高壓開關(guān)液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)活塞加工工藝研究

摘 要：高壓開關(guān)用液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)為滅弧室中觸頭的分合閘運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性直接影響到開關(guān)乃至電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。作為專業(yè)制造操動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位，在制造工藝方面進(jìn)行深入摸索、研究和試驗(yàn)，引入多種加工方法，提高零部件的質(zhì)量和效率，文章以機(jī)構(gòu)的核心零件活塞為例，闡述制造工藝保證方法，從而確保整機(jī)的性能。

關(guān)鍵詞：液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)；工藝方法；高壓開關(guān)可靠性

液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電液一體化的精密產(chǎn)品，為高壓開關(guān)提供分合閘動(dòng)力，確保高壓及特高壓線路的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，對(duì)機(jī)構(gòu)的制造和可靠性要求很高，零部件形位公差、表面粗糙度和耐磨性等質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品可靠性影響很大。儲(chǔ)能缸的液壓活塞是為液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供能量轉(zhuǎn)換的重要裝置，在儲(chǔ)能時(shí)，儲(chǔ)能缸內(nèi)的儲(chǔ)能活塞將液壓能轉(zhuǎn)為壓縮彈簧的機(jī)械能；機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，儲(chǔ)能活塞將彈簧儲(chǔ)存的機(jī)械勢(shì)能轉(zhuǎn)換成液壓能，從而驅(qū)動(dòng)工作缸內(nèi)活塞桿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘動(dòng)作。

儲(chǔ)能活塞在儲(chǔ)能缸內(nèi)工作時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與液壓缸的配合面通過密封圈密封，需要承受近百公斤的壓力。因此，液壓活塞表面粗糙度超差，會(huì)磨損液壓缸和密封圈，造成液壓缸的漏油情況，最終造成整個(gè)液壓產(chǎn)品的失效。

圖1 活塞的零件設(shè)計(jì)圖紙

1 設(shè)計(jì)需求-加工工藝關(guān)鍵與重點(diǎn)

根據(jù)機(jī)構(gòu)工作需要，參照?qǐng)D1所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：零件材料為鋁青銅，長158mm，最小外圓Ф45mm，最大外圓Ф65mm，各外圓及槽的相互位置度——同軸度要求在0.02以內(nèi)，其幾個(gè)外圓及外圓槽的最小尺寸公差0.025mm，其徑向跳動(dòng)要小于0.01，圓柱度小于0.005。零件在機(jī)加工的整個(gè)制造過程中，要確保同軸度及尺寸的要求；同時(shí)要保證零件表面粗糙度最小Ra0.4μm的加工要求，從而，最終確保零件的合格率。

該零件加工工藝的關(guān)鍵與重點(diǎn)是在加工過程中要采取合理的工藝措施來保證設(shè)計(jì)要求。其影響的因素有：工序流程、加工方法、設(shè)備、刀具等因素。

2 工藝方案分析

2.1 裝夾方式

對(duì)不同的位置度要求，在生產(chǎn)中應(yīng)采用不同的加工方法。對(duì)同軸度要求的零件，在加工中我們常采用基準(zhǔn)統(tǒng)一或互為基準(zhǔn)的工藝原則。為保證活塞零件形位公差，該零件將采用先粗加工后精加工的工序方案，裝夾時(shí)采用一夾一頂?shù)难b夾方式，以保證其同軸度誤差。

2.2 以車代磨工藝方案的應(yīng)用

2.2.1 經(jīng)過對(duì)零件的反復(fù)分析和研究，其表面粗糙度最小Ra0.4μm，有兩種方案可以解決零件粗糙度問題，一是采用磨床加工，二是以車代磨。

銅合金為在機(jī)加工行業(yè)常用的有色金屬，而有色金屬的塑性和韌性比合金鋼好，但其硬度較低。從切削的角度來說，有色金屬在磨削時(shí)砂輪切削下來的金屬顆粒會(huì)填堵砂輪磨粒間的間隙，起刀具作用的磨粒的前后角尺寸將都不復(fù)存在，從而使磨削不能再進(jìn)行，因此有色金屬的磨削加工從工藝方案上盡量不選擇。根據(jù)該零件的精加工要求及材質(zhì)的特點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)，我們最終選用金剛石刀具在數(shù)控車床上加工。

2.2.2 對(duì)于該零件的幾乎所用外圓同軸度小于0.02mm的加工要求，不但要使加工時(shí)的基準(zhǔn)統(tǒng)一，而且其加工設(shè)備的回轉(zhuǎn)精度也要有相應(yīng)要求。因此，加工機(jī)床的主軸跳動(dòng)要高于被加工零件的精度要求，才能保證零件加工的合格。同時(shí)還要考慮加工設(shè)備的機(jī)床導(dǎo)軌的直線度、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的剛性等原因。而機(jī)床設(shè)備主軸精度所影響的徑向跳動(dòng)也會(huì)造成同軸度超差。在零件試制時(shí)，該零件外圓采用普通數(shù)控車床加工，其表面粗糙度及圓度質(zhì)量總是不穩(wěn)定，不能達(dá)到圖紙要求。經(jīng)過調(diào)研與試驗(yàn)，最終采用哈挺QUEST6-42數(shù)控車床。該精密數(shù)控車床具有良好的抗震性和系統(tǒng)剛性，持久的可靠性與高精度性。其設(shè)備床身采用花崗巖材料，主要用于各種高硬度材料進(jìn)行車、鏜等以車代磨高精度加工，并可獲得高質(zhì)量的加工表面和精度。

