乘用車減振器內活塞桿加工工藝的研究

蔡向東,梁金龍

(上海北特科技股份有限公司，上海 201816)

0 引言

減振器是汽車懸掛系統中的重要裝置，用于減少車身等部件行駛過程中帶來的振動，以改善汽車的行駛平順性，提高乘座舒適性 ，主要工作原理是懸架系統中由于彈性元件受沖擊產生振動，為改善汽車行駛平順性，懸架中與彈性元件并聯安裝減振器，為衰減振動，汽車懸架系統中多采用液力減振器，其工作原理是當車架(或車身)和車橋間產生振動而出現相對運動時，減振器內的鉚接在活塞桿上的活塞進行上下移動，減振器腔內的油液便反復地從一個腔經過不同的孔隙流入另一個腔內。此時孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內摩擦對振動形成阻尼力，使汽車振動能量轉化為油液熱能，再由減振器吸收散發到大氣中。 減振器對工作環境和性能等方面要求比較高，在不同路況、不同負載、不同車速、不同制動、不同顛簸狀態下必須正常工作，不得出現內部活塞桿斷裂和液壓系統漏油等問題。

根據減振器安裝位置不同可以分為前減振器和后減振器，前減振器安裝在前輪上，負載大，對車身安全起關鍵作用，屬于安全部件;后減振器安裝在后輪上，負載小。圖1是前減振器安裝位置示意圖。圖2是減振器的剖視圖。

圖1 前減振器安裝位置示意

圖2 減振器的剖視圖

活塞桿是減振器里的關鍵零件，其結構如圖3所示。左端螺紋是客戶端螺紋，與乘用車底盤相連接；右端螺紋和活塞固定；中間桿部感應淬火處理，研磨后電鍍， 鍍好拋光或精研磨， 提高其耐磨性和抗腐蝕性。

圖3 活塞桿結構

中國乘用車近幾年每年生產量2 200萬輛左右，每輛車需要4個減振器，每個減振器需要一個活塞桿。OEM市場每年需要活塞桿8 800萬支，再加上售后市場，每年需要的活塞桿高達1.2億根以上，活塞桿需求量大，質量穩定、低成本、高效率的生產模式是眾多企業追求的目標。

1 活塞桿的主流工藝流程

活塞桿是以大批量生產模式為主，提高活塞桿工藝穩定性、降低生產成本、提高過程自動化以及先進的生產工藝非常關鍵。活塞桿材料通常采用C35鋼 、C45鋼 ，通過冷拔處理提高其抗拉強度和屈服強度，滿足使用性能要求。

活塞桿的主流工藝流程圖如圖4所示。

圖4 活塞桿主流工藝流程

其工藝流程介紹如下：

(1)原材料用盤圓料。和傳統長棒料比， 有效提高材料利用率，適合不同長度的活塞桿，適用性強，同時可以實施連續冷拔工藝， 工藝自動化程度高。

(2)聯合拉拔。原材料用盤圓料在聯拔機上開卷，通過左右校直、上下校直、噴丸、冷拔， 飛剪下成定尺長度的長棒料，該工藝的優點如下：

① 自動化程度高。只要1位操作者就可完成如上所有的工作；

② 效率高。多工序合并在1套設備上， 聯合拉拔機的速度可達到20～50 m/min，多工序高度集中化；

③ 經濟性好。根據加工活塞桿的長度尺寸， 計算好下長料的長度，考慮倍尺關系，預留長料兩端的料頭料尾，減少材料浪費，提高材料利用率；

④ 質量穩定性好。設備工藝過程可控，可以直接控制產品質量。

有些單位采用長棒料冷拔，需要軋頭、噴丸、冷拔、校直、切頭的多道工序，材料多次上料、下料、多次搬運，每根長棒料都要切掉軋頭部分，長度約為110 mm,從而造成材料的一次浪費。

