套筒零件孔壁加工的变形原因及解决方法

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：孔是套筒零件起支承或导向作用最主要的表面。长套筒零件的加工比较复杂，下面以图3-31所示液压缸的加工工艺过程为例进行叙述和分析。套筒零件孔壁较薄，加工中常因夹紧力、切削力、残余应力和切削热等因素的影响而产生变形。

1.概述

（1）套筒零件的功能与结构特点套筒零件是机械中常见的一种零件，通常起支承或导向作用。它的应用范围很广，例如支承旋转轴上各种形式的轴承，夹具上引导刀具的导向套，内燃机上的气缸套以及液压缸等，图3-30所示为套筒零件。

图3-30 套筒零件

a）、b）滑动轴承 c）钻套 d）轴承衬套 e）气缸套 f）液压缸

由于作用不同，套筒零件的结构和尺寸有着很大的差别，但结构上仍有共同特点：零件的主要表面为同轴度要求较高的内外旋转表面，零件壁的厚度较薄易变形，零件长度一般大于直径等。

（2）套筒零件的技术要求套筒零件的主要表面是孔和外圆，其主要技术要求如下：

1）孔的技术要求。孔是套筒零件起支承或导向作用最主要的表面。孔的直径尺寸精度一般为IT7级，精密轴套取IT6级。由于与气缸和液压缸相配的活塞上有密封圈，这一类孔的精度通常取IT9级。孔的形状精度应控制在孔径公差以内，一些精密套筒控制在孔径公差的1/2～1/3。对于长套筒，除了圆度要求以外，还有圆柱度要求。为了保证零件的作用和提高其耐磨性，孔的表面粗糙度值为Ra2.5～0.16μm，要求高的表面粗糙度值达Ra0.04μm。

2）外圆表面的技术要求。外圆是套筒的支承面，常采用过盈配合或过渡配合同箱体或机架上的孔相连接。外径尺寸精度通常取IT6～IT7级，形状精度控制在外径公差以内，表面粗糙度值为Ra5～0.63μm。

3）孔与外圆轴线的同轴度要求。当孔的最终加工方法是通过将套筒装入机座后合件进行加工的，其套筒内、外圆间的同轴度要求可以低一些；若最终加工是在装入机座前完成，则同轴度要求较高，一般为0.01～0.05mm。

4）孔轴线与端面的垂直度要求。套筒的端面（包括凸缘端面）若在工作中承受轴向载荷，或虽不承受载荷，但在装配或加工中作为定位基准时，端面与孔轴线的垂直度要求较高，一般为0.01～0.05mm。

（3）套筒零件的材料与毛坯套筒零件一般用钢、铸铁、青铜或黄铜制成。有些滑动轴承采用双金属结构，以离心铸造法在钢或铸铁套内壁上浇注巴氏合金等轴承合金材料，既可节省贵重的非铁金属，又能延长轴承的寿命。对于一些强度和硬度要求高的套筒（如镗床主轴套筒、伺服阀套），可选用优质合金钢。

套筒的毛坯选择与其材料、结构、尺寸及生产批量有关。孔径小的套筒一般选择热轧或冷拉棒料，也可采用实心铸件；孔径较大的套筒常选择无缝钢管或带孔的铸件和锻件。大批量生产时，采用冷挤压和粉末冶金等先进毛坯制造工艺，既可节约用材，又可提高毛坯精度及生产率。

2.套筒零件加工工艺过程与工艺分析

套筒零件由于功能、结构形状、材料、热处理以及尺寸不同，其工艺差别很大。按结构、形状可分为短套筒与长套筒两类。它们在机械加工中对工件的装夹方法有很大差别。对于短套筒（如钻套），通常可在一次装夹中完成内、外圆表面及端面加工（车或磨），工艺过程较为简单，精度容易保证。长套筒零件的加工比较复杂，下面以图3-31所示液压缸的加工工艺过程为例进行叙述和分析。

