液壓缸的結(jié)構(gòu)及機(jī)械加工工藝分析

李宏琳

摘 要：建筑工程項(xiàng)目的增多，促使工程機(jī)械迅速增大使用量。液壓缸承受軸向荷載和徑向壓力，以較高的加工精度滿足工程機(jī)械生產(chǎn)要求。所以，細(xì)致分析液壓缸結(jié)構(gòu)，是提高零部件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的必要方法，采取更為合理的工藝生產(chǎn)路線。本文主要分析了液壓缸的工作原理和機(jī)械加工工藝、液壓缸零件結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度的影響、加工工序確定、影響加工質(zhì)量分析及解決辦法，以及液壓系統(tǒng)故障機(jī)理和故障排除對策六大部分，希望能夠?yàn)樘嵘簤焊渍＿\(yùn)轉(zhuǎn)和加工工藝優(yōu)化提供借鑒。

關(guān)鍵詞：液壓缸 結(jié)構(gòu) 機(jī)械加工 工藝 故障

Abstract：The increase in construction projects has led to the rapid increase in the use of construction machinery. The hydraulic cylinder bears axial load and radial pressure to meet the production requirements of construction machinery with high machining accuracy. Therefore， careful analysis of the hydraulic cylinder structure is a necessary method to improve the quality and production efficiency of parts processing， and adopt a more reasonable process production route. This paper mainly analyzes the working principle and machining technology of hydraulic cylinder， the influence of hydraulic cylinder parts structure and strength， the determination of processing process， the analysis and solution of affecting processing quality， and the failure mechanism and troubleshooting countermeasures of hydraulic system， hoping to provide reference for improving the normal operation of hydraulic cylinder and optimization of processing technology.

Key words：hydraulic cylinder， structure， machining， process， failure

液壓缸在工程機(jī)械方面應(yīng)用廣泛，主要用于復(fù)雜工況下徑向、軸向壓力的承載，具體因不同的工作場合而承受不同壓力。性能穩(wěn)定、漏油合理，是液壓缸質(zhì)量安全的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)惡劣的工程機(jī)械環(huán)境。全面提升液壓缸設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)能力。

1 液壓缸概況

1.1 工作原理

液壓缸，是轉(zhuǎn)化液壓能為機(jī)械能的執(zhí)行裝置，方便人們的使用，以直線的往復(fù)或擺動兩種運(yùn)動方式來轉(zhuǎn)化能量，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的基本特點(diǎn)。一般情況下，往復(fù)運(yùn)動可以省去減速裝置的使用，能夠平穩(wěn)運(yùn)動、無傳動間隙。因此，適用于多類型機(jī)械的液壓系統(tǒng)。

1.2 機(jī)械加工工藝

液壓缸的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)重在零部件加工精度，確保尺寸精度、表面粗糙度符合高標(biāo)準(zhǔn)要求。液壓缸以缸體為主要構(gòu)件，是在缸管焊接接頭、法蘭盤后形成。

2 液壓缸零件結(jié)構(gòu)

液壓缸的零件有活塞、缸體、端蓋、活塞桿等，因工藝參數(shù)、加工精度影響液壓缸性能。而完成零部件裝配后的剛度、強(qiáng)度、協(xié)作穩(wěn)定性，都是液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、壽命的決定因素。

一是缸體直徑。液壓缸以缸體為主要構(gòu)成，以結(jié)構(gòu)尺寸決定液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、體積、強(qiáng)度、剛度等性能參數(shù)。工程機(jī)械中選用的液壓缸，缸體為70mm內(nèi)徑，取7級的尺寸精度，將內(nèi)控表面粗糙度限定在0.32um以內(nèi)，以0.01mm的同軸度公差控制漏油程度。缸體的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定液壓缸性能的可靠性，需要預(yù)先將參數(shù)設(shè)計(jì)完善化。

二是缸體壁厚。缸體體壁有厚、薄之分。一般情況下，壁厚、缸體內(nèi)徑的比率小于0.1時，為薄壁缸體；反之，為厚壁缸體。而安全系數(shù)、材料抗拉強(qiáng)度，都是缸體壁厚計(jì)算過程中的影響因素。

