機械壓力機平衡缸質量控制研究

賀和群，姚登杰，李厚倫

（無錫市拓發自控設備有限公司，江蘇 無錫214100）

機械壓力機用平衡缸是用于機械壓力機用壓縮空氣來平衡機械壓力機滑塊及模具重量的氣動功能部件，隨著機械壓力機質量要求的不斷提高、平衡缸及其相關零部件的質量控制要求更高。

對于機械壓力機用平衡缸的品質的控制及提高主要注重以下幾點：

（1）最低價中標，有違機械壓力機功能部件品質的持續進步和發展；新工藝、新技術、新供應鏈應小心再小心、認真再認真、可靠再可靠。

（2）產品質量控制貫穿于設計、加工工藝、供應鏈及外協等過程控制。

（3）不斷的技術進步和質量管控是一個企業乃至整個行業發展永恒的主題。

1 質量控制中的問題

目前傳統JH21（單點）系列壓力機用平衡缸主要零部件有端蓋、活塞桿、安裝件、缸筒、密封件等構成，如圖1 所示。而其中關鍵的零部件包括：缸筒、活塞桿和密封件，上述零部件品質的好壞直接影響平衡缸的性能壽命和可靠性，因此零部件的質量控制需貫穿于設計、加工工藝、裝配和相關流程控制，決定了平衡缸及其零部件品質的好壞。

圖1 平衡缸主要零部件

1.1 缸筒

以圖1 缸筒為例，目前常用平衡缸用缸筒一般采用薄型冷拔無縫管珩磨及切削+滾壓成形。如圖2所示。

圖2 缸筒加工工藝裝置

以往某單位為公司提供的缸筒采用珩磨成形工藝，其圓柱度、尺寸公差H9 均能符合要求，價格在11～12 元/kg。隨著公司訂單量的不斷增加，又新增一家單位為公司提供缸筒，也采用珩磨工藝且價格降低20%。隨著新單位供貨量的不斷增加，原缸筒外協單位單量減少，成本價格無法與新單位競爭，最終退出市場。在原外協單位退出市場后，現單位卻不再繼續采用珩磨工藝，而采用刮削+滾壓（以下簡稱“滾刮”）工藝加工內孔，因該類型缸筒為薄壁管，在滾壓效應作用下缸筒內孔圓柱度誤差為0.1mm～0.25mm、內孔公差很難控制，對公司生產的平衡缸的品質影響較為嚴重。

對于上述情況說明：①企業在管理方面只注重價格，則產品質量無法保證；②采用新工藝必須經過嚴格的科學驗證，供應商的選擇最基本的要求就是“良心”，特別關注在價格方面的惡意競爭對保證公司供應鏈的穩定非常重要，否則會對公司的供應鏈甚至生存帶來災難性的后果。中國機床十八羅漢走到今天只有濟二，其他公司在困境中掙扎甚至破產重組，其中“最低價中標”的傷害不容忽視。

1.2 密封件

目前平衡缸使用的密封件主要有：活塞桿用密封件及活塞用密封件（小缸徑≤?400、大缸徑＞?400）。

1.2.1 活塞桿用密封圈

原使用國產密封件，品質不穩定，在某個特定階段故障頻率高。

密封件損壞帶來的風險：①本公司需在24h 內派人趕往主機廠或機床使用廠家，人工成本500 元/天，路費和差旅費500 元/天，因人員出差造成公司的產值損失2500 元，綜合費用為3500 元，對本公司的形象有較大影響；②主機廠和本公司的費用相差無幾，約3500 元，若為出廠在客戶處使用的機床而主機廠則需承擔更大的風險———口碑、市場影響力等；③使用單位停機等待維修，大部分單位是生產流水線，某一臺機床停機造成的往往是整個流水線停工，給客戶帶來的損失則更大，無法估算。

1.2.2 改善措施

圖3 NOK 軸用密封件

通過權衡以上風險，從2018 年初活塞桿主密封件采用國外進口密封件（圖3），品質穩定，大幅降低故障頻率，使用壽命較大幅度延長；在廣東鍛壓、梧州市萬順鍛壓、江蘇雙贏等主機廠使用后因活塞桿密封件造成的泄露故障幾乎為零。

由此可得，因活塞桿用密封件的品質不穩定造成平衡缸的漏氣，密封件價格上差幾塊錢，只注重價格不注重品質，國內一些平衡缸制造單位使用非優質聚氨酯材質密封圈，材料較硬，彈性差，使用不長時間后因密封圈老化產生永久變形，密封失效使平衡缸無法正常工作。如果一個小小密封圈也是以“最低價中標”，造成的不單單是經濟損失，其他方面比如口碑、市場影響等更是無法估量，對中國制造有不可估量的名譽損失。

