大型圆锥破碎机液压缸衬套关键加工工艺研究

梁志理，张 雁，徐侠剑，赵 军，高 伟

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471000

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471000

大型圆锥破碎机是一种用于物料破碎的重型破碎设备，在矿山领域应用日趋广泛，其采用液压技术和圆锥破碎原理，能够高效地破碎大型石料，满足不同行业的破碎需求。作为破碎矿石的关键设备，大型圆锥破碎机在建材、化工及选矿等领域发挥着重要作用[1]。液压缸作为圆锥破碎机中的关键部件之一，结构复杂，在整机试压时经常出现漏油的现象。通过对圆锥破碎机液压缸的结构分析，对出现漏油的液压缸部件进行检查、分析，确定漏油问题是由于液压缸衬套没有满足液压缸使用特性的要求。为此，需要对液压缸衬套加工的关键工艺过程进行研究、攻关，以提升产品质量。

1 液压缸

液压缸主要由缸体、柱塞、液压缸衬套、缸底等部件组成，如图1 所示。液压缸在制造厂总装完成后，要求进行压力测试，试验压力为 7.5 MPa，至少保证 48 h 内无泄漏。

图1 液压缸结构Fig.1 Structure of hydraulic cylinder

液压缸衬套材质为 QT700-2，壁厚较薄，最薄处为 20 mm，与缸体配合的外圆粗糙度为Ra1.6，与柱塞配合内孔的粗糙度为Ra0.4，如图2 所示。液压缸衬套外圆及内孔圆柱度均为 0.02 mm，加工精度要求达 6 级精度。液压缸衬套作为液压缸部件中的耐磨、密封件，其内、外圆均要求做磁粉探伤，保证工作面无细微裂纹，以满足液压缸的使用要求。

图2 液压缸衬套Fig.2 Hydraulic cylinder bushing

2 材料特性

QT700-2 球墨铸铁是一种以珠光体为主基体组织的铸铁[2]，按照 GB/T 1348—2009 标准，其力学性能如表1 所列。

表1 QT700-2 力学性能Tab.1 Mechanical properties of QT700-2

相比于普通钢，球磨铸铁具有的良好机械性能和耐磨性，比灰铸铁的强度及韧性更高，且其综合生产成本较低。球磨铸铁耐磨性受珠光体含量的影响较大，其珠光体含量越高，则耐磨性就越好，但其可加工性就越差[3-4]。

QT700-2 球墨铸铁的硬度较大，强度较高，耐磨性好，但难以加工。若采用一般的硬质合金刀具进行切削，刀具磨损速度较快，使用寿命较低；同时，汇聚在球状石墨周围的游离铁素体，在加工过程中产生高温时，会对刀具产生化学侵蚀，影响刀具寿命[5]。因此，球墨铸铁在精加工时要不间断地使用切削液进行冷却、润滑；另外，球墨铸铁内部含有较多石墨成分，加工时也起到了切削润滑的作用。

球墨铸铁中的铸造缺陷主要有疏松、缩松、缩孔、夹渣、夹杂物、裂纹、砂眼以及气孔等，这些缺陷采用一般的超声波检测手段难以发现[6-7]，对于铸件表面以下 3～4 mm 之内的缺陷，即使采用表面检测手段 (磁粉或者涡流检测)，也难以发现缺陷[8]。

综上所述，液压缸衬套因其材料特性以及结构特点，加工制造难度较高，液压缸衬套在制造过程中外圆、内孔的粗糙度以及加工尺寸的变形控制是保证液压缸衬套质量的关键。同时，液压缸衬套内部组织致密性对整个液压缸的承压水平也起到举足轻重的作用。

3 高效均质-耐压复合检验

液压缸衬套在液压缸工作时，其内孔须承受 7.5 MPa 工作压力。液压缸衬套精加工完成后，若内部仍存在疏松、缩松、缩孔、夹渣、夹杂物，工作表面若仍存在裂纹、砂眼以及气孔等铸造缺陷，则直接导致液压缸在试压过程中出现漏油现象，最终影响液压缸的产品质量。

相较于其他液压缸零件，液压缸衬套尺寸较大且壁薄，铸造时不可避免地出现各种较为复杂的铸造缺陷。液压缸衬套精加工前，若采用着色渗透检测方法，虽在一定程度上能检测出工件内部组织的致密性(内部是否存在疏松、缩松、缩孔、夹渣、裂纹、气孔等)，但从生产制造实际来看，错检概率也较大。同时，着色渗透检测方法的检测时限过长 (着色渗透检测时长一般为 24～36 h)，会对液压缸衬套的加工制造周期产生较大影响。着色渗透检查液压缸衬套的方法如图3、4 所示。

