傅會采取多點測量和多次測量的方法來提高測量精度。本文介紹一種較多點測量和多次測量更加精確的測量方法，即單層多點及多層測量法。

多層測量的具體要求和方法如下：選擇某個面作為基準面，然后從基準面開始將油缸和活塞軸向尺寸分n檔（具體的數量由零件的軸向尺寸大小決定），對各截面進行內徑或外徑的測量，記錄每一截面上圓周的圖形，共得n張實測圖形，見圖2。

單層多點測量方法如下：對于n檔的每個截面進行各方向的多點測量，對各截面進行內徑或外徑測量，記錄每一截面上圓周的圖形，共得n張實測圖形，見圖2。

對得到的n張實測圖形進行分析，確定油缸和活塞的精度是否滿足設計要求，如果不能滿足設計要求，則調整零件在磨削加工時的安裝位置，直至零件的精度滿足設計要求。

圖2 多層和單層多點的測量示意圖

4 結束語

液壓油缸作為液壓系統的核心執行元件，其精度控制永遠是機械設計人員研究的主要目標。本文從零件材料選擇、溫度控制及測量手段 3個方面探討了高精度大型液壓油缸及活塞的工藝。在實際應用中，為了保證零件的精度，要考慮的因素還有很多，包括零件的結構形式、合理的零件裝配工藝等等。本文所述工藝應用于實踐并取得了非常好的效果，能有力地保障大型力標準機的準確度。