1.2.3 小缸徑平衡缸活塞用密封件

小缸徑平衡缸——缸徑≤?400，使用我公司自主研發的低摩擦橡膠活塞（圖4），減少摩擦、提高壽命，該活塞的特點是：①軟接觸，保護缸體不被拉傷；②自潤滑橡膠，減少摩擦；③彈性儲油腔、減磨槽，確保密封付可靠潤滑。

圖4 橡膠活塞結構

另外在平衡缸裝配時需在橡膠活塞彈性儲油腔內涂滿潤滑脂，保證潤滑，對于潤滑脂應使用含有粘附劑的優質鋰基脂潤滑脂。如圖5 所示。優質特種鋰基脂正常使用5～6 年，無給油潤滑使用3～4 年。

圖5 優質鋰基脂潤滑

而用改造后的優質鋰基脂價格為普通鈣基脂的2 倍多，如果也以“最低價中標”，將給產品的品質帶來嚴重的影響。

1.2.4 大缸徑平衡缸活塞用密封件(＞?400)

機械壓力機平衡缸用活塞運動曲線, 如圖6 所示。

圖6 活塞運動曲線

由圖可得，活塞密封件在上止點速度為“0”，始動摩擦力大；活塞密封件在下止點速度為“0”，始動摩擦力大。

（1）目前國內金豐系列平衡缸使用日本NOK 公司生產的UPH 系列橡膠“Y”型圈；國內使用的廣研系列的“Y”型圈與其基本相同；它們都是經過模壓硫化后對密封唇口切邊而成，所以其密封唇口只能為尖角，尖角的摩擦系數遠大于圓角的摩擦系數；另外該系列的密封圈寬度大、接觸面大、因此摩擦力大；而因寬度大造成活塞厚，增加不必要的成本。

（2）上述“Y”型密封圈硬度較高，始動摩擦力大；在機床運行至上下止點時，滑塊速度為“0”，活塞及密封圈的速度為“0”，此時密封件的始動摩擦力非常大，并產生異響。

為解決上述異響問題，我公司定車的密封件將唇口為尖角改為圓角R1～R1.5，在江蘇雙贏使用效果較好；在此基礎上對于硬度高，始動摩擦力大等情況將密封件材質改為丁晴橡膠，近五年來在廣州鍛壓、江蘇雙贏等使用效果很好，有效解決始動摩擦力大及上下止點異響問題。

1.3 活塞桿

目前市場常見活塞桿為半成品，價格及品質較為穩定。①外圓公差尺寸：f8（特殊情況可定制）；②表面鍍硬鉻厚：0.01mm～0.02mm；③表面粗糙度：不小于0.8μm；④表面不得有刮傷、碰毛等缺陷；⑤按訂貨要求定尺割對。

半成品（表面已鍍鉻）落料，自加工兩端，經外表檢驗不得有磕碰刮傷、硬度和鍍鉻層檢測；在國內某單位生產的平衡缸所用活塞桿為毛坯棒料車加工后珩磨外圓鍍鉻，但車加工時不同心，電鍍不均勻，甚至有活塞桿外圓有未磨出情況，最終在平衡缸未使用多久出現活塞桿拉傷，造成漏氣。

1.3.1 活塞桿加工

另外為防止多次裝夾造成活塞桿表面有壓痕或刮傷，在活塞桿加工的車床增設銑鉆功能的動力裝置，在活塞桿車加工安裝端時將扁勢銑出（圖7），減少二次裝夾，大幅度降低因裝夾造成的壓痕或刮傷等缺陷。

圖7 活塞桿銑扁勢裝置

2 質量控制

機械壓力機用平衡缸的質量控制貫穿于設計、加工工藝、供應鏈及外協加工等過程控制。以平衡缸用缸筒為例，缸筒分為：

（1）小缸徑≤?400。無縫管冷拔珩磨或刮削+滾刮成形。

（2）大缸徑＞?400。由端蓋、缸筒、法蘭、加強環等焊接成形，如圖8 所示。

2.1 小缸徑平衡缸用缸筒

目前平衡缸使用的小缸徑缸筒≤?400 基本是采用冷拔無縫鋼管珩磨或滾刮成形。其技術要求為：①內孔公差（H9）；②圓柱度（≤0.05mm）；③粗糙度（≤0.4μm）。

