液压缸筒用钢管椭圆度分析.pdf
Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s / N O . 0 2 . 2 0 1 3 液压缸筒用钢管椭圆度分析 韩 波 江苏华程工业制管股份有限公司 , 江苏 苏州2 1 5 6 1 1 摘要 液压缸基本上 由缸筒和缸盖 、 活塞和 活塞 杆 、 密 封装置与缓 冲装置组成 , 液压 缸输出力和活塞有效面积及其 两边的压差成正 比, 而缸筒是形成 内腔盛装流体 的关键元 件 , 因此液压缸简对液 压油缸的寿命 起到关键 性作 用。在实际生产 中 , 由于钢管的椭圆度过 大 , 造成在制作成 品缸套时 内径珩磨量和外圆车削加工 量巨大, 严 重影 响到材料利用率和成品缸套成材率 。 该文意在对钢管在 冷拔 过程 中产生的椭圆现象进行分析 , 通过对设备 、 工装模具 、 工艺操作 、 原材料等方面控制 . 使经过冷加工的 液压缸筒用钢 管具 有极 高的精度 , 避免椭 圆现象过大的倾 向, 以减小 制作 缸套 时内径珩磨 和外圆车削量 , 从而提高材料利用率和成品 缸套成材率。 关键词 液压缸筒 钢管 椭圆度 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 4 7 0 3 An a l y s i s o f S t e e l Tu be Ov a l i t y f o r Hy d r a u h c Cy h nd e r Ba r r e l N Bo J i a n g s u H u a c h e n g I n d u s t r y P i p e Ma k i n g C o r p o r a t i o n , S u z h o u 2 1 5 6 1 1 , C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c c y l i n d e r c o n s i s t s o f c y l i n d e r b a r r e l , h y d r a u l i c h e a d , p i s t o n p i s t o n r o d , s e a l a n d c u s i o n d e v i c e e t c . Th e o u t p u t s t r e n g t h o f h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d t h e e f f e c t i v e s u p e r f i c i e o f t h e p i s t o n a r e i n d i r c t p r o p o t i o n wi t h t h e p r e s u r e d i f f e r e n c e c o mi n g f r o m t h e b o t h e n d s o f t h e c y l i n d e r .Th e c y l i n d e r b a r r e l i s a n e s s e n t i al c o mp o n e n t c o n t a i n i n g t h e fl u i d , S O t h e b a r r e l p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e w o r k i n g l i f e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r s .D u ri n g t h e ma s s i v e p r o d u c t i o n , i f t h e s t e e l t u b e i s t o o o v a l ,i t wi l l i n c r e a s e t h e g nn d i n g c o s t o n OD a n d