還有當對應不同長度的活塞桿, 相同長度的長棒料損失的料頭料尾更多，造成材料的二次浪費，材料利用率更低，導致生產成本高。

(3)下料工序。

單根長料采用數控圓盤鋸，自動進給鋸切成短料，端面平整，自動化程度高，工人勞動強度低。但設備投資金額比較大，大概40萬元。

整排長料帶鋸切成短料，端面有毛刺，每次鋸切后需清理工作臺面，去除鐵屑再進行第二次鋸切，工人勞動強度大，質量過程不穩定。但設備投資金額低，大概2萬元。

因此，單根長料采用數控自動進給沖切成短料，該工藝經濟性最好、過程費用最低、沖切設備加上自動上下料裝置和適合的模具就可以。

(4)粗磨。強力通磨，去除原材料表面缺陷，改善活塞桿棒料的直線度，提高外圓表面精度，為后續數控車兩端制造加工基準。

(5)精車客戶端/活塞端。 使用兩臺數控車+機器人自動上下料，完成兩端的車削加工，或者采用輸送帶人工上下料，完成兩端的車削加工。

雙頭數控車加工示意圖如圖5所示。

圖5 活塞桿結構圖

雙頭數控車一次裝夾活塞桿 毛坯，兩端夾緊，同時車削活塞桿兩端，活塞桿兩端夾緊， 穩定性好，更好保證活塞桿車削后端部的跳動。

(6)兩端滾絲加工。兩臺滾絲機+ 自動上下料機構， 加工兩端螺紋，成本最優，質量穩定。

(7)切槽/銑方。 內六角加工,通常采用專機來生產制造。

(8)高頻淬回火。自動連續感應淬火+ 感應回火， 滿足活塞桿的淬火區域的硬度和淬硬深度的要求，提高活塞桿的耐磨性。感應淬火具有效率高、可以連線生產、工作環境好、 工件質量可靠穩定、工件變形小等優點。根據工件、設備條件和試驗結果，確定加熱工藝參數，如功率或回路電壓、加熱溫度、加熱時間或工件進給速度等。 回火加熱與冷卻時，確認加熱與冷卻條件，為避免工件開裂、畸變和其他缺陷應當在淬火后及時回火[1]。

(9)鍍前3次研磨。 屬于無心外圓磨，活塞桿支撐在導輪和托架之間，由導輪驅動工件旋轉，砂輪磨削工件，優點是連續加工、效率高[2]。根據活塞桿的磨削余量和表面粗糙度要求，通常是3臺磨床連線，依次為粗磨、半精磨和精磨， 進一步去除表面缺陷，保證工件的直線度，提高表面的粗糙度，通常精磨表面粗糙度達到Ra0.10 μm， 工件外徑更加精準，通常達到0.021 mm公差(g7)精度。

(10)鍍硬鉻。該工序是活塞桿加工的關鍵工序，其在產品表面電鍍金屬鉻，工序主要控制活塞桿表面鍍層的厚度、鉻層硬度、微裂紋數量等。現行比較領先的工藝是采用大電流快速鍍硬鉻生產線，這樣產品的鍍層均勻性能夠控制在0.004 mm以內。

(11)去氫回火。 工件放在低溫回火箱內，通常溫度設置在210 ℃， 時間2 h， 目的是消除產品電鍍后殘余氫離子的含量，通過加熱的方式加速氫離子的脫離，避免產品發生氫脆而斷裂的現象。

(12)探傷。有磁粉人工探傷，通過紫外關燈和磁粉亮線， 挑選出表面有裂紋的活塞桿， 該工藝工人上下料， 眼睛觀察工件表面，勞動強度大，有工件漏探的可能性；另一種工藝是自動化的渦流表面探傷，通過設置參數對比探傷，設備自動判別有裂紋的工件，并把不合格工件輸送到專用工位，該工藝效率高，對工作環境要求比較高，不允許有比較大的振動 ，設備投資額比較大，目前通常采用德國IBG或FOSTER公司的渦流探傷機。