圖8 大缸徑缸筒

由于是整支冷拔無縫缸筒進行滾刮，等滾壓完成后內孔公差（H9）、圓柱度（≤0.05mm）、粗糙度（≤0.4μm）,滿足了平衡缸缸筒圖紙中規定的要求。但定尺鋸割后因裝夾變形或內應力釋放等因素使缸筒發生變形，圓柱度誤差高達0.1mm～0.25mm。從技術層面分析，缸筒產生橢圓的主要原因為內應力釋放。

初步采用的整改方法：

（1）改善缸筒鋸割工裝。采用三點定位方法，扭矩扳手控制壓緊扭矩，但效果不明顯，再次證明缸筒的內應力釋放是造成缸筒圓柱度誤差大的主要原因。

（2）退火。經去應力退火后再對缸筒進行滾刮基本達到圖紙要求，這再次證明缸筒的圓柱度超差的原因是冷拔缸筒的內應力釋放造成。

（3）冷整形。圓柱度超差的缸筒可經過冷整形達到要求，但若干天后仍會恢復到原有狀態，整形無效。

為解決上述圓柱度誤差大的問題可采用自制工裝校驗的方法，如圖9 所示。對于退火后的無縫缸筒再經滾刮后斷料，但在斷料時因夾緊產生的應力仍會導致缸筒變形，但變形量小，因此對于此種情況可采用自制工裝進行校驗，利用三點定位原理，在垂直方向的兩邊各60°方向設置滾動定位裝置，可使該工裝在缸筒內自由旋轉；在垂直于缸筒方向設置百分表，轉動缸筒，利用百分表所顯示數值判定缸筒橢圓度，對于超差缸筒在缸筒外圓正上方設置壓緊裝置，根據缸筒超差尺寸，給予缸筒預緊力，對缸筒超差點位進行預壓改變缸筒內孔尺寸達到校驗圓柱度的目的。

圖9 圓柱度校驗裝置

2.2 大缸徑平衡缸用缸體

目前我公司生產的大缸徑平衡缸用缸體采用安裝法蘭+卷板焊接缸體+底蓋+加強環等焊接加工而成。其技術要求：內徑公差在H7～H8（特殊要求高的平衡缸在H6）；內孔圓柱度在0.03mm～0.05mm；內壁粗糙度不小于0.8μm；特殊情況下要求內壁鍍硬鉻或其他鍍層（如鎳磷合金等）；對此類型缸體的主要控制點在焊接、熱處理、珩磨、電鍍以及放置。

2.2.1 焊接

在以往我公司焊接時所采用的焊接坡口深度較深，坡口在30°左右以及焊接堆積的高度較大，坡口深度較深，因法蘭在焊接前已將各安裝孔或槽加工完成，在焊接后會造成法蘭變形較大，所留余量無法保證車出；若坡口深度較淺則焊接強度不夠。

之后，在公司與金豐公司合作過程中要求此類焊接坡口應在35°左右，坡口深度為較薄板厚的60%，有效解決因坡口大、焊接量大造成的應力大、容易拉裂焊接部位問題。

2.2.2 熱處理——退火

退火的目的為有效消除焊接等產生的應力。退火過程為：升溫、保溫、降溫，有效去除應力的溫度在600～630℃。①升溫：升溫速度過快，會導致缸體變形，并保證升溫速度在100～120℃/h；②保溫：溫度達到要求后應保溫6h，才能消除應力；③降溫：降溫速度過快會產生新的應力導致變形，降溫速度應在100～120℃/h，并要求溫度小于300℃后方可開爐。

如圖10 所示為某公司平衡缸缸體焊接后退火曲線。經對此圖分析，該退火流程升溫過程基本符合要求，但保溫時間只有5h；降溫速度過快，45min 降100℃，導致最終珩磨加工合格的缸體（內孔尺寸公差、圓柱度均在要求之內），在經過一周左右自然時效后產生不規則變形，超出規定的圓柱度0.05mm，甚至有的部位高達0.11mm。

