一種增壓缸及其制造工藝

閆金良，余志海，董 娜

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文所研究增壓缸采用單動式增壓器提供成型用內高壓，根據帕斯卡能量守衡原理，利用低壓腔（A腔）與高壓腔（B 腔）活塞面積不同進行增壓，因為壓力不變,當受壓面積由大變小時,則壓強也會隨受壓面積大小不同而變化,從而達到將壓力提高到數十倍的壓力效果,低壓腔（A 腔）與高壓腔（B 腔）活塞面積之比,即增壓倍數。如圖1 所示。

圖1 增壓缸

低壓腔（A 腔）液體介質為液壓油，高壓腔（B 腔）液體介質為乳化液，最高設計壓力可達400MPa。高壓出口裝有壓力傳感器，可以檢測壓力。低壓腔油缸為高精度伺服油缸，內置高精度磁致伸縮數字位移傳感器，低壓腔安裝有比例方向閥，通過比例方向閥實現壓力伺服控制。補液端來自于水壓系統，內置高性能單向閥，保證充液成形壓力和補液回路的有效隔離。

高壓缸體是增壓缸設計制造的難點之一。B 腔（高壓腔）可達到400MPa 的壓力，要求增壓缸的高壓缸體必須有較高的強度。高壓缸體由三層缸體組合而成，外層采用優質合金鋼，經調質處理來提高整體力學性能，中間層采用優質合金鋼，并經淬火處理來提高腔體強度，中間層與外層配合面采用大過盈量的配合方式，利用外層缸的“抱緊力”來給中間層缸提供預應力以抵抗高壓腔的高壓力，高壓缸兩端采用組合密封圈，中段采用硬鋁套來擋壓組合密封圈，組合密封圈兩端用壓蓋壓緊定位來達到密封要求，硬鋁套與內腔采用過盈配合。如圖2 所示。采用三層通孔缸結構，降低了材料的應力，增加了可靠性，提高了使用壽命。

圖2 高壓缸體

因為高壓缸三層之間均為過盈配合，所以均需要采用特殊方法進行組配，根據三層缸材料的屬性不同，外層缸體與中間缸體之間通過熱裝組合，組合之后再與內層缸冷裝組合。

1 熱裝

1.1 熱裝前準備工作

首先分別把外缸及內缸進行初加工。外缸內孔及外圓均加工到尺寸，兩端留精加工余量；內缸經粗加工后整體淬火處理，淬火硬度在HRC50 以上，淬火前外圓要留出適當精加工余量，以調和工件淬火變形量大和淬火后硬度高而難以加工矛盾，淬火后外圓精加工到尺寸，內孔及兩端均留精加工余量（外層缸及內缸等高）。加工完成后，清理干凈外層缸及內缸配合表面，復查直徑，圓角，倒角等配合尺寸，以備熱裝。

1.2 熱裝溫度計算

根據外層缸材料的性質，計算出熱裝所需的溫度T

式中：T 為零件所需的熱裝溫度，℃；α 為被加熱件的線膨脹系數，見表1；Δ1 為配合件的最大過盈，mm；Δ2 為熱裝時的間隙，mm，一般取配合直徑的0.9‰～1.4‰，取1.4‰；d 為配合直徑，mm；t 為室溫，取20°。

表1 膨脹系數表

1.3 加熱時間和保溫時間

零件的加熱時間與零件的結構、壁厚、材質，加熱方法有關，一般可按零件的壁厚考慮，經驗數據是每厚10mm 需15min 的加熱時間。

保溫與壁厚有關，經驗數據是每厚10mm 需保溫5min。

1.4 繪制加熱保溫曲線

繪制保溫曲線圖如圖3 所示。

圖3 保溫曲線圖

1.5 加熱方法選擇

根據零件外形，可采用電感應加熱、電爐加熱、煤氣爐加熱、油箱中加熱等方式加熱工件。因電感應加熱成本較高，而煤氣爐加熱、油箱中加熱無設備及相關經驗，結合公司現有設備，采用臺式電爐加熱。

