机械压力机平衡缸质量控制研究

2021-03-24贺和群姚登杰李厚伦

锻压装备与制造技术 2021年1期

关键词：密封件压力机缸体

贺和群，姚登杰，李厚伦

（无锡市拓发自控设备有限公司，江苏无锡214100）

机械压力机用平衡缸是用于机械压力机用压缩空气来平衡机械压力机滑块及模具重量的气动功能部件，随着机械压力机质量要求的不断提高、平衡缸及其相关零部件的质量控制要求更高。

对于机械压力机用平衡缸的品质的控制及提高主要注重以下几点：

（1）最低价中标，有违机械压力机功能部件品质的持续进步和发展；新工艺、新技术、新供应链应小心再小心、认真再认真、可靠再可靠。

（2）产品质量控制贯穿于设计、加工工艺、供应链及外协等过程控制。

（3）不断的技术进步和质量管控是一个企业乃至整个行业发展永恒的主题。

1 质量控制中的问题

目前传统JH21（单点）系列压力机用平衡缸主要零部件有端盖、活塞杆、安装件、缸筒、密封件等构成，如图1 所示。而其中关键的零部件包括：缸筒、活塞杆和密封件，上述零部件品质的好坏直接影响平衡缸的性能寿命和可靠性，因此零部件的质量控制需贯穿于设计、加工工艺、装配和相关流程控制，决定了平衡缸及其零部件品质的好坏。

图1 平衡缸主要零部件

1.1 缸筒

以图1 缸筒为例，目前常用平衡缸用缸筒一般采用薄型冷拔无缝管珩磨及切削+滚压成形。如图2所示。

图2 缸筒加工工艺装置

以往某单位为公司提供的缸筒采用珩磨成形工艺，其圆柱度、尺寸公差H9 均能符合要求，价格在11～12 元/kg。随着公司订单量的不断增加，又新增一家单位为公司提供缸筒，也采用珩磨工艺且价格降低20%。随着新单位供货量的不断增加，原缸筒外协单位单量减少，成本价格无法与新单位竞争，最终退出市场。在原外协单位退出市场后，现单位却不再继续采用珩磨工艺，而采用刮削+滚压（以下简称“滚刮”）工艺加工内孔，因该类型缸筒为薄壁管，在滚压效应作用下缸筒内孔圆柱度误差为0.1mm～0.25mm、内孔公差很难控制，对公司生产的平衡缸的品质影响较为严重。

对于上述情况说明：①企业在管理方面只注重价格，则产品质量无法保证；②采用新工艺必须经过严格的科学验证，供应商的选择最基本的要求就是“良心”，特别关注在价格方面的恶意竞争对保证公司供应链的稳定非常重要，否则会对公司的供应链甚至生存带来灾难性的后果。中国机床十八罗汉走到今天只有济二，其他公司在困境中挣扎甚至破产重组，其中“最低价中标”的伤害不容忽视。

1.2 密封件

目前平衡缸使用的密封件主要有：活塞杆用密封件及活塞用密封件（小缸径≤ø400、大缸径＞ø400）。

1.2.1 活塞杆用密封圈

原使用国产密封件，品质不稳定，在某个特定阶段故障频率高。

密封件损坏带来的风险：①本公司需在24h 内派人赶往主机厂或机床使用厂家，人工成本500 元/天，路费和差旅费500 元/天，因人员出差造成公司的产值损失2500 元，综合费用为3500 元，对本公司的形象有较大影响；②主机厂和本公司的费用相差无几，约3500 元，若为出厂在客户处使用的机床而主机厂则需承担更大的风险———口碑、市场影响力等；③使用单位停机等待维修，大部分单位是生产流水线，某一台机床停机造成的往往是整个流水线停工，给客户带来的损失则更大，无法估算。

1.2.2 改善措施

图3 NOK 轴用密封件

通过权衡以上风险，从2018 年初活塞杆主密封件采用国外进口密封件（图3），品质稳定，大幅降低故障频率，使用寿命较大幅度延长；在广东锻压、梧州市万顺锻压、江苏双赢等主机厂使用后因活塞杆密封件造成的泄露故障几乎为零。

