淺析拋光砂帶在油缸精加工中的應(yīng)用和優(yōu)化

張沛英　李燦文　羅露露

摘 要：本文簡單分析了拋光砂帶在液壓壓磚機(jī)油缸密封表面加工中的作用，借助現(xiàn)代摩擦系數(shù)公式分析油缸內(nèi)壁粗糙度對密封材料磨損的原理和機(jī)制；不同粗糙度下各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)間；介紹拋光砂帶對液壓壓磚機(jī)油缸密封表面的加工工藝的改進(jìn)，并對其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行描述。一年多使用結(jié)果表明，加入拋光砂帶工序后，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：拋光砂帶；精加工；粗糙度；密封表面；磨削

1 前言

筆者公司設(shè)計(jì)的油缸內(nèi)壁圓柱度為0.02mm；表面粗糙度Ra為0.2μm。而加工工藝基本是精車后砂輪磨削，最后用布輪與拋光膏進(jìn)行拋光。后來，為了提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率，引進(jìn)了砂帶拋光工藝。但單純采用拋光砂帶拋光后，發(fā)現(xiàn)工作中有部分油缸比較容易產(chǎn)生磨損，密封件也易損壞，造成嚴(yán)重的后果。經(jīng)過微觀結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代摩擦系數(shù)公式分析，對拋光砂帶工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到良好的效果。

2 油缸密封表面的工作狀態(tài)及設(shè)計(jì)要求

2.1 油缸的密封表面工作狀態(tài)

油缸的密封表面工作狀態(tài)屬于滑動(dòng)摩擦里面潤滑狀態(tài)下的邊界摩擦，兩摩擦表面間有潤滑油存在。由于潤滑油與金屬表面的吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜。邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開。所以，相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，這種狀態(tài)稱為邊界摩擦。根據(jù)Bowden和Tabor[1]的研究可得到邊界摩擦模型，其邊界摩擦的模型示意圖如圖1所示。

2.2 油缸密封表面設(shè)計(jì)要求

油缸密封表面設(shè)計(jì)要求圓柱度控制在0.02mm、Ra控制在0.2μm。

2.3 粗糙度以及磨損的原理分析

2.3.1油缸密封表面的粗糙度Ra的影響

張延良[2]通過45#圓環(huán)的不同粗糙度與PTFE密封材料在油潤滑環(huán)境下進(jìn)行磨損性能試驗(yàn)，得出粗糙度最佳值Ra=0.59～0.81μm。代漢達(dá)[3]通過45#圓環(huán)的不同粗糙度與PTFE密封材料在水潤滑環(huán)境下進(jìn)行磨損性能試驗(yàn)，得出粗糙度最佳值Ra=0.082～0.142μm。

在實(shí)際工作過程中，油缸密封表面粗糙（如：表面粗糙度值大于3.2μm），密封件就易磨損，并造成液壓油的泄漏。然而，非常光滑的密封表面，并不代表其擁有優(yōu)良的密封性能。當(dāng)與密封件配合的液壓油缸密封表面的粗糙度較高時(shí)，油缸密封表面和密封件兩表面貼合比較緊密，分子作用較明顯。當(dāng)密封表面的粗糙度過低，密封件會將油缸密封表面的油膜擦去，表面的凸峰會對密封件表面進(jìn)行切割，微觀波峰與密封件表面相對運(yùn)動(dòng)，微觀的犁溝和切削作用比較明顯。此時(shí)，密封件的磨損率比較高。

2.3.2 Rmr值的影響

Rmr（c）指輪廓的支承長度率（material ratio of the profile）在給定水平位置c上輪廓的實(shí)體材料長度Ml（c）與評定長度的比率。

在國內(nèi)外，對需零件表面質(zhì)量要求嚴(yán)格的行業(yè)，其技術(shù)要求的表面粗糙度參數(shù)不但有Ra、Rz等參數(shù)，而且有形狀位置精度Rmr等參數(shù)。圖2為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的表面粗糙度參數(shù)要求，類似還有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸的曲軸軸頸表面。

拋光砂帶機(jī)通過選用由粗到精的拋光砂帶，能將油缸密封表面拋光到圖紙要求。用拋光布輪+拋光膏的組合和拋光砂帶都能加工出相同的粗糙度，但用放大鏡（180倍、540倍）看油缸密封表面微觀細(xì)節(jié)，其模型如圖3所示。能看出兩種工藝的效果是不一樣的。圖3（a）為拋光布輪+拋光膏的組合所達(dá)到的表面粗糙度，圖3（b）為拋光砂帶加工出來的相同表面粗糙度Ra，但輔助參數(shù)輪廓的支承長度率Rmr卻有所不同。圖3（a）的波峰比較平坦，圖3（b）的波峰比較尖銳。

2.3.3形狀位置精度及磨損機(jī)制分析

由于PTFE材料和鉻鋼硬度相差較大，故作用的主要方式應(yīng)為犁溝效應(yīng)。犁溝切削的主要媒介為金屬表面的波峰或者凸體。即：當(dāng)r→∞時(shí)，相當(dāng)于理想平面接觸；當(dāng)r越小時(shí)，犁溝作用就會明顯地表現(xiàn)出來。在一定條件下，r越小，粗糙度越高，即金屬的表面質(zhì)量越差，微凸體具有較小錐角的概率也就越高。因此，當(dāng)油缸密封表面粗糙度較高時(shí)，密封材料表面損傷以犁溝效應(yīng)為主，導(dǎo)致密封磨損。

2.3.4小結(jié)

