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(nèi)高壓，根據(jù)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(jìn)行增壓，因為壓力不變,當(dāng)受壓面積由大變小時,則壓強(qiáng)也會隨受壓面積大小不同而變化,從而達(dá)到將壓力提高到數(shù)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(shù)。如圖1 所示。

圖1 增壓缸

低壓腔（A 腔）液體介質(zhì)為液壓油，高壓腔（B 腔）液體介質(zhì)為乳化液，最高設(shè)計壓力可達(dá)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(nèi)置高精度磁致伸縮數(shù)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(xiàn)壓力伺服控制。補(bǔ)液端來自于水壓系統(tǒng)，內(nèi)置高性能單向閥，保證充液成形壓力和補(bǔ)液回路的有效隔離。

高壓缸體是增壓缸設(shè)計制造的難點之一。B 腔（高壓腔）可達(dá)到400MPa 的壓力，要求增壓缸的高壓缸體必須有較高的強(qiáng)度。高壓缸體由三層缸體組合而成，外層采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理來提高整體力學(xué)性能，中間層采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，并經(jīng)淬火處理來提高腔體強(qiáng)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(yù)應(yīng)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(dá)到密封要求，硬鋁套與內(nèi)腔采用過盈配合。如圖2 所示。采用三層通孔缸結(jié)構(gòu)，降低了材料的應(yīng)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(jìn)行組配，根據(jù)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(nèi)層缸冷裝組合。

1 熱裝

1.1 熱裝前準(zhǔn)備工作

首先分別把外缸及內(nèi)缸進(jìn)行初加工。外缸內(nèi)孔及外圓均加工到尺寸，兩端留精加工余量；內(nèi)缸經(jīng)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(dāng)精加工余量，以調(diào)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(nèi)孔及兩端均留精加工余量（外層缸及內(nèi)缸等高）。加工完成后，清理干凈外層缸及內(nèi)缸配合表面，復(fù)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(jù)外層缸材料的性質(zhì)，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(shù)，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(shù)表

1.3 加熱時間和保溫時間

零件的加熱時間與零件的結(jié)構(gòu)、壁厚、材質(zhì)，加熱方法有關(guān)，一般可按零件的壁厚考慮，經(jīng)驗數(shù)據(jù)是每厚10mm 需15min 的加熱時間。

保溫與壁厚有關(guān)，經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(jù)零件外形，可采用電感應(yīng)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(yīng)加熱成本較高，而煤氣爐加熱、油箱中加熱無設(shè)備及相關(guān)經(jīng)驗，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)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(jìn)爐加熱，零件加熱過程中，必須嚴(yán)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(jīng)雙重檢測，以保證熱膨脹量達(dá)到要求值。首先，用測溫槍測出工件溫度，檢測是否達(dá)到要求的加熱溫度，然后再用熱裝樣板測量孔的脹量。當(dāng)樣板能順利通過時，才能進(jìn)行熱裝。否則要延長加熱時間，直到膨脹量達(dá)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(dá)到要求后要立即進(jìn)行熱裝，熱裝操作者應(yīng)穿戴好防護(hù)用具，動作要快而準(zhǔn)確，一次裝到底，中途不得停留，如發(fā)生故障，不許強(qiáng)迫裝入，排除后再熱裝，熱裝前最好進(jìn)行一次預(yù)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(fēng)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(zhǔn)備工作

把鋁套進(jìn)行初加工，鋁套內(nèi)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(jīng)熱裝好的缸組件配合表面，復(fù)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(shù)，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(shù)

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

（3）液態(tài)氮，能將零件冷至零下195℃，用它做冷卻劑較液態(tài)氨穩(wěn)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(yīng)設(shè)備及操作經(jīng)驗。

（4）液態(tài)氧，能將零件冷至零下180℃，略低于液氮，能助燃不能自燃。

根據(jù)步驟2 計算所得溫度值，結(jié)合各冷卻劑的特性及公司現(xiàn)有設(shè)備，選用液氮為生產(chǎn)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(guān)的綜合系數(shù)，見表3；δ 為零件最大冷卻壁厚，mm。

表3 材料有關(guān)的α 綜合系數(shù)

2.4 冷卻后的組裝

冷裝操作者應(yīng)穿戴好防護(hù)用具，將液態(tài)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(guān)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(chǎn)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(jié)

增壓缸的制造難點就在增壓缸的高壓腔三層通孔缸結(jié)構(gòu)的零件加工和組裝上，在制造過程中不僅要嚴(yán)格控制零件的外形尺寸，還要控制各零件的整體強(qiáng)度指標(biāo)，否者將無發(fā)滿足耐受高壓的設(shè)計要求；在組裝過程中要嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)對高壓腔進(jìn)行滿負(fù)載試壓。