由此可得，因活塞杆用密封件的品质不稳定造成平衡缸的漏气，密封件价格上差几块钱，只注重价格不注重品质，国内一些平衡缸制造单位使用非优质聚氨酯材质密封圈，材料较硬，弹性差，使用不长时间后因密封圈老化产生永久变形，密封失效使平衡缸无法正常工作。如果一个小小密封圈也是以“最低价中标”，造成的不单单是经济损失，其他方面比如口碑、市场影响等更是无法估量，对中国制造有不可估量的名誉损失。

1.2.3 小缸径平衡缸活塞用密封件

小缸径平衡缸——缸径≤ø400，使用我公司自主研发的低摩擦橡胶活塞（图4），减少摩擦、提高寿命，该活塞的特点是：①软接触，保护缸体不被拉伤；②自润滑橡胶，减少摩擦；③弹性储油腔、减磨槽，确保密封付可靠润滑。

图4 橡胶活塞结构

另外在平衡缸装配时需在橡胶活塞弹性储油腔内涂满润滑脂，保证润滑，对于润滑脂应使用含有粘附剂的优质锂基脂润滑脂。如图5 所示。优质特种锂基脂正常使用5～6 年，无给油润滑使用3～4 年。

图5 优质锂基脂润滑

而用改造后的优质锂基脂价格为普通钙基脂的2 倍多，如果也以“最低价中标”，将给产品的品质带来严重的影响。

1.2.4 大缸径平衡缸活塞用密封件(＞ø400)

机械压力机平衡缸用活塞运动曲线, 如图6 所示。

图6 活塞运动曲线

由图可得，活塞密封件在上止点速度为“0”，始动摩擦力大；活塞密封件在下止点速度为“0”，始动摩擦力大。

（1）目前国内金丰系列平衡缸使用日本NOK 公司生产的UPH 系列橡胶“Y”型圈；国内使用的广研系列的“Y”型圈与其基本相同；它们都是经过模压硫化后对密封唇口切边而成，所以其密封唇口只能为尖角，尖角的摩擦系数远大于圆角的摩擦系数；另外该系列的密封圈宽度大、接触面大、因此摩擦力大；而因宽度大造成活塞厚，增加不必要的成本。

（2）上述“Y”型密封圈硬度较高，始动摩擦力大；在机床运行至上下止点时，滑块速度为“0”，活塞及密封圈的速度为“0”，此时密封件的始动摩擦力非常大，并产生异响。

为解决上述异响问题，我公司定车的密封件将唇口为尖角改为圆角R1～R1.5，在江苏双赢使用效果较好；在此基础上对于硬度高，始动摩擦力大等情况将密封件材质改为丁晴橡胶，近五年来在广州锻压、江苏双赢等使用效果很好，有效解决始动摩擦力大及上下止点异响问题。

1.3 活塞杆

目前市场常见活塞杆为半成品，价格及品质较为稳定。①外圆公差尺寸：f8（特殊情况可定制）；②表面镀硬铬厚：0.01mm～0.02mm；③表面粗糙度：不小于0.8μm；④表面不得有刮伤、碰毛等缺陷；⑤按订货要求定尺割对。

半成品（表面已镀铬）落料，自加工两端，经外表检验不得有磕碰刮伤、硬度和镀铬层检测；在国内某单位生产的平衡缸所用活塞杆为毛坯棒料车加工后珩磨外圆镀铬，但车加工时不同心，电镀不均匀，甚至有活塞杆外圆有未磨出情况，最终在平衡缸未使用多久出现活塞杆拉伤，造成漏气。

1.3.1 活塞杆加工

另外为防止多次装夹造成活塞杆表面有压痕或刮伤，在活塞杆加工的车床增设铣钻功能的动力装置，在活塞杆车加工安装端时将扁势铣出（图7），减少二次装夹，大幅度降低因装夹造成的压痕或刮伤等缺陷。