（1） 密封表面并不是越光滑越好，而是有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?。過低的粗糙度會影響摩擦副的最小油膜厚度；過高的粗糙度凸峰會與密封件表面進(jìn)行干摩擦，微觀的犁溝和切削作用比較明顯。兩者都會對密封件有一定程度的磨損。即使砂帶能使密封面達(dá)到更好的粗糙度Ra，液壓油缸中的表面粗糙度只需要加工到與密封系統(tǒng)相應(yīng)的要求即可。

（2） 密封表面的粗糙度Ra、形狀位置精度Rmr都應(yīng)該有一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?，只有這樣才能確保液壓密封件的使用壽命。即使在同等粗糙度的情況下，拋光布輪+拋光膏的組合比單純的拋光砂帶加工出來的Rmr值大得多。因此，一般情況下都要安排傳統(tǒng)工藝最后一步使用，拋光布輪+拋光膏的組合減少金屬表面的波峰或者凸體，使得相同Ra狀態(tài)下，Rmr增加，減低犁溝效應(yīng)，從而降低磨損。即砂帶與布輪拋光都能達(dá)到要求的密封面粗糙度Ra，但砂帶仍無法取代布輪拋光這項(xiàng)工序。

3 油缸密封表面加工工藝

3.1 砂輪磨削

傳統(tǒng)的砂輪磨削工藝無振蕩砂輪的工作，遵循一定的運(yùn)動(dòng)軌跡，只有部分砂粒同工件接觸，從而使這部分的砂粒承受磨削負(fù)載， 故磨損速度快。要得到較好的粗糙度，需要不停地修砂輪，最后影響加工時(shí)間，影響工件的加工質(zhì)量。砂輪內(nèi)圓磨削模擬圖如圖4所示。

3.2 砂帶拋光

讓砂帶穩(wěn)定高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)， 作有規(guī)律的振蕩， 使其磨削負(fù)荷盡可能平均分散給絕大多數(shù)的磨粒， 以達(dá)到磨粒均勻磨損。并可使磨紋網(wǎng)狀化， 提高磨削質(zhì)量，容易達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的粗糙度，提高工作效率。

砂帶的彈性磨削效應(yīng)能夠大大減輕或吸收磨削時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊。磨削速度穩(wěn)定，砂帶驅(qū)動(dòng)輪不會象砂輪一樣越磨直徑越小速度越慢。砂帶拋光工件表面質(zhì)量高主要表現(xiàn)在表面粗糙度值小，殘余應(yīng)力狀態(tài)好，以及表面無微觀裂紋或金相組織變化等現(xiàn)象。

3.3 油缸密封表面的加工工藝路線

3.3.1傳統(tǒng)的工藝路線

傳統(tǒng)的工藝路線如圖5所示。

其主要的工序?yàn)椋?/p>

（1） 用60#砂輪對油缸進(jìn)行粗精磨，其實(shí)際工作時(shí)間為8～10h。粗精磨主要是保證油缸密封表面的尺寸精度及圓柱度。

（2） 再用拋光布輪+拋光膏的組合對用砂輪加工過的油缸密封表面進(jìn)行拋光至Ra=0.2μm、Rmr為50%～70%。該工序的實(shí)際工作時(shí)間為24～32h。

3.3.2目前的工藝路線

目前采用的工藝路線如圖6所示。

其主要的工序?yàn)椋?/p>

（1） 用60#砂輪對油缸進(jìn)行粗磨，其實(shí)際工作時(shí)間為3～4h，注意保證油缸密封表面的尺寸精度及圓柱度。

（2） 再用拋光砂帶機(jī)以60#的砂帶對用砂輪磨削后的油缸密封表面進(jìn)行拋光。此時(shí)，Ra=0.26～0.35μm、Rmr為15%～25%，微觀圖如圖7所示。該工序?qū)嶋H工作時(shí)間為3～4h。

（3） 再用拋光布輪+拋光膏的組合，對砂帶拋光過的油缸密封表面再進(jìn)行拋光。此時(shí)，Ra=0.15～0.2μm、Rmr為50%～70%，微觀圖如圖8所示。該工序?qū)嶋H工作時(shí)間為5～6h。

筆者公司實(shí)測砂帶拋光過的油缸密封表面再進(jìn)行拋光結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

砂帶機(jī)經(jīng)調(diào)試后投入生產(chǎn)線，使用后得出如下結(jié)論：

（1） 其質(zhì)量可靠、效率高。在實(shí)際加工過程中，加入使用拋光砂帶后，工作時(shí)間減少三分之二。

（2） 砂帶磨削非常安全、噪音和粉塵小，且易于控制，環(huán)境效益好。

（3） 拋光后Rmr過低，不能滿足使用要求，因此仍需要布輪拋光做保證。通過對砂帶拋光工藝、布輪拋光工藝深入分析以及優(yōu)化。通過一年多時(shí)間的使用，發(fā)現(xiàn)對于油缸內(nèi)壁的磨損現(xiàn)象大大降低，目前基本沒有發(fā)現(xiàn)因表面質(zhì)量問題而導(dǎo)致油缸磨損的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] F. P. Bowden， D. Tabor. The Friction and Lubrication of Solid [M]. Oxford： Clarendon Press， 1954.

[2] 張延良，周軍，鄧建新等.偶件表面粗糙度對PTFE密封材料摩擦磨損性能的影響[J].潤滑與密封，2011，69（6）：4.

[3] 代漢達(dá)，曲建俊.水潤滑下偶件表面粗糙度對PTFE復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[J].潤滑與密封，2009，34（2）：8-10.

[4] 汪一麟等譯.摩擦磨損計(jì)算原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[5] 蔡光起等譯.磨削技術(shù)理論與應(yīng)用[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2002.8.