轴向柱塞泵柱塞与缸体孔泄漏及工艺分析

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液压传动应用越来越广泛，目前在工程机械、起重运输机械设备、冶金设备 、农林机械、船舶甲板机械、航空航天等领域都应用的非常广泛。尽管国内发展比较晚，但是发展速度很快，国内的航空航天事业在蒸蒸日上，那么对其液压系统要求也越来越高，而柱塞泵作为液压的动力以及整个液压系统的核心，提高其性能、可靠性和寿命是相当重要的。

柱塞泵具有结构紧凑、单位功率孝重量轻、工作压力高(额定工作压力-般可达 35MP)、在高压下仍能保持较高的容积效率(-般在 95%2E右)、控制方式有多种(可以实现正流量控制、压力切断控制、恒功率控制)以及容易实现变量等优点。

柱塞在缸体孔内做往复运动，柱塞与缸体孔之间的配合存在-定的间隙，主要是为了使干摩擦变成液体润滑摩擦，在减小了摩擦的同时也起到了密封的作用效果，但是如果间隙过大，油液则会渗漏到泵体里面，减小了其容积效率；相反如果配合间隙过小则会出现咬死”现象，滑靴很容易被拉断。

2泄漏流量计算利用柱塞与缸体孔的泄漏量来分析其间隙的合理性，单个柱塞泵的泄漏流量的计算公式为：。 ： ± ： - 生l 12 gtan n[州 ]式中：口-相邻柱塞间的夹角， 兰丌-40；6-柱塞与缸体孔的单边间隙； 心率；f -柱塞瞬时在缸体里面的长度 ； -油液粘度，O.037Pa·s；v-柱塞运动速度。

故所有柱塞的泄漏流量计算公式为：盟妻 --r&v Rstany- 主 in[ ( ]来稿日期 ：2012-l0-14基金项目：国家自然科学基金项目(510o518 8)；西华大学制造与自动化识重点实验室开放研究基金资助项 目(SZJJ2009-023)四川侍育厅自然科学重点项目(09202032)；西华大学人才培养项目(R0720221)作者简介：骆科技，(1983-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要研究方向：机械密封技术研究；王和顺，(1975-)，男，四川西昌人，教授，博士，主要研究方向：机械密封、测控技术的研究和教学工作134 骆科技等：轴向柱塞泵柱塞与缸体孔泄漏7Lx-艺分析 第8期通过 Matlab分析 ，柱塞与缸体孔的配合间隙与泄漏流量的关系，如图1所示。它们的间隙与泄漏流量成正比关系，在考虑工艺的情况下，不能取得过小；但是过大又会造成过大的泄漏，根据轴和孑L的配合公差理论上是(741) m，而泄漏的标准在正常工作的情况下不能超过 0.25ml/min，所以其间隙取值为(10-15)lm。

- / 图 1泄漏流量Fig.1 Leak Flow Rate3柱塞工艺分析为了能够使柱塞与缸体的配合间隙满足使用的要求，需要对柱塞和缸体的加工工艺进行改进和优化，使柱塞和缸体的配合间隙能够在(10-15) m变化。以下是柱塞和缸体的工艺。

柱塞与缸体配合时是有-定的间隙，是间隙配合。当柱塞泵开始工作时，液压油就会从高压的柱塞端流向低压端部泄漏，由于加工出来的柱塞总是存在误差的，柱塞与缸孔间的配合不均匀，就会使液压力分布不均匀，间隙大的-侧压降小，压力大；相反间隙小的-侧压降大，压力低；所以必须保证柱塞与缸体孔的同轴度和表面粗糙度 。柱塞的有关参数，如图 2所示。因为柱塞泵的工作压力很大，所以选择柱塞为硬质材料，缸体为软质材料。

柱塞的材料为 38CrMnTiA，其物理陛能和力学性能比较好。加工时要确保所有的尖边都没有毛刺，柱塞端面与柱塞球头的圆跳动为0.02mm，柱塞表面粗糙度为 0.41m。

图2柱塞零件简图Fig.2 Part Diagram of Plunger柱塞的毛坯是-个圆柱体，过去通常选用普通车床来进行加工，利用三爪卡盘来定位，实现半自动的加工，这种加工方法精度低、效率不高。现采用数控车床完成整个柱塞的外形加工，与普通车床类似，数控车床是数控机床应用最广泛的-种。数控车床由车床主机、数控系统、驱动系统、辅助装置以及机外编程组成，如图3所示。

图3数控车床的组成Fig.3 The Composition of CNC Lathe柱塞工序如下：(1)下料五件毛坯 632mmx550mm，用锯床锯断。

(3)用三爪卡盘装卡，进行车端面、外圆、球面、钻孔粗加T。

软爪与硬爪采用过盈配合，如图4所示。通过螺栓来固定软爪，并且为了防止螺栓松动，用弹性垫圈，-般硬爪不能够超出软爪，留有(3～5)mm空间。调头车另外-端面、钻孔、倒角，镗软爪跳动在 0.03ram以内。

