精密活塞桿加工制作工藝研究

杭文偉

（江蘇新合益機械有限公司，無錫 214156）

活塞桿通常用于工程液壓、機械氣動等結(jié)構(gòu)。作為執(zhí)行反復(fù)動作的重要連接部件，活塞桿需要具備較強的交變載荷承載能力。因此，活塞桿的制作加工質(zhì)量和加工精度會影響其使用性能?；钊麠U的加工制作工藝的影響因素較多，主要包括刀具角度、裝夾定位及切削參數(shù)等[1]。

1 活塞加工工藝的研究意義

活塞是柴油發(fā)動機最重要的部件之一。因為高溫和高壓下承受重復(fù)的交替載荷，它被稱為內(nèi)燃機的核心。它的工作狀況與提高高速柴油機燃油效率和耐久性直接相關(guān)，并直接影響內(nèi)燃機的排放性能。活塞的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境非常復(fù)雜。工作狀態(tài)下，它受高壓氣體壓力、慣性力、橫向壓力和高速往復(fù)運動引起的摩擦等周期性載荷的影響，存在機械應(yīng)力和機械變形。高壓氣體燃燒產(chǎn)生的高溫使活塞頂部甚至整個活塞都很高，而不均勻的溫度分布導(dǎo)致活塞存在熱應(yīng)力和熱變形。熱載荷和機械載荷耦合將導(dǎo)致活塞裂紋、活塞環(huán)固井和鋼瓶拉動，因此活塞設(shè)計在內(nèi)燃機設(shè)計中至關(guān)重要。

2 精密活塞桿

活塞桿主要是用于引導(dǎo)油缸或者氣缸中的活塞做反復(fù)直線運動的重要連接部件，是油缸、氣缸執(zhí)行運動的關(guān)鍵受力零件?；钊麠U通常采用不銹鋼材或高碳鋼材制作。鋼材表面一般會通過鍍鉻方式進(jìn)行處理，避免鋼材出現(xiàn)腐蝕、生銹的問題，如圖1所示?；钊麠U具有桿身較長、桿徑較細(xì)的結(jié)構(gòu)，同時機械強度和剛度較強?；钊麠U極易受到加工工藝的影響，如出現(xiàn)活塞桿存儲不當(dāng)或者加工過程中溫度太高等情況，都可能會使活塞桿發(fā)生變形或彎曲問題[2]。因此，活塞桿的加工工藝具有較高的制作要求。

圖1 活塞桿（單位：mm）

3 活塞桿加工工藝分析

活塞桿具有中空細(xì)長、一段較粗、一段實心的結(jié)構(gòu)特點。因此，使用鍛造成型或者鑄造成型的制作工藝無法制作出高質(zhì)量的活塞桿。如果通過焊接工藝制作活塞桿，從材料節(jié)約方面考慮，需要對活塞桿進(jìn)行拼接和焊接操作。使用焊接的方式會使活塞桿出現(xiàn)變形，因此制作人員需要預(yù)留充足的加工量，才可以保證制造工藝符合生產(chǎn)需求，且焊接的方式工藝性較差。如果使用變形量較小的活塞桿摩擦焊接，可能會無法保障活塞桿的可靠性和抗拉強度。在活塞桿生產(chǎn)制造中，通常使用棒料直接加工的方式，加工工藝有調(diào)質(zhì)、粗加工、磷化、鋸以及精加工[3]。棒料加工方式存在加工量大、材料使用效率較低的問題，但可以不用額外設(shè)計加工工裝模具，加工工序簡單，適用于對活塞桿的小批量或單件制造生產(chǎn)?；钊麠U生產(chǎn)數(shù)量的增多，也體現(xiàn)出棒料直接進(jìn)行加工制造方式的不經(jīng)濟(jì)性和不合理性。根據(jù)活塞桿的特征，使用擠壓工藝或者鐓鍛工藝的制作方式可以減少制造工藝量，提高鋼材的利用率，且工藝性較好。擠壓制作工藝可以實現(xiàn)活塞桿的大批量生產(chǎn)，同時具有較好的經(jīng)濟(jì)性和工藝性。雙肘桿鐓鍛制作工藝需要選擇較細(xì)的棒材，將棒材的一端鐓粗后進(jìn)行加工，能夠節(jié)省制作材料，減少生產(chǎn)加工工序。

