液压缸活塞杆加工表面质量控制

液压缸有很多突出优点，如结构简单、运行平稳、易于调速、可实现直线运动等，被广泛应用于起重机的起升机构、变幅机构和支承结构等。活塞杆是液压缸的关键零件，其加工表面质量直接影响液压缸的密封性能。密封性差将直接导致泄漏现象，影响作业安全。起重机械定期检验规则规定: 流动式起重机和铁路起重机在首检和定期检验时均需要做液压系统密封性能试验。由此可见，研究如何提高液压缸活塞杆加工表面质量有重要意义。本文主要从液压缸活塞杆的加工工艺和表面形貌测量两个方面探究提高其表面加工质量的方法。

1 活塞杆的加工

液压缸活塞杆的长径比通常比较大，属于细长轴类零件，是机械加工中典型的难加工零件。由于工件刚性差，加工过程中受切削力、切削热的作用易发生弯曲变形，且变形量不恒定，越到中间变形量越大，使加工后的工件呈现中间粗两头细的现象。同时，由于受到离心力的作用，工件极易产生振动，进而影响加工精度和表面粗糙度。因此，必须采取合理措施保证其加工精度。

1.1 采取合理的加工工序

为了获得稳定的加工质量，加工开始后不允许再对活塞杆进行人工校直，因此，校直工序应该在加工前进行。由于工件刚性差，加工过程中要分别进行粗车、精车以提高加工精度。活塞杆的工作方式是往复式直线运动，为提高活塞杆的使用寿命，表面要进行镀铬处理，以提高其表面硬度和耐磨性。镀铬后需再进行抛光处理，以获得较高的表面粗糙度，降低摩擦因数，提高密封性。由于抛光工序对活塞杆外径尺寸几乎没有影响，工件在镀铬前即需要达到较高的表面粗糙度，因此，在镀铬工序前需要增加精磨工序( 精磨同时也可以提高铬的表面附着能力) 。综合以上分析，活塞杆较为合理的加工工序为: 校直- 粗车- 精车- 精磨- 镀铬- 抛光。

1.2 车削加工

轴类零件车削加工时一般有双顶尖装夹和一夹一顶装夹两种装夹方式，由于活塞杆刚性差，采用双顶尖装夹时弯曲变形大，且容易振动，因此，一般采用夹盘和顶尖一夹一顶的装夹方式; 在加工过程中应使用跟刀架和中心架来提高活塞杆的刚度; 在车削过程中应使车刀由夹盘向顶尖方向进给，使工件处于受拉状态; 在刀具方面，应合理选择刀具角度，减小径向切削力，可采用新型陶瓷刀具，其与金属的摩擦力小，可减少切削热的产生，同时，陶瓷刀具耐高温，耐磨损，可减小刀具磨损对加工精度的影响; 加工过程中充分浇注切削液可以减小切削热对精度的影响。采取上述措施，可明显减小工件的弯曲变形。

1.3 精磨与抛光加工

车削加工过程中，起定位作用的中心孔会出现一定程度的磨损。为保证基准统一原则，在磨削加工前应先修整中心孔，以保证加工质量。磨削时应先在靠近端部的外圆处试磨，确认跳动情况符合加工要求时方可进行活塞杆的磨削加工。精磨加工除了要提高尺寸精度外，还要使加工表面获得较高的表面粗糙度以提高电镀过程中铬离子的亲和能力。为保证最终活塞杆的铬镀层厚度均匀，精磨后的表面粗糙度应接近镀铬抛光后的表面粗糙度，如果活塞杆的表面粗糙度要求较高，如要求Ra < 0.2 μm，则应在精磨后增加超精磨或者抛光工序。

图1表面原始轮廓的小波分析

2 活塞杆的表面检测

活塞杆的形位误差检测主要包括同心度、垂直度、对称度，可以用偏摆仪、百分表等仪器测量。采用前文所述的加工工艺，可以保证活塞杆在形状误差检测方面有较高的合格率。除了形位公差外，表面形貌检测是活塞杆的另一个重要检测项目。

2.1 表面形貌测量方法

活塞杆的表面形貌检测方法主要包括接触式测量法和非接触式测量法。接触式测量法是利用触针直接获得被测量表面轮廓的某一截面曲线，通过数据处理获得真实轮廓各种表面特征参数的近似值。这种测量方法操作简单、直观性强、应用范围广，主要用于二维表面形貌测量。非接触式测量法主要利用不同的光物理现象采集表面轮廓的原始数据，该方法具有测量面积大、采集数据快的特点，主要用于三维表面测量。

2.2 二维表面形貌的测量与分析

与活塞杆泄漏现象密切相关的主要是表面轮廓的幅度，因此，常用的表征参数为轮廓的算术平均偏差Ra 和轮廓的最大高度Rz ( 符号Rz 曾在旧的国家标准中用来表示“不平度的十点高度”)。表面形貌的接触式测量法是国际学者一致认可的二维粗糙度的标准测量方法，因此，活塞杆的二维表面形貌测量也选用接触式测量法。接触式测量法虽然测量精度高，但触针会在一定程度上划伤测量表面，为了避免触针划伤测量表面，可以选择在磨削之后、电镀之前测量表面粗糙度。实践表明，抛光后的表面粗糙度与电镀之前表面粗糙度有直接关系，并且数值有所下降，因此，可以在确定活塞杆工艺参数后，通过测量样件建立抛光前后表面粗糙度的映射关系。

表面形貌除了可以用于测定表面粗糙度数值之外，还可以用于监控工件的加工状态。表面原始轮廓包含形状误差、波纹度、粗糙度信息。形状误差可以反映导轨误差、刀具磨损等信息; 波纹度与密封性能密切相关，波纹过多往往预示着加工过程中出现了问题; 表面轮廓中较深的低谷容易扩展形成裂纹; 周期性出现的轮廓突变可能与轴承损害有关。通过监控表面形貌，如果发现持续性的异常应立即停止生产，排查原因，避免更大的损失。为了便于观察和分析表面形貌，可以借助小波分析将原始轮廓分解为形状误差、波纹度和粗糙度。图1 所示为粗糙度测量仪测得的Ra = 0.2μm 的活塞杆表面的原始轮廓和小波分解结果。

2.3 表面损伤检测

经过电镀抛光工序的活塞杆常常伴随有铬坑、麻点等镀层缺陷，这些缺陷的大小和数量直接影响活塞杆的使用性能。要减小这些缺陷对活塞杆的影响，一方面，通过提高原材料的品质，改善加工工艺，减少缺陷的产生; 另一方面，要在抛光工序后准确检测镀层缺陷，避免不合格产品出厂。目前，镀层缺陷主要人工依靠肉眼或放大镜检测，不但容易造成眼睛疲劳，影响视力，而且容易出现漏检现象。为提高镀层缺陷的检验效率，可以借助图像学知识实现缺陷的自动检测，图2 给出了缺陷检测方案的流程图。

图2缺陷检测流程

在对活塞杆工件进行检测之前，应先判断用途，如果用途较重要，需要用工业显微镜采集图像，如果用途一般，高清数码相机即能满足使用要求。对于工业显微镜采集的图像，由于分辨率很高，磨削抛光产生的纹理会对缺陷特征提取产生影响，因此，需要增加纹理去除环节。

3 结束语

本文主要从活塞杆的加工工艺和表面形貌测量两个方面介绍了活塞杆加工表面质量控制的方法，对于提高液压缸活塞杆的加工表面质量，改善液压缸性能有重要意义，并对类似活塞杆的细长轴类零件加工有很好的借鉴作用。