(13)表面超精。電鍍后處理， 油石拋光， UB(樹脂)砂輪研磨，達到Rz0.4 μm的產品表面粗糙度要求，滿足減振器總成油封設計的密閉性要求。

以上是減振器活塞桿的主流工藝，有些公司根據自己生產模式和產品特性，對工藝順序適當調整，如韓國萬都汽車零部件公司是先活塞桿感應淬火+回火，再對數控車削工件兩端 ，而SACHS等歐美企業卻是先采用數控車床兩端先加工而后再進行高頻淬回火。

2 空心活塞桿的摩擦焊工藝

空心活塞桿，顧名思義是指活塞桿是中空的結構，如圖6所示。現代汽車制造是朝著高強度、輕量化的方向發展。而空心活塞桿設計的出現，既滿足了活塞桿強度的要求 ，又帶來了產品質量的減輕。按照一般空心活塞桿的設計，如外徑是22 mm、長度420 mm空心活塞桿的質量只有實心活塞桿質量的60%。一臺車2個前減震器，2個桿減重40%，約0.9 kg，實現了整車質量的下降，節省了燃油或電源。

圖6 空心活塞桿結構

空心活塞桿的主要加工工藝為：客戶端端頭的制作—活塞端端頭的制作—空心無縫鋼管的下料成短鋼管棒料—鋼管兩端分別和如上兩端頭摩擦焊(去除焊接飛邊)—粗磨—兩端車削加工—兩端滾絲—見實心桿的工藝。

空心活塞桿的加工工藝中，最關鍵的工序就是摩擦焊工序。 摩擦焊是利用焊件表面互相摩擦所產生的熱量，使端部達到熱塑性狀態，然后迅速加壓頂端，完成焊接的一種壓焊方法， 其焊接過程包括初始摩擦階段、不穩定摩擦階段、停車階段、頂端維持階段。摩擦焊具有接頭質量穩定、焊接生產率高、生產成本低、無需填充材料、 能量消耗低等優點[3]。

活塞桿客戶端端頭和空心鋼管摩擦焊接以及活塞端端頭和空心鋼管摩擦焊接，同時去除外面焊縫飛邊。

現行質量穩定、行業領先的摩擦焊設備制作廠商是英國湯姆森公司以及庫卡公司的摩擦焊機，采用自動控制系統，對摩擦焊接的轉速、摩擦壓力、摩擦時間、頂端延時、頂端壓力和頂端變形量等關鍵參數監控自動記錄，做到可追溯性，同時去除焊接飛邊[4]。

3 智能自動化生產

國內外機械加工的發展趨勢是不斷發展新技術并提供自動化程度，從而提高加工效率及加工質量。機械制造加工過程自動化是在運用先進工藝技術基礎上，利用現代的機械化、自動化的技術，利用自動裝置和設備使機械制造的加工過程實現自動化，使機器的制作過程實現自動化[5]。 工業4.0, 智能自動化生產是主流，活塞桿的粗磨至鍍硬鉻等多道工序，通過自動上下料系統，可以實現工件自動走料，工件自動從一設備轉移到另一設備，主要通過機械手、工業機器人、感應器、傳動裝置來實現自動化生產，降低工人勞動強度,提高設備利用率，穩定產品質量。對于電鍍工藝(10)，傳統工藝需要2個工人,工人把工件裝夾到電鍍套筒內， 一支支下料， 然后再一支支上料，勞動強度大 ，且在電鍍池邊工作，工作環境較差。 而某有限公司采用安美特電鍍線配置的自動上下料，采用KUKA機器人，自動化一次性裝夾 10支活塞桿， 裝夾固定40支活塞桿，只需要8 min，上下料時間快于活塞桿電鍍時間，充分發揮設備電鍍效率。

4 結束語

文中主要介紹了減振器活塞桿的主流生產工藝，提出了圓盤料聯合拉拔的優點以及活塞桿高頻淬回火的注意點，同時也介紹了各工序的主流加工設備， 闡述了空心活塞桿結構、端部摩擦焊的關鍵工序以及現代化智能自動化大規模生產的模式， 為國內汽車減振器活塞桿的生產工藝及規劃提供了參考。