图3 着色渗透检查Fig.3 Color penetration inspection

图4 衬套内部组织致密性检测Fig.4 Inspection of internal tissue density of bushing

为更好地检查液压缸衬套的内部组织致密性，在液压缸衬套精加工前，需提前剔除内部组织不合格的零件。因此，根据液压缸衬套的使用特性，提出了一种圆锥破碎机液压缸衬套高效均质-耐压复合检验的方法。该检测方法可以替代着色渗透检查，而且可以检验零件内部组织的均匀性、致密性，还可以检验零件的强度。结合液压缸衬套的加工制造流程，该方法能够快速、高效地检测液压缸衬套内部组织致密性是否满足液压缸的使用要求。

在液压缸衬套半精加工后，通过设计专用试压工装对其内孔施加 7.5 MPa 的试验压力，进行均质-耐压复合检验，检验液压缸衬套是否满足液压缸工作压力的要求，如图5 所示。经过一定时间的保压后 (保压时长 15 min)，液压缸衬套外圆无渗透痕迹，试验压力无泄压压降现象，则说明内部组织致密性合格、耐压合格，从而确保液压缸衬套产品质量满足设计要求。如若经过一定时间的保压后，液压缸衬套外圆存在渗透痕迹、试验压力有泄压现象，则说明液压缸衬套内部存在疏松、缩松、缩孔、夹渣、夹杂物，工作表面存在裂纹、砂眼以及气孔等铸造缺陷，零件耐压试验不合格。

图5 试压工装检验Fig.5 Inspection by pressure test tool

利用专用试压工装进行液压缸衬套均质-耐压复合检验的方法，可以提前剔除液压缸衬套不合格的零件，提高液压缸衬套的加工质量及成品合格率。

4 加工控制

4.1 液压缸衬套加工变形控制

液压缸衬套属于薄壁套零件，且外形尺寸较大，单独加工时难以保证其尺寸公差。通过利用工艺螺孔将液压缸衬套固定在托盘上加工外圆，从而杜绝因机床装夹夹紧造成的装夹变形，避免影响液压缸衬套的加工圆柱度，如图6 所示。当外圆精加工完成后，再将液压缸衬套装配到液压缸缸体内，精加工液压缸衬套内孔，保证内孔粗糙度及几何公差要求。

图6 利用托盘加工及粗糙度检测Fig.6 Using pallet for processing and conducting roughness inspection

4.2 液压缸衬套内孔粗糙度保证

由于液压缸衬套内孔粗糙度要求较高，刀具加工很难实现。通过对 3 种不同抛光方法的抛光效果进行测试，实现了液压缸衬套尺寸、粗糙度及几何公差各项指标均满足图纸设计的要求。3 种抛光试验方法如下。

(1) 用 3M 抛光轮＋研磨膏普通抛光的方法进行多次抛光加工，粗糙度达到了Ra0.46～0.70，没有达到图纸要求的Ra0.4。

(2) 用势必锐金属表面晶体重塑光整仪进行多次试验，光整后粗糙度虽能满足图纸要求，如图7 所示，但光整并自然放置 48 h 后，由于工件内应力重新分布，致使工件内孔产生变形，内孔尺寸超差，最终无法满足图纸要求。

图7 光整衬套内孔后效果及粗糙度检测Fig.7 Effect and roughness inspection after finishing inner hole of bushing

(3) 在雾化切削液的辅助下，利用抛光工具＋研磨膏的抛光方法，对液压缸衬套内孔进行多次粗抛光＋细抛光加工。在细抛光前，需要用煤油对内孔进行清洗，将黏附在内孔表面的金属末擦洗掉后，再进行细抛光，该方法使液压缸衬套内孔粗糙度达到了Ra0.4，局部也可达到Ra0.2～0.3 之间，如图8～10所示。在细抛光完成并自然放置 48 h 后，复检液压缸衬套内孔粗糙度以及圆柱度，均满足了图纸设计要求，说明该抛光方法达到了预期效果。

图8 雾化切削＋粗砂纸粗抛Fig.8 Using atomized cutting fluid and coarse sandpaper for rough polishing

图9 雾化切削＋细砂纸精抛Fig.9 Using atomized cutting fluid and fine sandpaper for fine polishing

图10 雾化切削＋3M 抛光轮＋800 目研磨膏精抛Fig.10 Using atomized cutting fluid,3M polishing wheel and 800 mesh grinding paste for fine polishing

5 结论

(1) 经过实践应用对比，均质-耐压复合检验确实比着色渗透检查能更快、更准确地检测液压缸衬套内部组织致密性，而且还可以检验零件结构的强度。

(2) 通过试验、攻关，液压缸衬套加工变形得到控制，几何公差满足了产品的使用要求。

(3) 通过对 3 种不同抛光方法的抛光效果进行测试，确定了液压缸衬套内孔工作面粗糙度提升措施及方法，为后续类似产品零件的加工制造提供了借鉴。

通过提升液压缸衬套的加工质量，使得液压缸在整体试压时经常出现漏油的问题得到了解决，有效提高了圆锥破碎机的产品质量，为继续深入研究分析大型圆锥破碎机的产品结构及使用特性提供了技术支撑。