图 4软爪Fig.4 Soft Claw(4)利用两顶锥顶住两端孔磨外圃及球面，清理磨外圆和球面后的毛刺以及内孑L毛刺；需要根据柱塞的图纸检查个加工尺寸，并且保证球面着色检验时，其面积大于80%。

(5)经过加工后的柱塞存在内应力以及考虑到柱塞表面的质量和硬度，所以需要进行热处理和表面氮化，氮化层的深度为(0.35-0.5)mm，氮化表面硬度 HV>1040。

(6)球面与滑靴配合，其精度要求比较高，其需要进行研磨。

(7)柱塞外表面与缸体孑L里往返运动，为了减小摩擦 ，对柱塞外圆进行无心磨外圆，分别分粗、精磨削，清理磨后的毛刺。

(8)所有尖边均无毛刺，按图检查各尺寸；球面着色检验，检验面积大于 90%。

柱塞泵在工作过程柱塞被拉断是经常发生的故障，所以对其热处理、材料以及在加工过程中需要注意的问题是很关键的，在装夹和测量柱塞时要确保其误差在控制的范围内，工艺人员把特别需要注意事项必须在图纸上注明，以便操作工能更好的掌握好柱塞的加工，在加工过程中要不断的检查柱塞尺寸，避免带来不必要的损失，提高加工质量和效率 。

4缸体工艺分析多种控制高压柱塞泵在实验和应用过程中，发现回油量很大导致其效率偏低的技术性问题，经过反复的实验证明是缸体的大端面的圆跳动与缸体内的花键的圆跳动相差很大造成的。以往的加工缸体的方法是用钻铰，精加工是用手工研磨的，后来改用挤压的方法来加工缸体孔，这些加工都不能够满足目前对柱塞泵性能不断提高的设计要求。

改进了缸体的结构，把缸体孔设计成了9个均匀分布的斜孑L，缸体孔与缸体的轴线的角度为5。，使柱塞运动更平稳，通过数控机床加工，缸体零件简图，如图5所示。

因为柱塞选择了硬材料，则缸体就要选择软-点的材料，为了节省缸体的材料，缸体孔49 mm这个长度是用缸体衬套配合的，其用的材料是铜合金，其它的用45钢，此材料的综合性能比No.8Aug.201 3 机械设计与制造 l35较好，适合缸体的工况，缸体与传动轴配合的花键采用了德国的标准，DOM5480W52230249H(最大外径为52mm，模数为2，分度圆压力角为 3O。，齿数为 24个，基孔制配合公差等级为 9级)。大端面与花键的圆跳动为 0.03mm，缸体加工的工序如下：(1)在数控车床上车缸体的大端，用三爪卡盘定位另外-端。

(2)调头车另外-端，用软爪定位，软， 跳动不可以超过102mmo(3)打批测顺序号。

(4)磨端面，以大端面定位，磨另-端面，保证尺寸13Q 。mm。

(5)钻径向孑L，定位大小两端面及中心孔，再扩径向孔和铰径向孔。

(6)铣月牙槽 ，定位小端面和中-t，：fL，在数控铣床上铣 9个月牙槽。

(8)拉内花键，利用拉刀在拉床上加工花键，定位缸体的外表面，拉刀从上面运动到下面，拉刀的结构设计，如图6所示。

图5缸体零件简图Fig.5 Part Diagram of Bolck图 6拉刀Fig.6 Broach(9)镗 9个孑L，需要专门设计-个分度盘来定位 9个孔 ，因为9个孔都是斜孔，所以在设计分度盘要考虑与缸体的孔加工时和刀具在通-轴线上。

(11)进行高频淬火热处理，在加工缸体时受到的切削力很大，对缸体产生了应力 ，同时为了提高花键的强度 、硬度及耐磨性 ，花键的淬硬层深度 1.2mm 1.5mm，淬火 的表面硬度为HRC4551。

缸体加工在整个柱塞泵里面是至关重要的，通过柱塞泵的实验，不断改进其加工工艺是-个连续性的过程，目前采用这种工艺路线加工出来的缸体，通过试验台测试的性能结果满足使用要求，不过要达到更好的效果，还需要不断的从试验中或者柱塞泵工作过程中发现问题并且通过改变结构和工艺来完善缸体 ”1。

柱塞和缸体的材料选择及加工过程对其配合间隙影响非常大，从柱塞和缸体孔的泄漏流量非常清楚的知道，应该把两者结合在-起考虑，才能满足设计要求。

5结论通过对柱塞和缸体孔的泄漏流量与缸体孔的转角关系进行研究分析，并且采用了Matlab软件进行了曲线仿真，得出了泄漏流量随着缸体的转角增大而增加，而泄漏的标准在正常丁作的情况下不能超过 0.25ml/min，确定了其间隙在范围内其泄漏流最是较小的，为了得到这个间隙对其柱塞与缸体孔的加工r艺进行分析和改进，最终满足设计要求，并且提高了轴向柱塞泵的容积效率和整体的寿命。