汽車制動泵主缸補償孔反沖法加工研究*

王純賢，朱威風(fēng)，尹建賀，胡勝來，鄭勝華

(1.合肥工業(yè)大學(xué)宣城工程技術(shù)研究院，安徽宣城 242000;2.宣城市建林機械有限公司，安徽宣城 242057)

0 引言

汽車液壓制動泵主缸是車輛液壓制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在車輛制動安全性方面具有非常重要的作用。由于液壓制動系統(tǒng)工作時，每次制動過程中密封皮碗都要經(jīng)過主缸上的補償孔往復(fù)運動，因此補償孔口處的銳邊和加工中存在的毛刺就會損傷該皮碗，造成制動液壓系統(tǒng)液壓油內(nèi)泄和生成物污染，直接影響到車輛制動的工作性能、穩(wěn)定性、平順性和使用壽命，降低了車輛行駛的安全性。國內(nèi)制動主缸大部分使用壽命達(dá)不到要求，主要原因之一就是補償孔的加工工藝無法消除補償孔口處的銳邊和加工中存在的毛刺。為解決這個問題，研發(fā)人員采用了很多方法和手段，但或者效率不高，或者精度不夠，或者成本過高，都難以獲得理想的效果［1］。雖然國外已經(jīng)開發(fā)了一些先進(jìn)的補償孔去毛刺設(shè)備，如德國的熱能去毛刺設(shè)備和美國的磨粒流、電解去毛刺設(shè)備等，但這些設(shè)備不但價格昂貴，而且實際效果不夠理想。針對這個問題，本文提出一種制動泵主缸補償孔反沖法加工工藝，開發(fā)了相應(yīng)的專用數(shù)控設(shè)備和刀具，實驗和實際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能夠有效解決傳統(tǒng)加工工藝所存在的問題，同時提高了生產(chǎn)效率和制動泵的工作性能與使用壽命，降低了汽車使用和維護(hù)成本。

1 制動泵主缸補償孔加工方法分析

1.1 問題分析

汽車制動泵主缸分為單腔式和雙腔式兩種，分別用于單回路和雙回路系統(tǒng)，由于安全原因，目前廣泛使用雙腔式制動主缸［2］。為了調(diào)節(jié)和補償制動腔的制動液，保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地工作，在制動泵主缸的每個主皮碗的前端處通常需要加工一個補償孔，其直徑一般為0.5～0.8mm。補償孔在汽車液壓制動主缸中的作用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是起卸荷作用，可稱回流孔，二是起補償作用，可稱進(jìn)油孔［3］。雙腔式制動泵主缸有兩個制動腔，因此需要加工出兩個補償孔，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制動泵主缸剖面圖

制動時，活塞在制動泵主缸內(nèi)反復(fù)往返運動，帶動主密封皮碗在補償孔區(qū)域往返運動。皮碗與制動主缸內(nèi)孔之間有一定的過盈量，在經(jīng)過補償孔時唇邊會在液壓壓力作用下被擠入補償孔內(nèi)。如果補償孔缸內(nèi)孔口處銳邊較鋒利或有毛刺，就會對皮碗產(chǎn)生切割作用，經(jīng)過一段時間的工作循環(huán)，使皮碗破損失效，主要表現(xiàn)在補償孔一側(cè)的唇口刮破，唇邊有被補償孔銳邊和毛刺刮出的溝槽［4］。皮碗失效會造成制動泵工作性能降低，嚴(yán)重影響到汽車行駛的安全性，因此，在制動泵主缸加工過程中，避免缸內(nèi)補償孔孔口產(chǎn)生銳邊和毛刺是極為重要的。

1.2 傳統(tǒng)加工工藝

圖2為傳統(tǒng)的制動泵主缸補償孔結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)加工工藝通常有兩種方法，一是先高速鉆削好補償孔，再加工出缸體孔，這樣雖然可以基本避免補償孔口內(nèi)翻的毛刺，但補償孔會在缸體孔加工過程中尺寸變小或被切屑堵塞，需要進(jìn)行后續(xù)處理;另外一種方法是在缸體孔加工后，用小臺鉆鉆出補償孔，然后使用硬度適當(dāng)?shù)拿?nèi)翻的毛刺刷鈍，最后用金剛砂紙拋光。實際檢測結(jié)果表明，這兩種工藝都不理想，難以從根本上消除補償孔孔口毛刺，同時，這兩種加工工藝都無法改變補償孔與缸體主孔貫穿處的直角結(jié)構(gòu)，并且存在著加工效率低、成本高、勞動強度大的問題［5］。