經過對退火工藝控制，在今后產品加工過程中對退火嚴格按照升溫、保溫、降溫工藝曲線要求進行（圖11），情況得到明顯改善。

圖10 某平衡缸缸體焊后退火曲線

圖11 退火曲線

2.2.3 珩磨

珩磨時溫度對金屬具有線脹作用，經查鋼材線脹系數為1.2×10-5/℃，對于大缸徑的平衡缸缸體，不同缸徑在不同溫升下的尺寸變化如表1 所示。

表1 溫度對缸徑的影響

在我公司現有加工的?685 的缸體在實際珩磨過程的溫升預計大于10℃，因此造成的尺寸變化為＞0.082mm，此種情況下即使溫度降至室溫并經4h平衡狀態，測量出的內徑尺寸并不準確，應經過2～3天的自然時效后（一般尺寸變化在0.03mm～0.08 mm），再次測量結果較為穩定。

目前使用的珩磨頭分兩種：一種是機械固定式，為最原始結構，需要手動調節珩磨頭外圓尺寸；另一種為液壓固定式，在液壓作用下將珩磨頭內部裝置頂起將珩磨油石條頂出，起到尺寸固定作用。

常見的珩磨機為臥式珩磨機，其缺點為速度慢、效率低、噪聲大；內壁表面漲緊力大，易拉傷或劃傷缸體內壁；磨削硬質顆粒無法完全排除，顆粒會拉劃傷缸體內壁。其優點為價格低（17～19 萬）、易操作。

為保證缸體珩磨的公差尺寸，公司引進立式伺服珩磨機，先定尺后珩磨，需注意的是：珩磨時裝夾固定應采用上下端面拉桿固定方式，可有效解決缸筒外圓受力產生的變形。其優點為速度快、效率提升1 倍、噪聲??；內壁表面漲緊力小，不易拉傷缸體內壁；磨削硬質顆?？杉皶r排除，不會劃傷缸體內壁。其缺點為價格高（30 萬）。

2.2.4 缸體內壁電鍍硬鉻

缸體內壁鍍硬鉻時缸體內壁接陰極，但電鍍硬鉻時陰極輸入的設置非常重要，如若設置不合理則會造成電鍍表面產生針孔、麻點等缺陷。

造成針孔、麻點的原因分析如下。電鍍時所需的電流密度為20～25A/dm2。以現有缸體為例，?685×835，電流密度按照25A/dm2則需要的電流為6.85×3.14×8.35×25≈180A，電流非常大，當陰極輸入點設置在現有缸體上端法蘭螺紋孔處時，此時螺紋連接結合處是以螺旋線或螺旋線上若干的點相互接觸，此時電流從上述接觸處的電流密度遠大于25A/dm2，而上述超高的不均勻電流密度將氣化電鍍液，從而在此周圍產生針孔、麻點等缺陷。

為解決上述問題，采用以下辦法：

（1）在不影響缸體變形的條件下焊接陰極輸入點，使陰極與缸體接觸為面接觸。

（2）陰極輸入設置在遠離缸體內壁（運動表面），如安裝法蘭、端蓋，即使產生針孔也不會在缸體運動表面產生針孔，只在其他不重要部位產生針孔、麻點等缺陷。

（3）陽極要使用規范的電鍍制具，制具應與缸體內壁均勻分布，否則會造成電鍍不均勻，以現有為例鍍層在0.01mm～0.06mm 之間。

經過改進，現做規范制具以及將陰極設置在遠離缸體內壁處，電鍍后效果較好，能夠滿足要求。

綜上所述，對于缸體內壁電鍍應注意以下幾點：①陰極盡可能不采用在缸體上焊接方式，采用螺紋孔作為陰極輸入點；②螺紋孔作為陰極輸入點必須遠離缸體內壁；③陽極應制作規范的制具，與缸體內壁四周均勻分布。

2.2.5 放置

因大型平衡缸缸體缸徑大、壁厚較薄，自身徑向剛度差，假如缸體在精加工（珩磨、拋光）后側放，因缸體徑向剛度差會產生永久變形（以?685×835 為例缸體變形量高達0.03mm～0.05mm）。

不同放置方式因重力作用產生的變形量如圖12所示。

圖12 不同放置方式變形量

另外在缸體反轉時不可硬著陸，硬著陸的變形量0.05mm～0.10mm，需要廢舊輪胎作為緩沖墊吸收缸體傾倒時產生的撞擊力，且緩沖墊應放置于缸體剛度最差的孔口位置。

如缸體需要立放，則孔口應向上，則不會產生變形；若孔口向下，則會受底蓋等重力不均勻影響而產生變形。

3 結論

產品品質的好壞不單單是生產加工的問題，而是涉及到供應鏈等各流程間的嚴格把控。良心產品必須有良心的供應鏈，才能鑄就良心品牌。企業發展離不開技術革新，質量管控是企業前進的基礎。