浅析抛光砂带在油缸精加工中的应用和优化

2013-04-29张沛英李灿文罗露露

佛山陶瓷 2013年7期

张沛英　李灿文　罗露露

摘要：本文简单分析了抛光砂带在液压压砖机油缸密封表面加工中的作用，借助现代摩擦系数公式分析油缸内壁粗糙度对密封材料磨损的原理和机制；不同粗糙度下各个参数设计区间；介绍抛光砂带对液压压砖机油缸密封表面的加工工艺的改进，并对其技术特点进行描述。一年多使用结果表明，加入抛光砂带工序后，达到了预期的目标。

关键词：抛光砂带；精加工；粗糙度；密封表面；磨削

1 前言

笔者公司设计的油缸内壁圆柱度为0.02mm；表面粗糙度Ra为0.2μm。而加工工艺基本是精车后砂轮磨削，最后用布轮与抛光膏进行抛光。后来，为了提高质量和生产效率，引进了砂带抛光工艺。但单纯采用抛光砂带抛光后，发现工作中有部分油缸比较容易产生磨损，密封件也易损坏，造成严重的后果。经过微观结构和现代摩擦系数公式分析，对抛光砂带工艺进行优化，从而达到良好的效果。

2 油缸密封表面的工作状态及设计要求

2.1 油缸的密封表面工作状态

油缸的密封表面工作状态属于滑动摩擦里面润滑状态下的边界摩擦，两摩擦表面间有润滑油存在。由于润滑油与金属表面的吸附作用，因而在金属表面上形成极薄的边界油膜。边界油膜的厚度小于1μm，不足以将两金属表面分隔开。所以，相互运动时，两金属表面微观的高峰部分将互相搓削，这种状态称为边界摩擦。根据Bowden和Tabor[1]的研究可得到边界摩擦模型，其边界摩擦的模型示意图如图1所示。

2.2 油缸密封表面设计要求

油缸密封表面设计要求圆柱度控制在0.02mm、Ra控制在0.2μm。

2.3 粗糙度以及磨损的原理分析

2.3.1油缸密封表面的粗糙度Ra的影响

张延良[2]通过45#圆环的不同粗糙度与PTFE密封材料在油润滑环境下进行磨损性能试验，得出粗糙度最佳值Ra=0.59～0.81μm。代汉达[3]通过45#圆环的不同粗糙度与PTFE密封材料在水润滑环境下进行磨损性能试验，得出粗糙度最佳值Ra=0.082～0.142μm。

在实际工作过程中，油缸密封表面粗糙（如：表面粗糙度值大于3.2μm），密封件就易磨损，并造成液压油的泄漏。然而，非常光滑的密封表面，并不代表其拥有优良的密封性能。当与密封件配合的液压油缸密封表面的粗糙度较高时，油缸密封表面和密封件两表面贴合比较紧密，分子作用较明显。当密封表面的粗糙度过低，密封件会将油缸密封表面的油膜擦去，表面的凸峰会对密封件表面进行切割，微观波峰与密封件表面相对运动，微观的犁沟和切削作用比较明显。此时，密封件的磨损率比较高。

2.3.2 Rmr值的影响

Rmr（c）指轮廓的支承长度率（material ratio of the profile）在给定水平位置c上轮廓的实体材料长度Ml（c）与评定长度的比率。

在国内外，对需零件表面质量要求严格的行业，其技术要求的表面粗糙度参数不但有Ra、Rz等参数，而且有形状位置精度Rmr等参数。图2为汽车发动机缸孔的表面粗糙度参数要求，类似还有汽车发动机缸的曲轴轴颈表面。

抛光砂带机通过选用由粗到精的抛光砂带，能将油缸密封表面抛光到图纸要求。用抛光布轮+抛光膏的组合和抛光砂带都能加工出相同的粗糙度，但用放大镜（180倍、540倍）看油缸密封表面微观细节，其模型如图3所示。能看出两种工艺的效果是不一样的。图3（a）为抛光布轮+抛光膏的组合所达到的表面粗糙度，图3（b）为抛光砂带加工出来的相同表面粗糙度Ra，但辅助参数轮廓的支承长度率Rmr却有所不同。图3（a）的波峰比较平坦，图3（b）的波峰比较尖锐。

2.3.3形状位置精度及磨损机制分析

由于PTFE材料和铬钢硬度相差较大，故作用的主要方式应为犁沟效应。犁沟切削的主要媒介为金属表面的波峰或者凸体。即：当r→∞时，相当于理想平面接触；当r越小时，犁沟作用就会明显地表现出来。在一定条件下，r越小，粗糙度越高，即金属的表面质量越差，微凸体具有较小锥角的概率也就越高。因此，当油缸密封表面粗糙度较高时，密封材料表面损伤以犁沟效应为主，导致密封磨损。

2.3.4小结

（1）密封表面并不是越光滑越好，而是有一个适当的范围。过低的粗糙度会影响摩擦副的最小油膜厚度；过高的粗糙度凸峰会与密封件表面进行干摩擦，微观的犁沟和切削作用比较明显。两者都会对密封件有一定程度的磨损。即使砂带能使密封面达到更好的粗糙度Ra，液压油缸中的表面粗糙度只需要加工到与密封系统相应的要求即可。

（2）密封表面的粗糙度Ra、形状位置精度Rmr都应该有一个适当的范围，只有这样才能确保液压密封件的使用寿命。即使在同等粗糙度的情况下，抛光布轮+抛光膏的组合比单纯的抛光砂带加工出来的Rmr值大得多。因此，一般情况下都要安排传统工艺最后一步使用，抛光布轮+抛光膏的组合减少金属表面的波峰或者凸体，使得相同Ra状态下，Rmr增加，减低犁沟效应，从而降低磨损。即砂带与布轮抛光都能达到要求的密封面粗糙度Ra，但砂带仍无法取代布轮抛光这项工序。

3 油缸密封表面加工工艺

3.1 砂轮磨削

传统的砂轮磨削工艺无振荡砂轮的工作，遵循一定的运动轨迹，只有部分砂粒同工件接触，从而使这部分的砂粒承受磨削负载，故磨损速度快。要得到较好的粗糙度，需要不停地修砂轮，最后影响加工时间，影响工件的加工质量。砂轮内圆磨削模拟图如图4所示。

3.2 砂带抛光

让砂带稳定高速旋转的同时，作有规律的振荡，使其磨削负荷尽可能平均分散给绝大多数的磨粒，以达到磨粒均匀磨损。并可使磨纹网状化，提高磨削质量，容易达到一个稳定的粗糙度，提高工作效率。

砂带的弹性磨削效应能够大大减轻或吸收磨削时产生的震动和冲击。磨削速度稳定，砂带驱动轮不会象砂轮一样越磨直径越小速度越慢。砂带抛光工件表面质量高主要表现在表面粗糙度值小，残余应力状态好，以及表面无微观裂纹或金相组织变化等现象。

3.3 油缸密封表面的加工工艺路线

3.3.1传统的工艺路线

传统的工艺路线如图5所示。

其主要的工序为：

（1）用60#砂轮对油缸进行粗精磨，其实际工作时间为8～10h。粗精磨主要是保证油缸密封表面的尺寸精度及圆柱度。

（2）再用抛光布轮+抛光膏的组合对用砂轮加工过的油缸密封表面进行抛光至Ra=0.2μm、Rmr为50%～70%。该工序的实际工作时间为24～32h。