4 活塞桿制作關(guān)鍵工序的相關(guān)要求

活塞桿的制作加工需要嚴(yán)格控制摩擦面與軸之間的同軸度，同時對摩擦面與臺階之間的垂直度有較高要求。在預(yù)熱處理中，活塞桿極易出現(xiàn)變形問題，需要為活塞桿端面穩(wěn)定化和固溶化預(yù)留充足的余量，為活塞桿后續(xù)噴涂的圖紙校準(zhǔn)提供便利。在活塞桿穩(wěn)固化處理后，在進(jìn)行半精加工時，需要注意活塞桿各個部位的彈性，避免出現(xiàn)活塞桿變形的問題。在活塞桿摩擦面半精加工和粗磨加工時，需要預(yù)留充足的距離，避免在活塞桿噴涂后錐面與環(huán)槽位置過硬，需要對其進(jìn)行預(yù)加工后再開展噴涂工作。

5 雙肘桿鐓鍛工藝

5.1 雙肘桿鐓鍛裝置和工作原理

雙肘桿鐓鍛制作工藝是利用雙肘桿機構(gòu)，將制作壓力機產(chǎn)生的垂直壓力變成水平鐓鍛力。在使用鐓鍛制作活塞桿時，肘桿傾角的度數(shù)減小，會使水平鐓鍛產(chǎn)生的壓力增大。當(dāng)鐓鍛處于終點位置時，產(chǎn)生的壓力達(dá)到最大值。雙肘桿鐓鍛制作工藝適用于中間帶或頭部帶長軸類法蘭鍛件[4]。雙肘桿鐓鍛裝置如圖2所示。

5.2 模具設(shè)計

活塞桿模具有垂直和水平兩種分模線方向。在充分考慮活塞桿鍛件種類豐富性和模具經(jīng)濟(jì)性后，根據(jù)精密活塞桿的特征和種類，結(jié)合雙肘桿鐓鍛制作裝置的工藝特點，合理設(shè)計活塞桿模具。首先，需要分析活塞桿部件圖，確定活塞桿的種類和樣式；其次，根據(jù)活塞桿的圖紙設(shè)計制作雙肘桿鐓鍛模具，確認(rèn)活塞桿制作工藝；最后，按照活塞桿部件圖紙計算尺寸、變形量，確定成形、聚集工序，如圖3所示。

圖2 雙肘桿鐓鍛裝置

圖3 鐓鍛鍛件圖

參照雙肘桿鐓鍛制作裝置，設(shè)計活塞桿夾持鐓鍛模具。一方面，夾具可以用于雙肘桿鐓鍛制作裝置與活塞桿裝夾；另一方面，活塞桿鐓鍛模具可以設(shè)計成鑲塊的形狀安裝到夾具上。鐓鍛大小、形狀發(fā)生改變時，可以通過更改模具鑲塊簡化操作，同時節(jié)省模具成本。

5.3 鐓鍛工藝分析

鐓鍛工藝加工流程為調(diào)質(zhì)、鐓鍛成形、磷化、鋸、精加工以及粗加工。由于鐓鍛和棒料直接制作加工活塞桿部件流線不同，因此制作的活塞桿在韌度和強度方面都不同。使用棒料直接制作加工活塞桿部件的流線，如圖4所示。使用這種加工工藝極易出現(xiàn)流線切斷問題，降低流線切斷位置活塞桿的韌度和強度。鐓鍛工藝制作活塞桿部件，如圖5所示。使用這種工藝可以確保流線的連續(xù)性，從而保證活塞桿部件的韌度和強度。