h o n i n g c o s t O i l I D,a n d i n e v i t a b l l y h a v e a n e g a t i v e i mp a c t o n t h e y i e l d r a t e o f fi n i s h e d p rod u c t s . Th i s t e x t i n t e n d s t o ma k e a n a n a l y s i s o n t h e c a u s e s o f t h e o v a l i t y o f t u b e s a n d t ri e s t o mi n i mi z e t h e ma c h i n i n g s t o c k o n b o t h OD I D a n d r e d u c e a s mu c h a s p o s s i l e t h e g r i d i n g a n d h o n i n g c o s t b y c o n t r o l l i n g t h e t o o l i n g d e v i c e , d r a wi n g b e n c h e s , d r a wi n g p a s s e s a n d r a w ma t e r i a l s t o i mp r o v e t h e p r e c i s o n o f t u b e’ S OD a n d I D. Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r b a r r e 1 ; s t e e l t u b e ; o v a l i t y O 引言 液压缸筒是液压油缸的重要组成部分 。是将液压 能转变为机 械能 、 做直线 往复运动 或摆动运动 的液 压执行元件。用它来 实现往复运动时 ,可免去减速装 置 , 并且没有传动间隙 , 运动平稳 , 因此 在各种机械液 压系统中得到广泛应用。液压缸基本上 由缸筒和缸盖 、 活塞和活塞杆 、 密封装置与缓冲装置组成 , 液压缸输 出 力和活塞有效面积及其两边的压差成正比,而缸筒是 形成内腔盛装流体的关键元件 ,因此液压缸筒对液压 油缸 的寿命起到关键性作用。 液压缸筒经过 国内各生产厂家多年 的生产研究 , 已经在我 国液压行业发挥出越来越大的作用。然而, 由 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 3 作者简介 韩波 1 9 7 5 一 , 男 , 湖北十堰人 , 工程师, 本科 , 研究 方向为金属材 料延压加工。 于制造液压缸筒所需钢管对 内外径椭 圆度要求较高 , 而在冷拔高钢管生产实践 中,椭圆度现象一直以来又 难 以解决 , 不能完全彻底消除 , 只能改善和降低 , 所 以, 在制造液压缸筒时钢管内壁珩磨和外 圆车削加工量比 较大。 根据冷拔钢管生产分析 ,液压缸筒用钢管椭圆度 产生 的主要 原 因 由以下组成 。 1 生产设备 冷拔工艺生产 中, 冷拔设备是 由上料床 、 拉伸床 、 模具座 、 拉伸小车及动力源为主所组成 。 需要达到三点 一 线的原则 , 即顶杆基点 、 模孔 中心点 、 拔制力中心点 在 同一条拉伸直线上 ,如果该三点不在同一条拉伸直 线上 , 那么会出现 1 顶杆基点偏离拉伸中心线形成钢管内径椭圆 顶头是决定钢管内径的关键构件 。其定径带属于 圆柱状 , 理论上钢管的内孔等于顶头的直径 , 并且顶头 47 液 压 气 动 与 密 封 / 2 0 1 3年 第 0 2期 的定径带工作面与外模 的定径带工作面呈平行状态。 如果顶杆基点偏离拉伸 中心线 , 在拔制钢管时 , 受到拔 制力影响,顶头纵向轴线与外模的定径带工作面不平 行 ,形成一定夹角 ,顶头 的工作面由平行面改变为斜 面 。当金 属通 过顶 头 时 , 受 到顶头 的 向外 扩 张压 力 , 在 顶头倾斜的方向 , 钢管 的内孑 L 直径大于顶头的直径 , 而 与倾斜方 向垂直方 向的钢管 内径等于顶头 的直径 , 从 形成内孔椭圆, 如下图 1 所示。 