我国工程机械液压缸加工工艺及装备解析

  【摘 要】本文通过对我国工程机械行业的重点液压油缸企业的车削、刮削滚光、磨削、抛光、焊接及转运等工艺装备的介绍，分析行业企业工艺、装备水平及发展趋势。

  油缸也称液压缸，是液压系统中的一种执行元件，是液压系统的重要组成部分，其功能就是将液压能转变成直线往复式的机械运动。油缸作为工程机械各种机构的动力部件，已经大范围的应用于工程机械行业中。

  在工程机械行业中，液压油缸主要作为工作装置（如：装载机动臂、翻斗油缸）、支撑（泵车、汽车吊垂直支腿油缸）及转向（装载机及矿车转向油缸）动力部件使用。材质上可分热轧管、冷拔管两种，支腿、臂架、变幅等工作所承受的压力较高产品使用热轧毛坯，装载机动臂、翻斗、伸缩、转向等工作所承受的压力较低油缸常使用冷拔毛坯。

  随着经济持续健康加快速度进行发展，重大基础设施建设进入新的发展高潮，工程机械需求量大幅度增长，液压油缸作为各种工程机械、煤矿机械、特种车辆和大型机械的专用部件，市场潜力巨大。而且当前世界制造业向我国转移，我国油缸行业很有有利的发展机遇。

  下料热处理（调质）粗车法兰焊接车导向内孔加工车管口钻油孔清洗焊接缸底清洗装配。

  活塞杆分三种结构及形式，即：有杆头活塞杆、无杆头（如垂直直腿油缸）或后焊杆头（如韩国挖掘机油缸工艺）活塞杆和长缸活塞杆（起重机伸缩缸）。主要加工工艺流程：

  下料热处理（调质）校直粗车焊杆头表淬精车磨外圆抛光电镀镀后抛光清洗装配。

  下料热处理校直粗车粗精车（含垂直支腿活塞杆车球头）无心抛磨外圆电镀镀后无心抛磨外圆清洗焊接杆头装配。

  长缸活塞杆（如起重机伸缩缸活塞杆）生产尺寸较长，采用空心结构，工艺流程与普通活塞杆工艺有所区别，其主要工艺流程为：

  缸筒车削工序除采用普通卧式车床外（一端三爪卡盘夹紧，另一端尾座采取了专用伞状顶锥定位），也可采用专用油缸车床（两端机）及管螺纹车床。专用油缸车床设备一般斜床身车床做改造（如：长城机床L系列油缸车床），主轴及尾座上安装专用内涨式三爪卡盘，加工时以工件内孔定位来加工，还可配置两个或多个刀塔，可编程尾座及中心架。管螺纹车床在钢管制造业中应用较多，该设备主轴内孔径较大（最大加工直径￠508mm），刚性足，缸筒可直接主轴中心伸出，用于缸筒法兰焊接前车管口；若配置上下料链排，可实现工件的自动上下料。从设备投入上比较、卧式车床投资最少，一台经济系型数控卧车CK6163×3000价格约在15万左右，若采用数控管螺纹车床内径孔径230mm左右，价格约80万，若采用数控油缸车床（加工范围￠630×3000）价格约在200万元以上。从设备使用情况上讲，普通车床刚性较差，管螺纹车床应用场景范围比较小（管口段的加工），油缸车床刚性足，应用场景范围最广，相对价格也最高。

  内孔加工作为油缸行业的关键工艺，其工艺水平的好坏直接决定了企业的的工艺技术水平。

  传统内孔加工普遍采用镗+珩磨工艺或镗+滚压工艺，该工艺加工效率较低，且需要两次装夹。随着缸筒毛坯质量的逐步的提升（一般工程机械大批量产品的管料冷拔毛坯单边余量在1～2mm左右，如自卸车油缸毛坯单边余量更小），刮削滚光工艺SRB（Skiving Roller Burnishing，简称刮滚工艺）在行业内得到了广泛采用。刮削滚光工艺采用复合刀具（采用多数能装2-8片可转位刀片，后部有4-50颗滚珠的滚压刀具，并有相应的聚氨酯防震垫），一次装夹完成内孔加工。采用刮削滚光工艺加工，表面粗糙度很稳定，可达Ra0.1～0.8，并可通过调节滚柱压力进行预设定[1]。其加工方式有如下两种：

  空刀返回加工方式：刮削辊光机床（SRB）是刀具进给进入内孔时先对缸筒内孔进行粗精镗削加工及辊压加工、到终点空刀返回。

  辊压返回加工方式：刮削辊光机床（SRB）是刀具进给进入内孔时先对缸筒内孔进行粗精镗削加工、到终点返回时对内孔进行辊压加工。

  刮削滚光机床使用专用复合刀具，加工范围从￠50～450mm；机床加工最大直径￠500，加工工件长度500mm～15000mm。

  以20t履带式挖掘机油缸为例，生产节拍在7～12min，若采用传统工艺，加工时间则40min以上（包括珩磨时间），生产效率相当于传统工艺的数倍。在批量生产中，采用传统工艺的生产线需要数倍设备及操作工。如1台引进刮削滚光机（加工直径￠300×3000）采购价格约70至80万欧元，1台数控深孔镗TK2130价格约120万元，1台卧式强力珩磨机2M2130价格约在80～100万元之间。刮滚工艺在批量产品生产中，投入产出比更有优势。

