汽车制动泵主缸补偿孔反冲法加工研究*

王纯贤，朱威风，尹建贺，胡胜来，郑胜华

(1.合肥工业大学宣城工程技术研究院，安徽宣城 242000;2.宣城市建林机械有限公司，安徽宣城 242057)

0 引言

汽车液压制动泵主缸是车辆液压制动系统的关键部件，在车辆制动安全性方面具有非常重要的作用。由于液压制动系统工作时，每次制动过程中密封皮碗都要经过主缸上的补偿孔往复运动，因此补偿孔口处的锐边和加工中存在的毛刺就会损伤该皮碗，造成制动液压系统液压油内泄和生成物污染，直接影响到车辆制动的工作性能、稳定性、平顺性和使用寿命，降低了车辆行驶的安全性。国内制动主缸大部分使用寿命达不到要求，主要原因之一就是补偿孔的加工工艺无法消除补偿孔口处的锐边和加工中存在的毛刺。为解决这个问题，研发人员采用了很多方法和手段，但或者效率不高，或者精度不够，或者成本过高，都难以获得理想的效果［1］。虽然国外已经开发了一些先进的补偿孔去毛刺设备，如德国的热能去毛刺设备和美国的磨粒流、电解去毛刺设备等，但这些设备不但价格昂贵，而且实际效果不够理想。针对这个问题，本文提出一种制动泵主缸补偿孔反冲法加工工艺，开发了相应的专用数控设备和刀具，实验和实际应用结果表明，该方法能够有效解决传统加工工艺所存在的问题，同时提高了生产效率和制动泵的工作性能与使用寿命，降低了汽车使用和维护成本。

1 制动泵主缸补偿孔加工方法分析

1.1 问题分析

汽车制动泵主缸分为单腔式和双腔式两种，分别用于单回路和双回路系统，由于安全原因，目前广泛使用双腔式制动主缸［2］。为了调节和补偿制动腔的制动液，保证系统连续稳定地工作，在制动泵主缸的每个主皮碗的前端处通常需要加工一个补偿孔，其直径一般为0.5～0.8mm。补偿孔在汽车液压制动主缸中的作用主要体现在两个方面，一是起卸荷作用，可称回流孔，二是起补偿作用，可称进油孔［3］。双腔式制动泵主缸有两个制动腔，因此需要加工出两个补偿孔，其典型结构如图1所示。

图1 制动泵主缸剖面图

制动时，活塞在制动泵主缸内反复往返运动，带动主密封皮碗在补偿孔区域往返运动。皮碗与制动主缸内孔之间有一定的过盈量，在经过补偿孔时唇边会在液压压力作用下被挤入补偿孔内。如果补偿孔缸内孔口处锐边较锋利或有毛刺，就会对皮碗产生切割作用，经过一段时间的工作循环，使皮碗破损失效，主要表现在补偿孔一侧的唇口刮破，唇边有被补偿孔锐边和毛刺刮出的沟槽［4］。皮碗失效会造成制动泵工作性能降低，严重影响到汽车行驶的安全性，因此，在制动泵主缸加工过程中，避免缸内补偿孔孔口产生锐边和毛刺是极为重要的。

1.2 传统加工工艺

图2为传统的制动泵主缸补偿孔结构。传统加工工艺通常有两种方法，一是先高速钻削好补偿孔，再加工出缸体孔，这样虽然可以基本避免补偿孔口内翻的毛刺，但补偿孔会在缸体孔加工过程中尺寸变小或被切屑堵塞，需要进行后续处理;另外一种方法是在缸体孔加工后，用小台钻钻出补偿孔，然后使用硬度适当的毛刷将内翻的毛刺刷钝，最后用金刚砂纸抛光。实际检测结果表明，这两种工艺都不理想，难以从根本上消除补偿孔孔口毛刺，同时，这两种加工工艺都无法改变补偿孔与缸体主孔贯穿处的直角结构，并且存在着加工效率低、成本高、劳动强度大的问题［5］。

1.3 反冲法加工工艺

针对传统工艺存在的问题，本文提出一种主缸补偿孔反冲法加工工艺，通过带有圆弧角的冲头由缸体内向外顶压出补偿孔，从而避免了孔口锐边和毛刺。图3为利用反冲法工艺加工的补偿孔，具体方法是，利用制动泵缸体孔加工好后的缸体头部外圆进行主定位，再利用缸体尾部中心孔辅助定位及夹紧，然后从所要加工补偿孔位置上方进油凸台孔中钻出一个工艺孔，工艺孔的钻孔深度决定了冲头的冲穿厚度，冲头装夹在冲杆上，再在缸体孔中借助冲杆向前快速移动产生的推力使冲头升高，由内向外冲穿缸体预留的壁厚，形成补偿孔，并在补偿孔孔口形成一个圆角，从而达到去除孔口锐边和毛刺的目的，彻底消除了传统方法使密封皮碗往复工作时与补偿孔孔口锐边的摩擦，从而大大减小了皮碗的磨损，有效地提高了制动泵的使用寿命和安全性［6］。

图2 传统工艺加工补偿孔

图3 反冲工艺成型的补偿孔

2 反冲法加工专用数控设备和刀具

2.1 反冲法加工专用数控设备

根据制动泵主缸补偿孔反冲法工艺要求，所设计的专用数控设备结构如图4所示，主要由钻孔动力头、冲杆外套及冲杆、夹具体、导轨和滑板组成。各部分主要功能为：

(1)钻孔动力头：钻削加工补偿孔位置正上方的工艺孔;

