薄壁气缸套工艺研究

李志信，任家骏

（1.太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024；2.山西太重北特机械设备制造有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

在大型锻造生产线中，锻锤部位的气缸套是主机设备的关键部件，也是易损零件，其工作环境温度较高，并且承受着锤头传来的冲击载荷。工作时，锤杆与气缸套快速相对运动，易产生摩擦磨损。因此，要求气缸套应具有良好的力学性能，表面质量可靠、耐磨，定位精准，装配精度高。但气缸套订货周期很长，价格昂贵，对实际生产影响很大。因此，若将此缸套零件进行国产转化，对降低生产成本，减少设备维修费用将产生显著的效果。

1 气缸套特性及材料分析

图1为气缸套外形简图。从图1中可以看出，该气缸套零件形状简单，尺寸较大，属于高强度、高精度薄壁零件，所有表面为加工面，其尺寸精度、表面精度、形位精度要求很高。

图1 气缸套外形简图

该零件为薄壁直筒类缸体零件，壁厚只有25mm，缸套直径为Φ1 150mm，高度为700mm，零件的内外表面粗糙度要求很高（Ra1.6），筒体圆柱度、内外圆同心度等形位要求也很高，一般此类零件的制造工艺性较差，加工过程中极易产生变形，影响零件的尺寸、形位精度，制造过程成品率低。

1.1 对损坏零件进行分析检测

首先根据零件特点准备检测工具，主要包括2m卷尺、Φ1 000mm～Φ1 200mm内径千分尺、Φ1 000mm～Φ1 200mm外径千分尺、深度尺、金属切削表面粗糙度样块等工具。对损害部位进行分析，检测零件各部位尺寸与图纸偏差，同时与装配部件进行校核。通过损坏的实体零件可以看出，零件失效主要表现为受力变形及表面磨损，零件失效后设备表现为漏油、锤杆出现划痕和动力不足等，说明零件发挥的作用为密封、支撑等。

1.2 根据零件使用特性调整材料

根据零件使用环境以及特性分析，可知该零件要求表面光洁度高、耐磨、内孔端头的凹槽处安装密封圈，具有密封作用，刚性较好。根据常用材料特性，初步确定使用满足GB/T 3077－1999的42CrMo合金结构钢，其化学成分和机械性能如表1和表2所示。

42CrMo钢具有较好的机械强度和淬透性能，韧性好，淬火时变形小，高温时具有高的蠕变强度和持久强度，经渗氮处理后具有较高的疲劳强度和表面硬度，且具有较好的耐腐蚀性。

2 对气缸套进行制造过程设计及工艺分析

2.1 确定零件的毛坯工艺要求

通过分析零件的性能要求，选择零件毛坯为锻件毛坯，由于大型的锻造毛坯较少，不易形成批量生产，因此采用自由锻设备锻造环状毛坯。

根据锻造规范，锻造前必须将钢锭表面缺陷全部清除掉，锻造比不得小于3.5，各尺寸毛坯余量为（39±14）mm，锻造过程中应规范加热，加热温度最高为1 200℃～1 220℃，锻造温度为800℃，修整温度为750℃。要求锻件表面没有裂纹、折叠、锻伤、结疤、夹杂等缺陷，在锻件本体上进行超声波探伤检查，符合 JB/T 5000.15－2007标准要求。

表1 42CrMo的化学成分（质量分数） %

表2 42CrMo的力学性能

2.2 确定零件的加工工艺过程

薄壁类零件加工难度一般都比较大，容易产生变形，加工后零件尺寸精度、形位精度不容易得到保证，一直是零件加工中的难题。

（1）选择加工设备。选择1.5m数控立车，为避免将零件装夹变形，采用箱体类零件压板式固定方法固定零件，使得零件在径向不受装夹产生的应力影响，从粗加工开始到半精加工全部采用该装夹方式固定，以减小零件加工过程中的变形影响。

（2）半精加工过程。由于该零件在切削加工过程中会产生较大的切削应力，切削过程中的切削用量、转速、进给等要素选择应保证产生较小的应力，因此将半精加工分成两道，中间增加一次退火以消除切削应力，防止精加工时应力释放而导致零件尺寸发生变化。

（3）精加工工艺过程。由于零件表面光洁度要求很高，因此零件精加工采用磨削。首先进行外圆磨削，使用6m外圆磨床，制作外圆磨削工装，工装要求中心轴与支撑外壁同心度在0.01mm以内，尺寸与缸套精加工前其内孔尺寸应配合。然后用立式珩磨机对内孔进行珩磨，以保证零件内孔尺寸精度、表面光洁度等要求。各项尺寸公差不能接近下差，保持在中上差范围，以应对渗氮处理过程中尺寸的细微变化。经过实际生产过程的3次验证，渗氮处理后该零件的尺寸缩小了0.03mm～0.05mm，因此在零件渗氮前，精加工零件的尺寸应调大0.04mm。

（4）零件热处理要求。考虑零件使用状态以及环境要求，该零件采用调质处理，加热860℃，850℃淬油，再560℃回火处理，使得零件调质硬度达到HB300～HB320，以获得更好的表面渗氮处理效果。加工过程中的消除切削应力退火温度要求控制在470℃以下，不能超过调质过程中的回火温度。

（5）零件表面强化处理。渗氮处理是一种常用的提高钢铁零件表面强度和耐磨性的热处理手段，具有处理温度低、零件变形小、表面硬度高、耐腐蚀等特点。42CrMo渗氮效果跟基体性能相关，根据经验，将零件的热处理工艺调整为调质HRC32～HRC35。42CrMo的材料成分中Cr、Mo含量较高，能够得到比较好的渗氮效果。渗氮设备选用台式离子氮化炉LD－200A。根据渗氮工艺要求，渗氮温度为530℃，保持渗氮温度，时长为23h，然后降温，随炉冷却，最终保证渗氮层深度达到0.5mm，表面硬度达到HRC60～HRC64，以满足零件的使用性能要求。氮化装盘时应注意，该零件不能与其他零件挤压，炉盘上应放置4块～6块等高垫块，然后放置气缸套。

（6）零件吊装要求。操作时应特别注意起吊方式，不允许直接在零件上栓绑钢丝绳、尼龙绳等吊具，应制作专门的缸套起吊工装，并拖住缸套的底部端面进行起吊，避免与其他零件碰撞等。发货过程中，必须制作专门的包装方案，保证零件在运输吊装等过程的完好状态。

（7）检测零件的精度。对应零件制作工艺过程，应制定详细的零件检验节点，且毛坯检验必须严格按照锻造工艺要求进行，因为热处理环节关系到材料性能是否能够达到，所以要求检查各环节的热处理温度，遵守热处理工艺，记录渗氮前后的尺寸变化并进行对比，以调整零件渗氮前的尺寸。

2.3 新品实际使用验证及工艺改进

通过多次对生产工艺过程进行调整，将调质硬度上调，调整切削要素，增加中间去应力退火，增加内孔珩磨，调整渗氮工艺等，经过两次调整工艺之后，气缸套的质量得到很大的提升，无论尺寸精度、形位精度都能满足使用要求，并延长了使用寿命，降低了设备使用成本。

3 结论

经过多次调整和改进气缸套的制造工艺，生产出的气缸套获得了良好的性能，降低了设备维护成本和备件采购成本，更好地保证了设备的正常运行。

［1］重型机械标准编写委员会.重型机械标准［M］.北京：中国标准出版社，2007.

［2］陈玉琨，赵云筑.工程材料及机械制造基础［M］.北京：机械工业出版社，2001.