圖4 棒料直接加工流線圖

圖5 鐓鍛鍛件流線圖

6 擠壓工藝

6.1 制定擠壓加工工藝方案

根據(jù)精密活塞桿的形狀特點，可以通過擠壓制作工藝切屑少的優(yōu)點，擠壓出外形和深孔?；钊麠U擠壓工藝的毛坯形狀類似于粗加工活塞桿部件的形狀，如圖6所示。通過分析鋼材的形變比、流動性以及加壓工藝的制作要求，需要利用二次擠壓對鋼材進(jìn)行擠壓，再對擠壓成形的鋼材進(jìn)行冷擠壓，以確?；钊麠U的外觀和內(nèi)在質(zhì)量。

圖6 活塞桿擠壓成形圖

6.2 擠壓模具設(shè)計

熱擠壓工序分為兩次擠壓。模具第一次擠壓可以讓鋼材初步成形，以便于第二次的擠壓；第二次擠壓可以讓鋼材基本成形[5]。當(dāng)模具兩次擠壓完成后，需要通過熱擠壓成形。進(jìn)行冷擠壓的主要目的是校正第二次擠壓部件，同時光整活塞桿內(nèi)孔和外形。按照活塞管形狀設(shè)計擠壓制作模具，活塞管第一次擠壓模具如圖7所示，第二次熱擠壓模如圖8所示?；钊麠U冷擠壓模具形狀與第二次擠壓模具形狀類似，活塞管冷擠壓產(chǎn)生的變形量較小，通常用于光整和校正熱擠壓活塞模具。

圖7 第一次熱擠壓膜具

圖8 第二次熱擠壓膜具

7 加工工藝的影響因素

7.1 制作刀具的影響

活塞桿制作刀具主要用于鋼材切削加工。在活塞桿粗加工過程中，鍛件車刀的刀面角度不能超過3°，鍛件輔刀面角度不能超過5°[5]。這樣設(shè)計的原因主要是在粗加工過程中活塞桿切削量較大，在旋轉(zhuǎn)切削時產(chǎn)生的離心作用會出現(xiàn)斷續(xù)的切削問題，極易造成鍛件車刀產(chǎn)生較大的振動使刀具斷裂。合理的設(shè)置刀具角度可以確保刀具的強度，同時可以改善切削過程中的散熱情況，提高制作工藝的效率和強度。

7.2 活塞桿變形影響

由于活塞桿的長度較長，在進(jìn)行活塞桿運輸和吊裝中極易出現(xiàn)形變問題。在活塞桿執(zhí)行動作時產(chǎn)生的離心作用，也會對刀具切除產(chǎn)生影響，出現(xiàn)切除不對稱情況。在使用制作中使用一頂一夾，會使活塞桿切削產(chǎn)生的高溫造成變形問題。此外，在切削中溫度的持續(xù)升高也會導(dǎo)致活塞桿直徑變大，而活塞桿經(jīng)過冷卻后直線度和圓柱度的誤差將會更大。

8 活塞桿加工的主要難點

活塞桿的桿身不僅細(xì)直，而且長度較長。在活塞桿制作中，切削量的程度會影響鍛件的加工精準(zhǔn)程度、切削產(chǎn)生的熱量大小以及切削力度的大小。在活塞桿加工時，切削量較小會使加工時間變長，從而影響鍛件加工效率，同時會對活塞桿的形變度產(chǎn)生影響。控制活塞桿制作加工時的切削量，可以通過鍛件的半精加工和粗加工過程改變徑向切削產(chǎn)生的分力，降低切削溫度。在桿徑較長的活塞桿加工中，需要選擇韌性強度較大的鋼材，使用切削量較小的刀具，通過小切深、多走刀減少產(chǎn)生的振動，從而提高刀具的剛性。

9 結(jié)語

活塞桿是執(zhí)行反復(fù)動作的重要連接部件，需要具備較強的機械強度和抗疲勞強度。因此，活塞的制作加工要求較高，對耐磨性和同軸度的要求也較高?；钊麠U的制作加工質(zhì)量是否優(yōu)良，一定程度上影響著其性能和使用性能?；钊麠U具有桿身細(xì)長的特點，使用棒料直接制作加工方式制作難度大。因此，需要在活塞桿的制作加工中不斷探尋更加經(jīng)濟(jì)和合理的加工工藝。