高壓力活塞式液壓缸缸體與銅套冷裝工藝的研究及應用

曾滿俊 何遠鋒

摘要：高壓力活塞式液壓缸的缸體與銅套為異種材料，二者之間為大過盈量配合，常規的裝配工藝滿足不了裝配過盈量要求，導致了液壓缸裝配后缸體與銅套之間松動、液壓油泄漏，影響了成套設備的安全運行。為確保裝配過盈量，對液壓缸銅套在不同溫度下的熱脹冷縮量進行了試驗分析，選取了合適的冷凍設備，設定冷凍條件，規范組裝工序，確保了大過盈量配合，滿足了裝配要求，組裝效率也大幅提高。

關鍵詞：冷裝工藝;過盈配合;冷凍;裝配

0? ? 引言

高壓力活塞式液壓缸是一種通過高壓力液壓油推動液壓缸內部活塞往復運動，從而帶動與活塞導軸相連接部件實現平穩往復運動的部件，在可調動葉式軸流風機等大型設備中廣泛應用。若液壓缸缸體與銅套之間的組裝達不到大過盈配合的要求，缸體內部高壓力液壓油極易泄漏而使液壓缸失效，影響成套設備的正常運行。如圖1所示，本文對相對體積大的厚壁件缸體1與相對體積小的薄壁件銅套2之間進行裝配時，如何實現大過盈量配合的裝配工藝進行了研究分析，確定了一種簡單高效的裝配工藝，取得了良好的實際效果。

1? ? 裝配工藝分析

在傳統的過盈配合裝配中，熱裝和壓裝的裝配方式因其方便實用得到了廣泛應用。熱裝的基本原理是熱脹冷縮，通過加熱帶基孔的零件，基孔直徑受熱膨脹而增大，套入常溫軸類零件實現。壓裝則是在常溫狀態下，將軸類零件強行壓入基孔零部件內部，通過擠壓方式實現過盈配合[1]。然而，此兩種裝配工藝，用于圖1中相對體積大的厚壁件缸體與體積小的薄壁件銅套之間的裝配，均不能滿足過盈配合要求。

熱裝工藝廣泛應用于帶基孔、相對壁厚較小的薄壁零部件與軸類零部件過盈配合裝配，對于圖1中基孔尺寸小、壁厚相對大的缸體而言，加熱不易得到理想的基孔尺寸，還極易造成缸體變形。另一方面，缸體為高強鋼，銅套為銅合金。在熱裝過程中，銅套較高的熱傳導及熱脹特性，極易造成在組裝過程中，還未組裝到位就因熱脹效應而卡死，導致裝配失敗，銅套報廢。

壓裝工藝在應用過程中，需要定制專用工裝，使用專用壓機，相互配合的零部件間材質硬度應盡可能接近，不然材質相對較軟的零部件極易被刮削掉一部分母材。圖1中的缸體與銅套就屬于不同材質間的裝配，材質相對較軟的銅套（銅合金）壓入材質相對硬的缸體（高強鋼）基孔時，銅套會被刮削掉母材而無法得到理想的過盈配合。

為了達到理想的裝配效果，最好的方法就是采用冷裝工藝，將銅套冷卻至一定溫度，再裝入缸體基孔內，依靠銅套的冷縮熱脹達到過盈配合需求。然而，冷卻介質液氮的溫度在-180 ℃左右，對環境、設備、安全條件等提出了極高的要求，也不適于大批量使用[2]。為了獲取更高效適用的方法，對銅套及缸體之間的冷裝工藝條件進行了試驗研究。

2? ? 冷裝工藝試驗分析

為了得到不同規格銅套在不同溫度下外徑尺寸的變化，選取了規格為？準150、？準122、？準100的銅套，在不同的溫度下，測量記錄下各自的尺寸值，如表1、表2、表3所示。

通過以上數據進行推算，得出結論如下：

（1）外徑？準150的銅套，溫度每下降5 ℃，尺寸減小約為0.016 mm。

（2）外徑？準122的銅套，溫度每下降5 ℃，尺寸減小約為0.013 mm。

（3）外徑？準100的銅套，溫度每下降5 ℃，尺寸減小約為0.010 5 mm。

在高壓力活塞式液壓缸產品系列中，缸體與銅套之間的過盈配合量主要有兩種：？準100的銅套與缸體配合的最大過盈量為0.093 mm;？準150的銅套與缸體配合的最大過盈量為0.125 mm。要滿足這兩種過盈配合要求，經過計算得到銅套冷卻溫度的變化量：

（1）？準100銅套冷卻溫度變化量Δt=（0.093÷0.010 5）×5≈44.29 ℃;

（2）？準150銅套冷卻溫度變化量Δt=（0.125÷0.016）×5≈39.06 ℃。

根據上述試驗數據分析及理論推算，要滿足液壓缸缸體與銅套之間的最大過盈配合量，至少要保證銅套冷卻時溫度變化量為45 ℃。

3? ? 冷裝工藝的制定及實際應用

由于液壓缸缸體與銅套組裝時所處的環境溫度不會低于10 ℃，只需要將銅套冷卻至-35 ℃就能滿足裝配要求。為此，采用一臺普通工業用冰箱（冷卻溫度達-40 ℃），實施方法如下：

（1）工業冰箱（-40 ℃）開機2 h，等待冰箱內部溫度達到-40 ℃;

（2）將銅套放入冰箱，冷凍4 h以上，確保銅套冷縮到位;

（3）將冷凍的銅套取出，迅速放入液壓缸缸體的基孔內，裝配到位;

（4）待銅套溫度自然上升到與缸體相同，形成過盈緊配合，滿足裝配要求。

工業冰箱冷卻銅套方式方便實用，省去了液氮、干冰等常規冷卻用介質的制備或采買，在制造過程中適用性很強。

4? ? 結語

本文通過對高壓力活塞式液壓缸缸體與銅套這兩種異種材料零部件裝配過程中如何采用冷裝工藝進行了試驗研究，找到了有一種有針對性的適用性極強的冷裝工藝，拋開了液氮、干冰等不易制備且具有安全隱患的冷卻介質，適用性強，簡單方便，在批量生產制造中效率高，是一種適用方便的冷裝工藝。

[參考文獻]

[1] 楊平，馬馳.冷裝工藝在減速機裝配中的應用研究[J].機械工程師，2014（6）：267-268.

[2] 包永剛.液氮冷縮裝配的應用[J].四川水泥，2004（2）：44.

收稿日期：2020-04-28

作者簡介：曾滿俊（1985—），男，四川廣漢人，工程師，研究方向：機械設備裝配及產品包裝防護等。