图7 活塞杆铣扁势装置

2 质量控制

机械压力机用平衡缸的质量控制贯穿于设计、加工工艺、供应链及外协加工等过程控制。以平衡缸用缸筒为例，缸筒分为：

（1）小缸径≤ø400。无缝管冷拔珩磨或刮削+滚刮成形。

（2）大缸径＞ø400。由端盖、缸筒、法兰、加强环等焊接成形，如图8 所示。

2.1 小缸径平衡缸用缸筒

目前平衡缸使用的小缸径缸筒≤ø400 基本是采用冷拔无缝钢管珩磨或滚刮成形。其技术要求为：①内孔公差（H9）；②圆柱度（≤0.05mm）；③粗糙度（≤0.4μm）。

图8 大缸径缸筒

由于是整支冷拔无缝缸筒进行滚刮，等滚压完成后内孔公差（H9）、圆柱度（≤0.05mm）、粗糙度（≤0.4μm）,满足了平衡缸缸筒图纸中规定的要求。但定尺锯割后因装夹变形或内应力释放等因素使缸筒发生变形，圆柱度误差高达0.1mm～0.25mm。从技术层面分析，缸筒产生椭圆的主要原因为内应力释放。

初步采用的整改方法：

（1）改善缸筒锯割工装。采用三点定位方法，扭矩扳手控制压紧扭矩，但效果不明显，再次证明缸筒的内应力释放是造成缸筒圆柱度误差大的主要原因。

（2）退火。经去应力退火后再对缸筒进行滚刮基本达到图纸要求，这再次证明缸筒的圆柱度超差的原因是冷拔缸筒的内应力释放造成。

（3）冷整形。圆柱度超差的缸筒可经过冷整形达到要求，但若干天后仍会恢复到原有状态，整形无效。

为解决上述圆柱度误差大的问题可采用自制工装校验的方法，如图9 所示。对于退火后的无缝缸筒再经滚刮后断料，但在断料时因夹紧产生的应力仍会导致缸筒变形，但变形量小，因此对于此种情况可采用自制工装进行校验，利用三点定位原理，在垂直方向的两边各60°方向设置滚动定位装置，可使该工装在缸筒内自由旋转；在垂直于缸筒方向设置百分表，转动缸筒，利用百分表所显示数值判定缸筒椭圆度，对于超差缸筒在缸筒外圆正上方设置压紧装置，根据缸筒超差尺寸，给予缸筒预紧力，对缸筒超差点位进行预压改变缸筒内孔尺寸达到校验圆柱度的目的。

图9 圆柱度校验装置

2.2 大缸径平衡缸用缸体

目前我公司生产的大缸径平衡缸用缸体采用安装法兰+卷板焊接缸体+底盖+加强环等焊接加工而成。其技术要求：内径公差在H7～H8（特殊要求高的平衡缸在H6）；内孔圆柱度在0.03mm～0.05mm；内壁粗糙度不小于0.8μm；特殊情况下要求内壁镀硬铬或其他镀层（如镍磷合金等）；对此类型缸体的主要控制点在焊接、热处理、珩磨、电镀以及放置。

2.2.1 焊接

在以往我公司焊接时所采用的焊接坡口深度较深，坡口在30°左右以及焊接堆积的高度较大，坡口深度较深，因法兰在焊接前已将各安装孔或槽加工完成，在焊接后会造成法兰变形较大，所留余量无法保证车出；若坡口深度较浅则焊接强度不够。

之后，在公司与金丰公司合作过程中要求此类焊接坡口应在35°左右，坡口深度为较薄板厚的60%，有效解决因坡口大、焊接量大造成的应力大、容易拉裂焊接部位问题。

2.2.2 热处理——退火

退火的目的为有效消除焊接等产生的应力。退火过程为：升温、保温、降温，有效去除应力的温度在600～630℃。①升温：升温速度过快，会导致缸体变形，并保证升温速度在100～120℃/h；②保温：温度达到要求后应保温6h，才能消除应力；③降温：降温速度过快会产生新的应力导致变形，降温速度应在100～120℃/h，并要求温度小于300℃后方可开炉。

如图10 所示为某公司平衡缸缸体焊接后退火曲线。经对此图分析，该退火流程升温过程基本符合要求，但保温时间只有5h；降温速度过快，45min 降100℃，导致最终珩磨加工合格的缸体（内孔尺寸公差、圆柱度均在要求之内），在经过一周左右自然时效后产生不规则变形，超出规定的圆柱度0.05mm，甚至有的部位高达0.11mm。