  目前， TACCHI，AIOH-TEC，SIERRA，SHINSUNG等进口刮削滚光机床占据我国绝大部分市场。与此同时，如：德州普利森、上海重型、三一精机、中科机电等国内机床企业均在近年推出结合德国WOMROLL、ECOROLL技术的刮削滚光机床。

  传统油缸内孔加工工艺在行业内应用范围越来越小，但是无法完全被刮滚工艺代替。如泵车、汽车吊变幅油缸等产品由于缸径较大（超过450mm），或是需要缸底网纹的特殊产品仍采用传统加工工艺。

  泵车输送缸等特种缸筒，由于采用热轧毛坯，加工余量较大，无法采用刮滚刀具一次加工完成（刮滚刀具的加工余量一般在5mm以内），可采用先粗镗，然后刮滚的生产的基本工艺，只是采用上述工艺的时候注意工件的调质硬度（粗镗加工后，工件表面由于冷作硬化引起的表面应力大幅度的提升，影响刮滚加工质量）。

  焊接管口法兰及油嘴。法兰焊接工位一般都会采用二氧化碳或混合气保护焊的自动焊机和焊接机器人（如厦门思尔特提供缸筒焊接专机）。由于油嘴与缸筒外壁对接焊缝焊高变化范围较大，采用普通自动焊机难以达到焊接，一般企业采用人工焊接或机器人焊接。

  活塞杆车削加工包含以下几道工序：车端面及打中心、外圆粗精车及活塞位加工。采用卧式车床加工即可。但采用卧式车床存在以下问题：1）若工件长度较长，检测不变；2）工件车削过程中需要反复调头，工人操作量大。

  活塞杆在粗车工序前可增加一道专门端面加工工序。目前国内传统铣端面打中心孔专机一次装夹完成两端面中心两道工序任务。但采用该工艺存在端面工件外圆与端面交界处易出现飞边的问题，如果不去除影响下道序粗车外圆工序；粗车加工仍需要掉头加工另一头。为解决以上问题，MAG，DANOBAT公司不约而同地在铁路系统生产线车轴加工设施中增加了一个双面加工专机。该类设备在传统铣端面打中心孔专机的基础上，增加了钻扭矩孔和车轴颈工序。两个公司设备不同之处在于DANOBAT公司的SM AXLE ENDS MACHINE采用两台卧式加工中心对置布置，所有刀具均在刀库内；而MAG公司则在VDF 450 FC车削中心基础上，增加了两端可转位6刀位刀塔。经过上述设备加工之后，工件可在车床上完成粗精车加工而不用调头加工，中间接刀。

  活塞杆加工工艺精车工艺一般可分为两种，一种是表淬前精车工件外圆及活塞位，表淬后精磨活塞杆外圆、活塞位及活塞位轴肩；另一种是采用表淬前精车外圆、粗车活塞位，表淬之后再精车活塞位及活塞位轴肩，最后磨外圆。上述两种工艺均采用热后精加工工艺流程，保证活塞位及外圆的同轴度。相对而言采用后一种工艺，效率更加高，如小松活塞杆就采用上述加工工艺。

  所有工程机械液压缸活塞杆杆头焊接均可采用气保焊。但是，气保焊速度慢，焊接废气及弧光，影响生产环境。而摩擦焊不存在焊材费用、焊缝强度接近母体、无任何声、光、气、辐射污染，焊接速度快等优势，逐步应用在活塞杆杆头焊接工序。以挖机活塞杆为例，采用摩擦焊焊接时间2～3min，若采用普通环封焊接接近10min。

  活塞杆电镀前、后需进行外圆精加工。电镀前精加工为避免工件表面的粗糙度较大，造成工件表面电位差造成电镀不均匀、出现针孔等现象，电镀镀后抛光使工件达到表面粗糙度要求（Ra0.4）。

  一种工件杆头小于杆径（如支腿油缸）和后焊杆头（如起重机伸缩缸）的工件可采用无心外圆磨磨外圆，然后使用通过式抛光机的工艺布置；另一种普通产品则采用外圆磨加双顶式抛光机，普通双顶式抛光机采用双抛光头（千叶轮、砂带抛光头），一般一次装夹可完成工件。

  在主机厂主要加工设施水平的趋近的情况下，工件转运设备慢慢的变成了提高生产效率的一条重要方法。由于加工工件重量较大（一般超过30kg），且中短油缸加工工位密度大，为提高起吊设备密度，常采用KBK或者单轨葫芦作为上下料的主要工具。工序间的转运则可设置固定料架，操作工利用KBK设备往返取料。

  本文通过对我国工程机械行业的典型工艺及装备的介绍，分析了我国工程机械行业企业所使用工艺及装备的现状。

  在我国工程机械液压油缸加工装备水平已赶上国际领先水平的今天，在提高加工效率的同时，降低生产的人力成本、财务成本、物流成本已经慢慢的受到各企业的重视。运用自动化专用设备、组建专用生产线，减小工序物流成本、人力成本、在制件财务成本已成为中国工程机械液压件制造业发展的必经之路。

  [1]斯蒂夫・纽宣.刮削滚光――更好的液压油缸内孔精加工方法[J].世界制造技术与装备市场，2007（2）：134.