三是缸底厚度。缸體底部是壓力的主要承受部位，更加需要嚴(yán)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使液壓系統(tǒng)壓力和大氣壓的雙重作用下，底部厚度能夠完全承載，避免引起安全事故。缸體底部厚度要綜合內(nèi)徑、壓強(qiáng)、許用壓力等因素后確定。

四是活塞桿直徑?；钊麠U外圓一般配合缸體內(nèi)部，隨導(dǎo)向裝置滑動，常因過大、過小的直徑而引發(fā)漏油、機(jī)械鎖死、缸體劃傷等故障?；钊?、缸體內(nèi)壁速度都是活塞桿直徑的決定因素，以深入對比往返速度的方式，確定活塞直徑的最佳值。

五是導(dǎo)向裝置長度?；钊麠U能夠完整地運(yùn)動于導(dǎo)向裝置內(nèi)，必須確保導(dǎo)向裝置的長度精確，過長、過短都是故障形成的直接原因，喪失了導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向作用；在導(dǎo)向裝置過長時，液壓缸缸體內(nèi)部需要加大面積，而過短時，活塞桿行程也會壓縮。所以，液壓缸運(yùn)轉(zhuǎn)正常，首先需要充分發(fā)揮導(dǎo)向裝置的功能作用，控制好導(dǎo)向裝置的長度。

3 液壓缸結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度的影響

液壓系統(tǒng)以液壓缸作為動力傳遞的重要元件，因不同的工作環(huán)境而設(shè)計(jì)出不同的種類、規(guī)格。但是，強(qiáng)度、剛度兩項(xiàng)性能參數(shù)是衡量液壓缸質(zhì)量的基本標(biāo)準(zhǔn)。液壓缸適用于工程機(jī)械方面，要求鋼體結(jié)構(gòu)必須保持較高的拉力、壓力承載能力，使缸體的安全可靠性明顯提升，需要在零件設(shè)計(jì)階段逐一校核強(qiáng)度、剛度是否達(dá)標(biāo)。

一是校核活塞桿直徑?；钊麠U在大荷載壓力下，有規(guī)律的往返運(yùn)動于液壓缸內(nèi)，一般需要同時承受推力、拉力、扭矩三方面作用?；钊麠U的不均勻荷載分布狀況，更加嚴(yán)格了剛度的標(biāo)準(zhǔn)化要求。

二是校核缸體壁厚。液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要承受幾十兆帕至幾百兆帕的強(qiáng)大壓力，只有保障缸體厚度，才能確保液壓系統(tǒng)在壓力作用下不會發(fā)生變形、裂開等問題。

三是校核液壓缸穩(wěn)定性?；钊麠U的功能作用，決定了該部件的穩(wěn)定性，是校核液壓缸穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；钊麠U的細(xì)長比必須高于臨界值，才能保持穩(wěn)定。

4 液壓缸加工工序確定

液壓缸的加工難度大，自身重力、外界切削力都會影響到加工質(zhì)量，出現(xiàn)工件變形問題。液壓缸加工設(shè)置了嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但直線度、垂直度、圓柱度卻很難保障，為了更好地控制加工精度，必須嚴(yán)格機(jī)械加工工序流程的設(shè)計(jì)，從工作量、生產(chǎn)效率兩方面加強(qiáng)控制。

4.1 確定加工方案

液壓缸生產(chǎn)中，無縫鋼管的使用廣泛，同時造成了較大的廢品率，是由加工過程中直線度、內(nèi)控圓柱度的控制力低直接決定的。因此，無縫鋼管符合冷軋、精密要求，是材料選擇時的基本標(biāo)準(zhǔn)，以便用于毛坯時，保障加工質(zhì)量。

4.2 確定主要工序

一是利用砂磨輪處理磨端面，確保斷面平整，使后續(xù)加工、安裝位置都能保持一定的精度。二是將磨內(nèi)孔作為輔助支撐的重要部件，以防控變形問題，使直線度、圓柱度等參數(shù)具有較高的加工精度；對磨內(nèi)孔加入珩磨內(nèi)孔流程，使內(nèi)孔具備一定粗糙度，確保加工精度符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以軸線、端面為參照，完成后續(xù)加工。