图3-31 液压缸零件图

（1）套筒零件加工工艺过程加工液压缸的工艺过程见表3-2。

表3-2 液压缸加工工艺

（2）套筒零件加工工艺过程分析

1）保证套筒表面位置精度的方法。液压缸零件内、外表面轴线的同轴度以及端面与孔轴线的垂直度要求较高，若能在一次装夹中完成内、外表面及端面的加工，则可获得很高的位置精度，但这种方法的工序比较集中。对于尺寸较大的，尤其是长径比大的液压缸，不便一次完成，于是将液压缸内、外表面加工分在几次装夹中进行。一般可以先终加工孔，然后以孔为精基准最后加工外圆。由于这种方法所用夹具（心轴）的结构简单，定心精度高，可获得较高的位置精度，因此应用甚广。以孔定位的方式，可采用锥套心轴。另一种方法，是先终加工外圆，然后以外圆为精基准最后加工孔。采用这种方法时，工件装夹迅速、可靠，但夹具较上述孔定位的复杂，加工精度也略差。

2）防止加工中套筒变形的措施。套筒零件孔壁较薄，加工中常因夹紧力、切削力、残余应力和切削热等因素的影响而产生变形。为了防止此类变形，应注意以下几点：

①减少切削力与切削热的影响。采用大主偏角的刀具，内、外表面同时切削，使背向力互相抵消或夹紧在凸边上如图3-32所示。粗、精加工分开进行，使粗加工产生的变形在精加工中得到纠正。

②减少夹紧力的影响。工艺上可采取以下措施：改变夹紧力的方向，即径向夹紧改为轴向夹紧。

图3-32 减少切削力影响的安装加工方法

图3-33 采用开缝过渡套筒

图3-34 用软卡爪装夹工件

a）软爪安装 b）带有焊层的车削方法

1—工件 2—衬柱 3—焊层

对于普通精度的套筒，如果需径向夹紧时，也应尽可能使径向夹紧力均匀，例如可采用开缝过渡套筒套在工件的外圆上，一起夹在自定心卡盘内（图3-33）；也可采用软卡爪装夹，以增大卡爪和工件间的接触面积。软卡爪是未经淬硬的卡爪，形状与原来的硬卡爪相同，如图3-34a所示。使用时，把硬卡爪前半部A拆下，换下软爪，用螺钉联接。如果卡爪是整体式的，可以用旧的硬卡爪在夹持面上焊一块钢料或铜料。对换上的软爪的夹持面进行车削，车削卡爪的直径跟被夹持的零件直径基本相同，并车出一个台阶，以使工件端面正确定位。在车软爪之前，为了消除间隙，必须在卡爪内端夹持一段略小于工件直径的定位衬柱，待车好后拆除，如图3-34b所示。用软爪装夹工件，既能保证位置精度，也可减少找正时间，防止夹伤零件的表面。

3.套筒零件孔的加工方法

内孔是套筒零件的主要表面，套筒零件的加工方法有以下几种：钻孔、扩孔、镗孔、车孔、铰孔、磨孔、拉孔、珩孔、研磨孔及孔表面滚压加工。其中钻孔、扩孔、车孔与镗孔通常作为粗加工与半精加工，而铰孔、磨孔、珩孔、研磨孔、拉孔及滚压加工则为孔的精加工方法。孔加工方法的选择，需根据孔径大小、深度与孔的精度、表面粗糙度以及零件结构形状、材料与孔在零件上的部位而定。孔加工的常用工艺步骤见表3-3。

表3-3 孔加工的工艺路线

（1）深孔加工一般将孔的长度L与直径d之比大于5的孔，称为深孔，深孔在加工中常见的问题是：由于刀具的强度和刚性都比较差，加工中容易发生引偏和振动，孔的精度不易保证。其次刀具在近似封闭的状态下工作，切削温度高，刀具冷却、散热条件差，切屑排出困难，使刀具的寿命降低，工件表面粗糙度值增大。