经过对退火工艺控制，在今后产品加工过程中对退火严格按照升温、保温、降温工艺曲线要求进行（图11），情况得到明显改善。

图10 某平衡缸缸体焊后退火曲线

图11 退火曲线

2.2.3 珩磨

珩磨时温度对金属具有线胀作用，经查钢材线胀系数为1.2×10-5/℃，对于大缸径的平衡缸缸体，不同缸径在不同温升下的尺寸变化如表1 所示。

表1 温度对缸径的影响

在我公司现有加工的ø685 的缸体在实际珩磨过程的温升预计大于10℃，因此造成的尺寸变化为＞0.082mm，此种情况下即使温度降至室温并经4h平衡状态，测量出的内径尺寸并不准确，应经过2～3天的自然时效后（一般尺寸变化在0.03mm～0.08 mm），再次测量结果较为稳定。

目前使用的珩磨头分两种：一种是机械固定式，为最原始结构，需要手动调节珩磨头外圆尺寸；另一种为液压固定式，在液压作用下将珩磨头内部装置顶起将珩磨油石条顶出，起到尺寸固定作用。

常见的珩磨机为卧式珩磨机，其缺点为速度慢、效率低、噪声大；内壁表面涨紧力大，易拉伤或划伤缸体内壁；磨削硬质颗粒无法完全排除，颗粒会拉划伤缸体内壁。其优点为价格低（17～19 万）、易操作。

为保证缸体珩磨的公差尺寸，公司引进立式伺服珩磨机，先定尺后珩磨，需注意的是：珩磨时装夹固定应采用上下端面拉杆固定方式，可有效解决缸筒外圆受力产生的变形。其优点为速度快、效率提升1 倍、噪声小；内壁表面涨紧力小，不易拉伤缸体内壁；磨削硬质颗粒可及时排除，不会划伤缸体内壁。其缺点为价格高（30 万）。

2.2.4 缸体内壁电镀硬铬

缸体内壁镀硬铬时缸体内壁接阴极，但电镀硬铬时阴极输入的设置非常重要，如若设置不合理则会造成电镀表面产生针孔、麻点等缺陷。

造成针孔、麻点的原因分析如下。电镀时所需的电流密度为20～25A/dm2。以现有缸体为例，ø685×835，电流密度按照25A/dm2则需要的电流为6.85×3.14×8.35×25≈180A，电流非常大，当阴极输入点设置在现有缸体上端法兰螺纹孔处时，此时螺纹连接结合处是以螺旋线或螺旋线上若干的点相互接触，此时电流从上述接触处的电流密度远大于25A/dm2，而上述超高的不均匀电流密度将气化电镀液，从而在此周围产生针孔、麻点等缺陷。

为解决上述问题，采用以下办法：

（1）在不影响缸体变形的条件下焊接阴极输入点，使阴极与缸体接触为面接触。

（2）阴极输入设置在远离缸体内壁（运动表面），如安装法兰、端盖，即使产生针孔也不会在缸体运动表面产生针孔，只在其他不重要部位产生针孔、麻点等缺陷。

（3）阳极要使用规范的电镀制具，制具应与缸体内壁均匀分布，否则会造成电镀不均匀，以现有为例镀层在0.01mm～0.06mm 之间。

经过改进，现做规范制具以及将阴极设置在远离缸体内壁处，电镀后效果较好，能够满足要求。

综上所述，对于缸体内壁电镀应注意以下几点：①阴极尽可能不采用在缸体上焊接方式，采用螺纹孔作为阴极输入点；②螺纹孔作为阴极输入点必须远离缸体内壁；③阳极应制作规范的制具，与缸体内壁四周均匀分布。

2.2.5 放置

因大型平衡缸缸体缸径大、壁厚较薄，自身径向刚度差，假如缸体在精加工（珩磨、抛光）后侧放，因缸体径向刚度差会产生永久变形（以ø685×835 为例缸体变形量高达0.03mm～0.05mm）。

不同放置方式因重力作用产生的变形量如图12所示。