5 影響加工質(zhì)量分析及解決辦法

下文就鏜孔至滾壓內(nèi)孔加工流程的可能性故障進(jìn)行分析。深孔鉆鏜床是粗鏜、精鏜、滾壓、半精鏜的加工設(shè)備。

機(jī)械加工過程中會有大量切削熱形成，使切削的排除更為便利，對刀塊、導(dǎo)向塊產(chǎn)生潤滑作用，鏜刀桿和鏜刀體內(nèi)的通孔是主要的流出渠道，以此來冷卻刀頭，引導(dǎo)切屑順利沖出未加工表面。C形屑是較為容易排除的一種切屑種類。

5.1 粗鏜、半精鏜

鏜孔徑向力F的有效控制，需要選擇所用硬質(zhì)合金鏜刀為75。主偏角的規(guī)格，以便于加快切削速度、加大切削深度，保障切削質(zhì)量；長缸筒的鏜削孔徑小，代表鏜桿細(xì)、剛度低，相應(yīng)的切削用量必須加強(qiáng)控制。粗鏜的規(guī)格為Ф59mm內(nèi)孔、150r/min轉(zhuǎn)速、25.5mm/min進(jìn)給量、1.5mm背吃刀量時，使用自制鏜頭更為適宜；半精鏜的規(guī)格為Ф62.5mm內(nèi)孔、150r/min轉(zhuǎn)速、25.5mm/min進(jìn)給量、0.75mm背吃刀量時，使用自制鏜頭更為適宜。

5.2 缸筒壁厚不均勻的成因和對策

半精鏜加工，要以工藝要求選擇刀體尺寸，在導(dǎo)向塊、內(nèi)孔之間存在0.10mm的間隙距離時，鏜削條件具備。但是在鏜削剛度小的情況下，切削抗力的反作用會造成刀具的微量位移。蹚出內(nèi)孔受到鏜頭導(dǎo)向塊控制，保持較為精確的內(nèi)孔尺寸，但是中心線往往偏離入口處0.10mm，壁厚也會因此縮減0.20mm。鏜完工件為1180mm的長度，會增大壁厚差指1.14mm。半精鏜、精鏜存在0.50mm的加工余量，造成精鏜后的中心線偏斜很難修正，成為缸體壁厚不均勻的直接原因。所以，保持導(dǎo)向套、刀體導(dǎo)向塊之間存在大約0.02mm的間隙，是避免刀具發(fā)生位移的必要條件，以較好地控制缸體壁厚的均勻度。

5.3 浮動鏜

按照圖樣設(shè)計(jì)規(guī)范滾壓后缸體精度，是確保內(nèi)孔尺寸、表面粗糙度的必要條件，通過對半精鏜結(jié)合二次浮動精鏜的方式，保障內(nèi)孔質(zhì)量?？烧{(diào)式浮動鏜刀是此時可用的主要鏜刀類型。為了保障鏜削能夠充分發(fā)揮擠壓作用，鏜刀的參數(shù)必須規(guī)范，如刀頭導(dǎo)向角為1°30'～2°、修光刃平直、4°～6°后角，以便于控制內(nèi)孔表面保持在Ral.6μm的粗糙度、IT7級精度。

一般情況下，工件因鏜刀塊浮動而處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，要求刀塊的導(dǎo)向性、自動對中性達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。鏜刀頭結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)向塊采用尼龍材料，具備一定彈性，能夠防范已加工表面受到擦傷，使導(dǎo)向作用符合加工需要。導(dǎo)向塊的尺寸要略大于鏜刀塊，使精鏜在自動運(yùn)轉(zhuǎn)中，逐漸磨去過盈量，確保導(dǎo)向精度更為精準(zhǔn)。

試驗(yàn)法應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，效果良好。這就需要浮動精鏜在第一次試驗(yàn)中，將加工工藝控制為30r/min轉(zhuǎn)速、15mm/min進(jìn)給量、0.2mm切削深度，以此制造出Ф63±0.01mm的內(nèi)孔；第二次試驗(yàn)中，精鏜的加工工藝為30r/min轉(zhuǎn)速、7.5mm/min進(jìn)給量、0.05mm切削深度，以此制造出Ф63±0.05+0.03mm的內(nèi)孔。實(shí)踐表明，此時的切削用量符合后續(xù)滾壓加工工序的質(zhì)量要求。