图 1 顶 杆 基 点 偏 离拉 伸 中心 线 根 据 上 述 分 析 及 图示 . d为 正 圆形 , D 为 椭 圆形 , 为了避免该现象的发生 , 生产实践 中需要使 顶杆基点 与拉伸模孔 中心点 以及拔制力 中心点在同一条拉伸直 线上 , 同时 , 顶头 的定径带 长度应尽量大于外模定径 带长度 。 顶杆弯 曲所产生 的椭圆现象原理如上述相同 , 因 此生产实践中应保持顶杆平直状态。 2 拉伸模孑 L 中心点偏离拉伸中心线 外模是决定钢管外径 的关键构件 ,其定径带属于 圆柱状 .理论上钢管的外径等于外模定径带工作面直 径 。如果拉伸模孔 中心点偏离拉伸中心线 , 并且外模纵 向轴线与拉伸 中心线不平行 , 形成一定夹角 , 那么外模 工作面由平行面改变为斜面 。当金属通过外模定径带 工作面时 , 受到外模 内收压力影响 , 在倾斜的方向 , 钢 管的外直径小于外模的直径 ,而与倾斜方向垂直方 向 的钢管外径等于外模 的直径 , 从形成外径椭 圆, 如图 2 所示 外模 内模 钢管 图 2拉伸模孔中心点偏离拉伸 中心线 根据上述分析及图示, D为正圆形, d为椭 圆形 , 为 了避免该现象的发生 ,生产实践中需要使拉伸模孑 L 中 4 8 心点与顶杆基点以及拔制力中心点在同一条拉伸直线 上。并且拉伸模孔纵 向中心线与拉伸中心线平行。 3 拔制力中心点偏离拉伸中心线 钢管在外模内收压力和内模扩张压力的作用下形 成标准的金属制品型式 ,如果拔制力 中心点或拉伸小 车钳 口中心点偏离拉伸中心线 ,钢管在滑 出模具定径 带外端的瞬间, 钢管纵 向轴线与拉伸中心线不平行 , 而 形成一定夹角,内外模具作用下 已经标准的金属制品 型式受到弯曲拉力影响 . 金属产生横 向滑移 , 钢管产生 微量形变 , 使弯 曲方 向的钢管外径缩小 , 而与弯曲方 向 垂直方向的钢管外径变大 , 并且产生钢管弯曲现象 , 如 图 3所示 图 3拔 制 力 中心 点 偏 离 拉伸 中心 线 2 工装模具 1 模具的材质及强韧化处理 模具的质量 、制造精度和合格率很大程度上取决 于制造模具的材料 .合理 的选用模具材料并进行精确 的成形加工和适 当的强韧化处理 ,能够有效提高模具 的使用寿命。 液压缸筒用钢管模具较为合适 的模具材料为硬质 合金 Y G系列 , 对于规格较大的可采用冷作合金模具钢 C r l 2 。由于硬质合金 Y G系列材料基本不存 在变形现 象 , 以及合金模具钢 C r l 2属于微变形材料 , 所 以选用 上述材料能够有效满足液压缸筒用钢管的拉伸需求 。 在后处理上 , 判断模具好坏 的指标主要是强度 、 硬度 、 耐磨性 、 抗氧化性 、 疲劳性 、 导热性以及耐蚀性 , 由于液 压缸筒用钢管生产属于常温加工工艺 ,所以模具的红 硬性等高温下性能可 以不予考虑 。 通常情况下 , 液压缸筒用钢管拉伸外模以 Y G系列 的 Y G 8材料为主.外模 的硬度需要控制在 H R c 8 7 9 0 为宜 . 抗弯强度控制在 1 4 5 0 ~ 1 5 0 0 MP a为宜 ; Y G系列材 料内模 以 Y G1 1为主 。 内模的硬度需要控制在 HR c 8 3 ~ 8 6为宜 , 抗弯强度控制在 2 0 0 0 ~ 2 1 0 0 MP a 为宜。而合金 模具钢 C r l 2材料内模和外模硬度需要控制在 H R c 6 0 ~ 6 4为宜。 抗弯强度和硬度过高 , 模具容易在压力和摩擦 力作用下破碎 , 抗弯强度和硬度过低 , 模具容易在压力 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s / No . 0 2 . 2 0 1 3 和摩擦力作用下产生形变 , 导致钢管产生椭 圆等现象 , 以及耐磨性下降 , 钢管拉伸时产生划丝等不 良现象 。 