1.3 反沖法加工工藝

針對傳統(tǒng)工藝存在的問題，本文提出一種主缸補償孔反沖法加工工藝，通過帶有圓弧角的沖頭由缸體內(nèi)向外頂壓出補償孔，從而避免了孔口銳邊和毛刺。圖3為利用反沖法工藝加工的補償孔，具體方法是，利用制動泵缸體孔加工好后的缸體頭部外圓進(jìn)行主定位，再利用缸體尾部中心孔輔助定位及夾緊，然后從所要加工補償孔位置上方進(jìn)油凸臺孔中鉆出一個工藝孔，工藝孔的鉆孔深度決定了沖頭的沖穿厚度，沖頭裝夾在沖桿上，再在缸體孔中借助沖桿向前快速移動產(chǎn)生的推力使沖頭升高，由內(nèi)向外沖穿缸體預(yù)留的壁厚，形成補償孔，并在補償孔孔口形成一個圓角，從而達(dá)到去除孔口銳邊和毛刺的目的，徹底消除了傳統(tǒng)方法使密封皮碗往復(fù)工作時與補償孔孔口銳邊的摩擦，從而大大減小了皮碗的磨損，有效地提高了制動泵的使用壽命和安全性［6］。

圖2 傳統(tǒng)工藝加工補償孔

圖3 反沖工藝成型的補償孔

2 反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備和刀具

2.1 反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備

根據(jù)制動泵主缸補償孔反沖法工藝要求，所設(shè)計的專用數(shù)控設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由鉆孔動力頭、沖桿外套及沖桿、夾具體、導(dǎo)軌和滑板組成。各部分主要功能為：

(1)鉆孔動力頭：鉆削加工補償孔位置正上方的工藝孔;

(2)沖桿外套及沖桿：沖桿外套用于安裝沖頭，并對沖桿起導(dǎo)向作用。沖桿在沖桿外套內(nèi)滑動，推動沖頭上下運動，完成反沖孔動作，實現(xiàn)對補償孔的反沖法沖壓加工;

(3)夾具體：固定于滑板上，實現(xiàn)待加工主缸工件的定位和夾緊;

(4)導(dǎo)軌和滑板：導(dǎo)軌固定于左、右支撐板中，滑板在導(dǎo)軌上帶動夾具體左右往復(fù)運動。

系統(tǒng)加工工藝實現(xiàn)依賴于各氣缸和電機的動作。將各氣缸閥門和電機的狀態(tài)視為被控變量，利用程序通過中間繼電器與交流接觸器進(jìn)行變量控制。通過對變量進(jìn)行分類，確定輸入點數(shù)16，輸出點數(shù)10，選擇了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、兼容性好、抗干擾能力強、性價比高的某小型PLC，其輸入點數(shù)18，輸出點數(shù)12，多出的輸入/輸出點數(shù)提供了系統(tǒng)今后功能擴展的空間。利用該PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的手動控制和自動控制兩種功能，其中手動控制用于設(shè)備的檢修和調(diào)試，正常工作時采用自動控制功能。圖5是自動控制流程圖，其中動力頭運動位置采用限位開關(guān)檢測控制，氣缸行程位置采用電磁感應(yīng)開關(guān)檢測控制。

2.2 反沖法專用頂?shù)?/h3>

反沖法加工中，為實現(xiàn)缸體內(nèi)補償孔孔口處能被專用頂?shù)俄攭撼龉饣瑘A弧角和無毛刺的目的，需要解決缸體定位、頂?shù)督Y(jié)構(gòu)設(shè)計、頂?shù)对谘a償孔加工位置處向上頂壓后沖頭下降的動作實現(xiàn)問題，因此所設(shè)計的專用頂?shù)督Y(jié)構(gòu)如圖6所示［7］。它主要有沖頭、沖頭座、沖桿和沖桿外套組成，沖頭嵌在沖桿端頭的斜面滑槽上，其根部為圓角。該結(jié)構(gòu)使制動泵主缸實現(xiàn)一次裝夾同時完成補償孔加工和倒圓角兩道工序，而且避免了由于切削加工而產(chǎn)生的毛刺，有效地提高了加工效率和質(zhì)量。