5.4 滾壓

滾壓加工采取太大的進(jìn)給量，滾壓密度偏小，造成滾壓之后，內(nèi)孔表面凹凸不平，波度現(xiàn)象由此形成。缸體內(nèi)孔光滑度的提升，需要控制第一次試驗(yàn)中的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，具體為70r/min轉(zhuǎn)速、15mm/min進(jìn)給量。第二次試驗(yàn)中，降低進(jìn)給量至7.5mm/min，以滿足缸體內(nèi)孔在技術(shù)工藝方面的表面粗糙度，以此來增大單位時間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的滾壓次數(shù)，由此增大滾壓密度，使波度現(xiàn)象得到有效控制，有利于內(nèi)孔表面質(zhì)量的提升。滾壓加工，是利用球形滾柱前端R形角強(qiáng)行壓入工件表面，促使工件表層在此作用下塑性變形。滾壓過程中具有一定的潤滑、冷卻效果，相似于精鏜。

6 液壓系統(tǒng)的故障機(jī)理和故障排除對策

6.1 系統(tǒng)故障機(jī)理

6.1.1 液壓沖擊

液壓系統(tǒng)的啟動、關(guān)閉、換向運(yùn)轉(zhuǎn)三種不同的運(yùn)行狀態(tài)，都會在慣性作用下，系統(tǒng)中的各個運(yùn)動元件和油液迅速增大所承受的壓力，使液壓沖擊力大大提升?？傮w上，液壓系統(tǒng)的整體壓力會普遍高于常壓3倍，運(yùn)行噪音明顯增大，系統(tǒng)的振動程度劇烈，引起液壓系統(tǒng)內(nèi)各個部件都不同程度地遭受損傷，出現(xiàn)管路破裂、元件松動、系統(tǒng)癱瘓等重大故障，成為安全事故形成的直接原因。

6.1.2 油溫過高

液壓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要油液的充分潤滑和輔助。但是系統(tǒng)的長期運(yùn)轉(zhuǎn)會伴有油溫過高現(xiàn)象，并且在超出系統(tǒng)內(nèi)散熱器可承受的范圍后，液壓系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效果很難保障，負(fù)荷承載力增大，在特殊條件下，引發(fā)爆炸。

6.1.3 噪音過大

液壓系統(tǒng)裝備落后，造成運(yùn)轉(zhuǎn)過程伴有巨大噪聲，長此以往，支撐系統(tǒng)運(yùn)行的各個元件會不同程度地?fù)p壞，使技術(shù)人員在操作過程中承受很大的聽力噪音。而且，液壓沖擊、氣穴、氣蝕現(xiàn)象，都是液壓系統(tǒng)噪聲過大的誘因。

6.1.4 元件卡緊

元件卡緊，是活塞、油泵柱塞和行走溢流閥、速度切換電磁閥、平衡閥、潤滑閥等閥芯在慣性、吸附力作用和液壓的不平衡狀態(tài)下，一旦發(fā)生零部件卡緊或移動難問題，系統(tǒng)的運(yùn)行故障發(fā)生幾率很大。

6.1.5 元件爬行

元件爬行，是在液壓系統(tǒng)的不均勻運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的故障，會對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接造成影響。液壓系統(tǒng)的元件爬行現(xiàn)象，是系統(tǒng)需要很好的保障潤滑效果，或氣體雜質(zhì)進(jìn)入液壓泵的情況下，液壓系統(tǒng)供油量不持續(xù)、不均勻而形成的執(zhí)行元件過卡、系統(tǒng)密封性不佳問題。

6.1.6 液壓系統(tǒng)泄露

液壓系統(tǒng)泄露通過兩方面表現(xiàn)出來。一是元件松動、管路破裂；二是油液泄露，也就是俗稱的漏油。其中，元件松動是在元件固定效果不佳、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)情況下出現(xiàn)的；油液泄露，是液壓系統(tǒng)不能保持儲油的良好密封性能時形成。