2 模具的型式设计 根据模具材料的选择 ,材料本身具备足够 的抗弯 强度和抗变形能力 , 但是面对巨大的拉力、 摩擦力和工 作压力 ,材料本身的抗弯强度 和抗变形能力远远达不 到要求 , 因此 , 需要在合 金模坯 的外面镶上模套 , 选 择 合适 的模套和镶套方法 ,减少 和抵消合金模坯所承受 的工作压力 ,保证其在外力作用下或受热膨胀后不发 生松动 、 变形 、 破碎等现象 。模套 的材料要具有较高的 导热性 、 弹性 和屈服极限 , 同时还需要具有抗蚀性 , 一 般情况下使用 4 5 、 5 0 钢 , 也可用 T 8 A、 T 1 0 A、 T 1 2 A等 优质碳素工具钢 , 如果拉伸工作应力过大 时, 应该考虑 采用 9 C r S i 、 5 C r Mn Mo 、 4 0 C r 等合金结构钢。在将模芯放 入模套中时 , 要留充足合适 的过盈量 , 防止拉伸时候发 生模具破碎和变形等现象。 模套的导热性和过盈量 .是模具型式设计 的重要 参考因素 . 导热性能 的好坏 , 决定着模具工作过程 中的 热量能否有效传递和散发 ,以确保模具 的抗热疲劳失 效现象。而过盈量是模具抵抗膨胀压力的关键 , 更是模 具破碎 的直接 因素。因此导热性和过盈量在模具型式 设计时至关重要 , 不容忽视。 采取上述控制措施 ,拉伸模具工作表面有较高的 硬度和耐磨性 ,模孔能够满足变形需要 ,并且拉伸力 小 、 拉伸稳定 、 变形 均匀 、 模孑 L 磨损均匀 , 尤其是避免了 拉伸时 因强度和过盈量不足而产生过大 的变形 ,从而 能够保证拉伸后钢管尺寸公差 。 3 工艺操作 液压缸筒用钢管的冷拔工艺较为普遍 ,主要 以少 减径多减壁为原则 ,以防止冷加工后钢管应力释放所 存在不均衡现象 , 而引起变形和精度波动 , 所以在此不 作详述 . 仅对工艺操作进行论述。 工艺操 作在液压缸筒 用钢 管实践生 产 中极 为重 要 , 由于液压缸筒用钢管属于精密钢管系列 , 如果操作 不 当容易产生钢管精度下降等问题 ,但是归纳起来主 要有以下几点 首先要注意上料。在钢管 向上料床输送后 , 钢管在 上料床上需要保持水平状态 。尤其是拉伸过程中对钢 管水平的要求极为重要 , 如果钢管发生倾斜 , 则金属进 入拉伸模具时 ,在模具的过渡区域产生金属横向滑移 不均衡现象 ,容易产生钢管 内外径 向椭 圆和尺寸波动 不稳等现象 。 其次要注意模具的安置。拉伸模具中心点要位于 拉伸中心线上 。并且模具工作面及模具端面要与拉伸 中心线保持垂直。在操作过程 中, 最容易产生的现象就 是模具工作面及模具端 面未与拉伸 中心线相垂直 , 产 生该现象主要原因在于模具外套产生变形 ,以及拉伸 模孔变形或存有杂物。如果模具安置不当, 就会产生图 2所述现象 . 钢管产生椭 圆等现象 。 最后要注意夹头。在拉伸过程中, 夹头的大小 、 位 置和型式也直接影响到钢管的直线度 、 精度 , 如果拉伸 夹头过小 , 或拉伸夹头型式多元化 . 尤其是钳夹位置不 宜 , 就会产生图 3所述现象, 钢管产生椭圆等现象。 4 原材料 原材料除了影响钢管性能 、 直线度外 , 如果原材料 钢管壁厚存在落差较大现象 , 钢管经过拉伸后 , 在冷拔 状态或经过热处理后 , 其应力释放存在较大差异 , 从而 产生钢管变形和径向椭圆现象 。因此 . 对于生产液压缸 筒用钢管的原材料 , 在钢管壁厚同心度上要加强控制, 以确保冷加工后的钢管应力释放达到均衡 自然 。 5 结论 根据上述液压缸筒用钢管椭圆度分析 , 可以看出 液压缸筒用钢管椭圆度成 因存在多元化复杂现象 , 除 了上述列举 因素外 , 在生产实践中还有很多 , 例如拉伸 后 的钢管在运输 、 热处理 、 外力撞击 、 挤压等诸多情形 下同样容易产生变形和椭圆。但是 。 只要能从 以上几方 面人手 ,那么液压缸筒用钢管椭 圆度缺陷就能有效降 低和改善 ,从而能够有效的减小在制作油缸筒时钢管 的珩磨量和车加工量 ,有效的提高钢管的材料利用率 和成品缸套的成材率。 参考文 献 [ 1 ] [ 苏】 r .且 . 古恩. 金属压力加工理论基础[ M 】 . 赵 志业 , 王国栋 , 译. 北京 冶金工业 出版社 . 1 9 8 9 . 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