把外缸放置在工裝平臺上，工裝平臺隨件外層缸同時進爐加熱，零件加熱過程中，必須嚴格按照加熱曲線圖加熱。

1.6 加熱后的組裝

（1）外層缸加熱透后隨臺車快速開出爐腔，開出后必須經雙重檢測，以保證熱膨脹量達到要求值。首先，用測溫槍測出工件溫度，檢測是否達到要求的加熱溫度，然后再用熱裝樣板測量孔的脹量。當樣板能順利通過時，才能進行熱裝。否則要延長加熱時間，直到膨脹量達到要求值為止。檢測示意及檢具圖如圖4 所示。

圖4 檢測示意及檢具圖

其中測量桿的尺寸L 按下式計算：

式中：L 為熱裝尺寸，mm；d 為配合直徑，mm；Δ1為配合件的最大過盈，mm；Δ2為熱裝時的間隙，mm。

（2）外層缸孔的膨脹量達到要求后要立即進行熱裝，熱裝操作者應穿戴好防護用具，動作要快而準確，一次裝到底，中途不得停留，如發生故障，不許強迫裝入，排除后再熱裝，熱裝前最好進行一次預演練。熱裝完成后自然冷卻，以備冷裝（注意合金鋼材料不能用風吹冷卻）。熱裝示意圖如圖5 所示。

圖5 熱裝示意圖

2 冷裝

2.1 冷裝前準備工作

把鋁套進行初加工，鋁套內孔及外圓均加工到尺寸，兩端留精加工配車余量，加工完成后，清理干凈鋁套和已經熱裝好的缸組件配合表面，復查直徑，圓角，倒角等配合尺寸，以備冷裝。

2.2 冷裝溫度計算

冷裝溫度計算公式：

式中：T 為零件所需的冷裝溫度，℃；α 為被冷裝件的線膨脹系數，見表2；i 為配合件的最大過盈，mm；d為配合直徑，mm。

表2 線膨脹系數

2.3 冷卻劑的選擇

常見的冷卻劑有：

（1）干冰——固體二氧化碳，能將零件冷卻至零下75℃，因溫降低而只適用于過盈小的套類零件。

（2）液態氨，能將零件冷至-120℃，直接同零件接觸會腐蝕零件，具有強烈的臭味，影響工人操作。

（3）液態氮，能將零件冷至零下195℃，用它做冷卻劑較液態氨穩定，對零件、冷卻箱不起腐蝕作用，是理想的冷卻劑，我公司具有相應設備及操作經驗。

（4）液態氧，能將零件冷至零下180℃，略低于液氮，能助燃不能自燃。

根據步驟2 計算所得溫度值，結合各冷卻劑的特性及公司現有設備，選用液氮為生產中冷卻劑。

2.3 冷卻時間計算

冷卻時間計算公式：

式中：t 為零件所需的冷卻時間，min；α 為與材料有關的綜合系數，見表3；δ 為零件最大冷卻壁厚，mm。

表3 材料有關的α 綜合系數

2.4 冷卻后的組裝

冷裝操作者應穿戴好防護用具，將液態氮從液氮罐中小心地傾注在冷卻箱里，用鉗子、鐵絲或其他工具將鋁套放入冷卻箱里，透溫后用工具取出鋁套裝入相關孔中，動作要迅速沉著，注意裝配的同心性，及時用木錘敲擊糾正裝配中產生的歪斜，直到冷裝到位。冷裝示意如圖6 所示。

圖6 冷裝示意圖

3 總結

增壓缸的制造難點就在增壓缸的高壓腔三層通孔缸結構的零件加工和組裝上，在制造過程中不僅要嚴格控制零件的外形尺寸，還要控制各零件的整體強度指標，否者將無發滿足耐受高壓的設計要求；在組裝過程中要嚴格按照熱裝及冷裝工藝組裝，否則將造成三層缸之間裝配不到位，而又無法拆卸重頭再裝的尷尬局面，以致造成零件的報廢。

增壓缸整體組裝完成后，需按試壓標準對高壓腔進行滿負載試壓。