3 工藝實(shí)施

在以車代磨工藝確定后，設(shè)計(jì)了活塞的加工方案，其工藝流程為：下料→粗車→熱處理→半精車→精車→入庫。

3.1 為保證活塞各外圓的同軸度，半精加工時(shí)先加工工藝臺(tái)，采用設(shè)計(jì)與加工基準(zhǔn)一致的原則，在精加工時(shí)采取一夾一頂?shù)姆绞郊庸?，零件所有外圓、外槽一次裝夾加工，既增加了零件裝夾夾持的可靠性，又保證了加工面的同軸度。

3.2 熱處理前粗加工要求：根據(jù)擠壓棒料以往的經(jīng)驗(yàn)，由于在材料表面存在有擠壓成形應(yīng)力引起的微裂紋，熱處理的熱冷劇烈會(huì)造成裂紋向深層的擴(kuò)延，最終會(huì)造成整個(gè)零件的報(bào)廢。因此零件在固溶時(shí)效前增加粗加工工序，車去原材料表面的微裂紋，以提高精加工前毛坯的合格率。

3.3 合理選擇切削參數(shù)：在裝夾工藝的方法、加工工序和設(shè)備精度等因素都滿足后，還要考慮加工刀具的選擇。因?yàn)榈毒叩哪p也是影響零件質(zhì)量的因素之一。該零件精加工硬度在HB200～260，金剛石PCD刀具適于此類材質(zhì)的加工。①通過對(duì)不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀等切削用量的改變與統(tǒng)計(jì)，選擇了適于活塞加工的切削速度V、進(jìn)給量f和切削深度ap；②經(jīng)過對(duì)不同主偏角刀片的試驗(yàn)，確定35°轉(zhuǎn)位刀片適于活塞零件的加工；并對(duì)刀片的前角、后角和刀尖圓弧半徑進(jìn)行了確認(rèn)。經(jīng)過切削試驗(yàn)，選定切削參數(shù)為：n=400r/min，ap=0.15mm，f=0.08mm/r。在此切削參數(shù)下，加工出的零件表面粗糙度值達(dá)到Ra0.4？滋m的要求，并且尺寸穩(wěn)定性好。雖然CBN材質(zhì)的刀具價(jià)格較貴，但每個(gè)刀片能加工60～80個(gè)零件，在性價(jià)比上來講還是較為合適的。實(shí)踐證明，我們選用PCD材質(zhì)刀片、使用以車代磨工藝是有效可行的，在一次裝夾下完成了零件的加工，確保了零件的同軸度，滿足了其技術(shù)要求。

4 工藝完善與優(yōu)化

在該零件的批量加工后，裝配試驗(yàn)中出現(xiàn)了幾起泄漏情況，經(jīng)過分析及通過顯微鏡檢測(cè)，活塞零件雖然表面粗糙度值達(dá)到了Ra0.4？m的要求，但是在微觀上零件表面還是存在有車刀紋路，波浪型排列的刀紋像似小銼刀一樣，破壞了缸體上與活塞接觸的密封圈，造成了油液的外漏。第二，提高活塞的表面粗糙度，也是提升公司零件工藝品質(zhì)及管理需要。經(jīng)過研究與多次試驗(yàn)，引進(jìn)了豪克能表面加工工藝。該技術(shù)是近些年引進(jìn)歐洲的一種金屬表面光整加工技術(shù)，其原理是利用金屬在常溫狀態(tài)下具有一定塑性的特點(diǎn)，并借助一種專用設(shè)備使電能轉(zhuǎn)變成頻率高達(dá)30KHz的大能量、振幅極小的機(jī)械能，對(duì)金屬零件的表面進(jìn)行無研磨劑的研磨，將金屬零件表面熨平，使金屬零件表面達(dá)到更理想的表面粗糙度，同時(shí)提高零件表面的顯微硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。

活塞通過豪克能表面加工設(shè)備處理后，使液壓活塞滑動(dòng)工作部位表面粗糙度由Ra 0.4？滋m提升至Ra<0.1？滋m以下，表面顯微硬度提高10%-20%，有效提高了活塞表面粗糙度及耐磨性，從而減少漏油現(xiàn)象，提高液壓機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可靠性?，F(xiàn)完善后的工藝加工流程為：下料→粗車→熱處理→半精車→精車→鏡面加工→入庫。

5 結(jié)束語

在活塞的加工過程中，通過合理的裝夾設(shè)計(jì)、加工刀具、設(shè)備選擇，以及工藝改進(jìn)，保證了液壓活塞的質(zhì)量要求，也形成包括工藝流程、工藝參數(shù)、工藝方法的技術(shù)成果，培養(yǎng)鍛煉自己的技術(shù)骨干和隊(duì)伍，豐富了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。