圖5 設(shè)備自動控制流程圖

圖6 反沖法專用頂?shù)?/p>

采用該專用刀具在設(shè)備上加工補償孔時，如果制動主缸有兩個補償孔，只需通過對專用設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)工位的調(diào)整，利用自動控制，就可以實現(xiàn)工件一次裝夾，加工出兩個補償孔。在設(shè)計和制造中，沖桿外套直徑與缸體孔直徑基本尺寸一致，通過控制兩者的裝配間隙，保證裝卸工件時主缸孔內(nèi)表面不會受到損壞。另外，需要改變補償孔的加工直徑時，只需更換相應(yīng)尺寸的沖頭就能滿足加工要求。

3 實驗和實際應(yīng)用對比分析

把用傳統(tǒng)和反沖法兩種工藝加工出的制動泵主缸分成兩組進(jìn)行對比實驗，結(jié)果如表1所示。利用制動泵主缸補償孔檢測儀分別進(jìn)行檢測，觀察到反沖工藝成型的制動主缸補償孔處無銳邊和毛刺［8］。常溫下耐久性試驗中，傳統(tǒng)工藝加工的制動泵工作次數(shù)平均在25.2萬次就失效了，而反沖工藝成型的制動泵工作次數(shù)經(jīng)過25萬次時，仍能正常工作，無泄漏、損壞等異?，F(xiàn)象發(fā)生，工作次數(shù)平均在78.6萬次才失效，壽命比傳統(tǒng)工藝提高了三倍多。

表1 新老工藝加工出的制動泵主缸實驗比較

常溫實驗下經(jīng)過25萬次運轉(zhuǎn)后對制動泵進(jìn)行拆檢，對比皮碗磨損情況，可以肉眼觀察到傳統(tǒng)工藝加工出主缸中的皮碗出現(xiàn)明顯裂口，唇口磨損嚴(yán)重，而使用反沖工藝成型主缸中的皮碗則無裂口，唇口也無明顯磨損。肉眼觀察制動液發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝加工出主缸中的制動液顏色發(fā)黑，表明已經(jīng)發(fā)生液壓油生成物污染，而反沖工藝成型主缸中的制動液顏色正常，未發(fā)生液壓油生成物污染?？梢?，采用缸孔由內(nèi)向外反沖工藝成型后補償孔處不會產(chǎn)生毛刺，圓角結(jié)構(gòu)保證了皮碗和補償孔處的摩擦光滑性，大大提高了密封皮碗的工作壽命，從而提高了制動泵的工作壽命和車輛的整車性能，有效地降低了汽車維護(hù)成本。

在實際生產(chǎn)中，反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備采用高速鉆孔和利用PLC控制氣缸實現(xiàn)工作臺快進(jìn)、快退，加工一件單腔主缸的引孔和補償孔只需8秒，加工一件雙腔主缸引孔和補償孔只需15秒。從表2對比可以看出，在同一班產(chǎn)2100件的情況下，傳統(tǒng)工藝需要31臺設(shè)備，31個操作人員，而新工藝只需8臺設(shè)備，8個操作人員。顯然，新工藝大大減少了設(shè)備和操作人員數(shù)量，提高了工作效率，這在當(dāng)今勞動力成本越來越高的情況下，具有重要的意義。

表2 新老加工工藝生產(chǎn)效率比較

4 結(jié)束語

汽車液壓制動泵主缸補償孔的加工質(zhì)量直接影響到車輛制動的效能、穩(wěn)定性、平順性、使用壽命和維護(hù)成本，在國內(nèi)外都是一項關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的新型反沖法加工工藝，開發(fā)出補償孔反沖法加工專用數(shù)控設(shè)備和刀具，有效地解決了傳統(tǒng)加工方法存在補償孔孔口銳邊和毛刺的問題。該方法及設(shè)備已獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，實際應(yīng)用效果顯著，具有良好的推廣價值，對提高我國汽車制動系統(tǒng)的性能和使用壽命具有重要的意義，對類似小孔加工問題也具有良好的借鑒意義。

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