为了解决在深孔加工产生的问题，加工时必须采取措施以保证零件的加工精度，常用的措施有：

1）采取工件旋转，刀具仅做进给运动的方式进行孔的加工。

2）采用压力输送切削液冷却刀具，强制排出切屑，带走热量。

3）改进刀具结构，增加断屑措施，有良好的分屑、断屑和卷屑功能，又利于切屑顺利排出等。

（2）孔的光整加工方法当套筒零件内孔的加工精度和表面质量要求很高时，可进一步采用精细镗、珩磨、研磨、滚压等孔的光整加工方法。

1）精细镗孔。精细镗孔与一般镗孔方法基本相同，采用硬质合金刀具或者采用人工合成的金刚石刀具和立方氮化硼刀具。为了达到高精度与较低的表面粗糙度值的要求，采用回转精度高、刚度大的机床及高的切削速度，较小的切削余量和进给量。

2）内孔珩磨。珩磨是低速、大面积接触的磨削加工，常用来加工气缸孔、阀孔、套筒孔等外形不便旋转的大型零件的孔以及细长孔。图3-35b是珩磨机简图。旋转和往复直线运动是珩磨的主运动，这两种运动的组合，使磨石上的磨粒在孔表面上的切削轨迹成交叉而不重复的网纹，如图3-35c所示。交叉网纹表面有利于润滑，可大大提高内孔表面的耐磨性。径向加压运动是磨石的进给运动，加压力越大，进给量就越大。

图3-35 珩磨原理

a）珩磨原理 b）珩磨机 c）珩磨形成的切削网纹

1—工件 2—磨石 3—进刀磨削压力 4—行程进给液压缸 5—链条 6—变速机构 7—网纹轨迹

3）内孔研磨。内孔研磨的原理与外圆研磨相同。研具通常采用铸铁制的磨棒，磨棒表面开槽用来存放研磨剂。图3-36为研孔用的研具，图3-36a是粗研具，棒的直径可用螺钉调节；图3-36b为精研具，用低碳钢制成；图3-36c是可调研磨棒。

孔研磨工艺的特点主要是提高内孔的表面质量，但它不能提高孔的位置精度，且生产率较低。

4）孔滚压（或挤压）。孔的滚压加工原理与外圆滚压相同。对于淬硬套筒孔的精加工不宜采用滚压。而铸铁液压缸，也不可采用滚压工艺而选用研磨。

图3-37所示为一液压缸滚压头，滚压孔表面的圆锥形滚柱3支承在锥套5上，滚压时圆锥形滚柱与工件有30′或1°的斜角。孔滚压前，通过调节螺母11调整滚压头的径向尺寸，旋转螺母11可使其相对心轴1沿轴向移动，向左移动时，推动过渡套10，推力球轴承9，衬套8及套圈6经销子4时，圆锥形滚柱3沿锥套的表面向左移动，结果使滚压头的径向尺寸缩小；当调节螺母向右移动时，由压缩弹簧7压移衬套，经推力球轴承使过渡套始终紧贴在调节螺母的左端面，当衬套右移时，带动套圈，经盖板2使圆锥形滚柱也沿轴向右移，而使滚压头径向尺寸增大。

图3-36 研具

a）粗研具 b）精研具 c）可调研磨棒

图3-37 滚压头

1—心轴 2—盖板 3—圆锥形滚柱 4—销子 5—锥套 6—套圈 7—压缩弹簧 8—衬套 9—推力球轴承 10—过渡套 11—调节螺母

径向尺寸调整好的滚压头，滚压过程中圆锥形滚柱所受的轴向力，经销子、套圈、衬套作用在推力球轴承上，最终是经过渡套，调节螺母及心轴传至与滚压头端M40×4mm螺纹相联的刀杆上。滚压完毕后，滚压头从孔反向推出时，圆锥形滚柱受到一个向左的轴向力，此力传给盖板2，经套圈、衬套将压缩弹簧压缩，实现向左移动，使滚压头直径缩小，保证滚压头从孔中推出时不碰已滚压好的孔壁。滚压头完全退出孔壁后，在压缩弹簧力的作用下复位，使径向尺寸又恢复到原调整的数值。

套筒零件孔壁加工的变形原因及解决方法

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