(2)冲杆外套及冲杆：冲杆外套用于安装冲头，并对冲杆起导向作用。冲杆在冲杆外套内滑动，推动冲头上下运动，完成反冲孔动作，实现对补偿孔的反冲法冲压加工;

(3)夹具体：固定于滑板上，实现待加工主缸工件的定位和夹紧;

(4)导轨和滑板：导轨固定于左、右支撑板中，滑板在导轨上带动夹具体左右往复运动。

系统加工工艺实现依赖于各气缸和电机的动作。将各气缸阀门和电机的状态视为被控变量，利用程序通过中间继电器与交流接触器进行变量控制。通过对变量进行分类，确定输入点数16，输出点数10，选择了结构紧凑、体积小、重量轻、兼容性好、抗干扰能力强、性价比高的某小型PLC，其输入点数18，输出点数12，多出的输入/输出点数提供了系统今后功能扩展的空间。利用该PLC实现系统的手动控制和自动控制两种功能，其中手动控制用于设备的检修和调试，正常工作时采用自动控制功能。图5是自动控制流程图，其中动力头运动位置采用限位开关检测控制，气缸行程位置采用电磁感应开关检测控制。

2.2 反冲法专用顶刀

反冲法加工中，为实现缸体内补偿孔孔口处能被专用顶刀顶压出光滑圆弧角和无毛刺的目的，需要解决缸体定位、顶刀结构设计、顶刀在补偿孔加工位置处向上顶压后冲头下降的动作实现问题，因此所设计的专用顶刀结构如图6所示［7］。它主要有冲头、冲头座、冲杆和冲杆外套组成，冲头嵌在冲杆端头的斜面滑槽上，其根部为圆角。该结构使制动泵主缸实现一次装夹同时完成补偿孔加工和倒圆角两道工序，而且避免了由于切削加工而产生的毛刺，有效地提高了加工效率和质量。

图5 设备自动控制流程图

图6 反冲法专用顶刀

采用该专用刀具在设备上加工补偿孔时，如果制动主缸有两个补偿孔，只需通过对专用设备进行相应工位的调整，利用自动控制，就可以实现工件一次装夹，加工出两个补偿孔。在设计和制造中，冲杆外套直径与缸体孔直径基本尺寸一致，通过控制两者的装配间隙，保证装卸工件时主缸孔内表面不会受到损坏。另外，需要改变补偿孔的加工直径时，只需更换相应尺寸的冲头就能满足加工要求。

3 实验和实际应用对比分析

把用传统和反冲法两种工艺加工出的制动泵主缸分成两组进行对比实验，结果如表1所示。利用制动泵主缸补偿孔检测仪分别进行检测，观察到反冲工艺成型的制动主缸补偿孔处无锐边和毛刺［8］。常温下耐久性试验中，传统工艺加工的制动泵工作次数平均在25.2万次就失效了，而反冲工艺成型的制动泵工作次数经过25万次时，仍能正常工作，无泄漏、损坏等异常现象发生，工作次数平均在78.6万次才失效，寿命比传统工艺提高了三倍多。

表1 新老工艺加工出的制动泵主缸实验比较

常温实验下经过25万次运转后对制动泵进行拆检，对比皮碗磨损情况，可以肉眼观察到传统工艺加工出主缸中的皮碗出现明显裂口，唇口磨损严重，而使用反冲工艺成型主缸中的皮碗则无裂口，唇口也无明显磨损。肉眼观察制动液发现，传统工艺加工出主缸中的制动液颜色发黑，表明已经发生液压油生成物污染，而反冲工艺成型主缸中的制动液颜色正常，未发生液压油生成物污染。可见，采用缸孔由内向外反冲工艺成型后补偿孔处不会产生毛刺，圆角结构保证了皮碗和补偿孔处的摩擦光滑性，大大提高了密封皮碗的工作寿命，从而提高了制动泵的工作寿命和车辆的整车性能，有效地降低了汽车维护成本。

在实际生产中，反冲法加工专用数控设备采用高速钻孔和利用PLC控制气缸实现工作台快进、快退，加工一件单腔主缸的引孔和补偿孔只需8秒，加工一件双腔主缸引孔和补偿孔只需15秒。从表2对比可以看出，在同一班产2100件的情况下，传统工艺需要31台设备，31个操作人员，而新工艺只需8台设备，8个操作人员。显然，新工艺大大减少了设备和操作人员数量，提高了工作效率，这在当今劳动力成本越来越高的情况下，具有重要的意义。

表2 新老加工工艺生产效率比较

4 结束语

汽车液压制动泵主缸补偿孔的加工质量直接影响到车辆制动的效能、稳定性、平顺性、使用寿命和维护成本，在国内外都是一项关键技术。本文提出的新型反冲法加工工艺，开发出补偿孔反冲法加工专用数控设备和刀具，有效地解决了传统加工方法存在补偿孔孔口锐边和毛刺的问题。该方法及设备已获得自主知识产权，实际应用效果显著，具有良好的推广价值，对提高我国汽车制动系统的性能和使用寿命具有重要的意义，对类似小孔加工问题也具有良好的借鉴意义。

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