6.1.7 氣穴和氣蝕

液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中，油水分離在明顯高于油液所承受的壓力時，氣穴現(xiàn)象由此形成，成為系統(tǒng)不能持續(xù)、穩(wěn)定、均勻供油的直接原因，使液壓系統(tǒng)的噪音故障、沖擊作用更為突出，嚴(yán)重?fù)p害到系統(tǒng)中的元件質(zhì)量。氣蝕問題是在油水分離壓力作用下，液壓系統(tǒng)遭受巨大沖擊、腐蝕而形成的異常故障。

6.2 故障排除對策

6.2.1 減緩液壓沖擊

液壓沖擊過程中會伴有很大噪音和巨大的震動頻率，在元部件受損、管路破裂、液壓系統(tǒng)整體癱瘓的情況下，不安全因素形成。所以，減緩液壓沖擊、配合安裝蓄能器、優(yōu)化行走溢流閥性能，是電磁閥準(zhǔn)確調(diào)整切換速度的必要條件，使緩沖裝置安裝于油缸后，安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

6.2.2 控制油溫

控制油溫，需要借助信號式溫度計(jì)，作為實(shí)時監(jiān)測油液溫度的主要設(shè)備，注重油溫條件巨大變化時監(jiān)控功能的發(fā)揮，增強(qiáng)安全風(fēng)險的防控力。同時，擴(kuò)大油箱容積，以滿足油箱油量的變化需求，便于油位計(jì)監(jiān)測油箱的油位變化。油位的正常數(shù)值為+20O，一般在超標(biāo)情況下放油，過低時需要添加油量。

6.2.3 降低噪聲污染

在液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中控制噪聲污染，需要首先對液壓沖擊、氣穴、氣蝕一系列異常故障具有良好的應(yīng)對方法。同時優(yōu)化液壓系統(tǒng)的質(zhì)量和性能，通過安裝消聲器的方式，降低噪音污染，確保液壓系統(tǒng)處于安全、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，保障系統(tǒng)使用壽命。

6.2.4 防止系統(tǒng)泄露

防止液壓系統(tǒng)泄露，需要首先核查各個組成元件是否松動、管道是否破裂。在發(fā)現(xiàn)元件松動時，立即加固處理。而零件組裝正確、質(zhì)量達(dá)標(biāo)和管道的裂紋修補(bǔ)，是必要的質(zhì)量控制措施。液壓系統(tǒng)漏油問題的安全風(fēng)險較大，需要準(zhǔn)確分析漏油成因、制定針對性的解決方案。一是焊接處漏油，通常需要借助金屬工具、高分子復(fù)合材料來增強(qiáng)漏油點(diǎn)的封閉性。二是密封件漏油，耐油橡膠棒、橡膠墊都是常用來密封油箱蓋和箱沿的材料，再結(jié)合福世藍(lán)材料、金屬殼體起到良好的粘接作用。三是法蘭連接處漏油，密封法蘭表面、加固螺栓松動，都是順利完成安裝工藝的必要準(zhǔn)備。四是螺栓、管子螺紋一旦發(fā)生漏油，高分子復(fù)合材料密封螺栓，取出螺母與福世藍(lán)脫模劑涂抹的結(jié)合都是較好的處理方式，并且做好穩(wěn)固狀態(tài)的核查。五是散熱器漏油，必須在散熱器平板閥門關(guān)閉的狀態(tài)下，使散熱器、油箱相互間隔，以漏油部位表面的充分清理為前提，充分涂抹福世藍(lán)材料。保持液壓系統(tǒng)清潔，油箱狀態(tài)完整，是液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，定期核查油箱是否有破損、裂紋，以便于及時維修或調(diào)配。

7 結(jié)語

液壓缸是由缸體、活塞桿、活塞幾大部件構(gòu)成，通過控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，使各零部件的工藝參數(shù)、加工精度符合客觀需要，以便于加工流程的順利推進(jìn)，保障產(chǎn)品質(zhì)量。液壓缸的零部件校核，是確保其力學(xué)性能、工作可靠性達(dá)標(biāo)的重要方式，保障液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、工作壽命，全面提升液壓缸的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝水平。

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