一种中空柱塞及其加工工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种中空柱塞及其加工工艺，解决了实心柱塞质量高以及全空柱塞无效容积大的问题，其技术方案要点是，包括柱塞芯和一端延伸有球头的柱塞套，柱塞套远离球头的一端沿着柱塞套的长度方向开设有柱状空腔，柱塞芯包括端盖和固定于端盖的圆心并且垂直于端盖的端面向外延伸的立柱，立柱的外径小于柱状空腔的内径，立柱穿设于柱状空腔且立柱的端部通过焊点与柱状空腔的底面圆心连接，端盖的盖合面边沿通过焊缝与柱状空腔的开口边沿连接，本发明的一种中空柱塞及其加工工艺，端盖与柱塞套的固定使得柱状空腔与端盖之间形成了密闭腔室，从而减小了柱塞的质量，避免柱塞离心力产生的较大力矩导致缸体倾覆，以增加柱塞泵的使用寿命。
【专利说明】
一种中空柱塞及其加工工艺
技术领域
[0001]本发明涉及液压系统执行元器件技术领域，特别涉及一种中空柱塞及其加工工
-H-
O
【背景技术】
[0002]柱塞作为柱塞栗中最核心的零件，直接影响着柱塞栗的质量。柱塞按照结构可分为实心柱塞与空心柱塞。
[0003]如果将柱塞做成实心部件，其重量将大大增加，由柱塞离心力产生的较大力矩极易导致缸体倾覆，从而影响柱塞栗的使用寿命。
[0004]如果将柱塞做成全空心结构，虽然结构较简单，但其中的空腔增大了缸筒中的无效死容积，使工作介质的压缩性对容积效率产生的不利影响加剧，因此现有的柱塞还存在一定的改进空间。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种中空柱塞，能够减小柱塞的质量以及惯性力，而且能够减小柱塞的无效容积。
[0006]本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种中空柱塞，包括柱塞芯和一端延伸有球头的柱塞套，所述柱塞套远离球头的一端沿着柱塞套的长度方向开设有柱状空腔，所述柱塞芯包括端盖和固定于端盖的圆心并且垂直于端盖的端面向外延伸的立柱，所述立柱的外径小于柱状空腔的内径，所述立柱穿设于柱状空腔且立柱的端部通过焊点与柱状空腔的底面圆心连接，所述端盖的盖合面边沿通过焊缝与柱状空腔的开口边沿连接。
[0007]采用上述方案，端盖与柱塞套的固定使得柱状空腔与端盖之间形成了密闭腔室，从而减小了柱塞的质量，避免柱塞离心力产生的较大力矩导致缸体倾覆，以增加柱塞栗的使用寿命;穿设于柱状空腔内的立柱能够减小柱塞套中的无效死容积，增加了容积效率，以降低工作介质的压缩性对容积效率的不利影响，立柱还能起到支撑的作用，使得柱塞在运行过程中端盖不会下陷，增加了柱塞的结构强度。
[0008]作为优选，所述端盖的盖合面边沿朝着球头的方向轴向延伸有凸缘，所述凸缘的外径与柱塞套的外径一致，其内径与柱塞套的内径一致，所述凸缘的边沿通过焊缝与柱状空腔的开口边沿连接。
[0009]采用上述方案，凸缘使得端盖在柱塞套上进行焊接时，端盖不会直接与柱塞套相接触，留出了焊接空间，使得端盖不会因焊缝而受到损耗。
[0010]作为优选，所述立柱远离端盖的一端套设有柱塞垫片，所述立柱垂直于柱塞垫片的平面，所述柱塞垫片与柱状空腔的底面保持有间隙，所述柱塞垫片的外圆紧贴于柱状空腔的内圆。
[0011 ]采用上述方案，若没有柱塞垫片，当端盖在柱塞套上进行焊接时，立柱会因振动而发生倾斜，使立柱的位置产生偏移，导致柱塞的整体重心发生偏差;柱塞垫片的设置起到了固定立柱的作用，当端盖在焊接时，立柱穿设在柱状空腔内，这时柱塞垫片的边沿支撑于柱状空腔的侧壁，使得立柱在进行焊接时端部能够被固定，不易发生倾斜和位置偏移，从而增加了焊接精度。
[0012]作为优选，所述立柱穿设于柱塞垫片的圆心位置。
[0013]采用上述方案，使得柱塞垫片的边沿与立柱中心之间的距离能够保持一致，增加了柱塞垫片的平衡性，进一步提升其固定效果。
[0014]作为优选，所述立柱远离端盖的一端延伸有轴肩，所述轴肩的外径小于立柱的外径，所述柱塞垫片的中心开设有第三穿孔，所述轴肩穿设于第三穿孔，所述轴肩通过第三穿孔与柱塞垫片固定。
[0015]采用上述方案，使得轴肩与立柱之间形成了一个环形阶梯，当柱塞垫片通过第三穿孔套设到轴肩以后，轴肩与立柱之间形成的环形阶梯起到了限位作用，使柱塞垫片能够被定位在立柱的最佳位置，避免影响柱塞垫片的定位效果。
[0016]作为优选，所述立柱的中心轴向开设有第一穿孔，所述球头的中心轴向开设有第二穿孔，所述第一穿孔靠近端盖的一端延伸至端盖，所述第一穿孔远离端盖的一端通过轴肩延伸至第二穿孔并与第二穿孔连通。
[0017]采用上述方案，第一穿孔与第二穿孔中能够存储油液，使得柱塞在运动的过程中，油液能够从相互连通的第一穿孔与第二穿孔处来回流动，从而起到润滑柱塞的作用，以增加柱塞栗的使用寿命。
[0018]作为优选，一种加工中空柱塞的加工工艺，柱塞套的加工工艺包括如下步骤: 第一步:选取原材料，原材料选用材质为38CrMoALA、规格为030的棒料；
第二步:下料，下料尺寸相较于标准尺寸留有长度余量I.5毫米；
第三步:对第二步中的原料进行热处理加工，调质处理，调质硬度为HRC24?26度； 第四步:对原料进行粗加工处理，通过仪表车床车出外圆，以得到柱塞套的柱体； 第五步:钻孔加工，通过立钻钻出柱塞套的柱状空腔；
第六步:平底加工，利用普通车床将柱状空腔的底面深度进行加工，保证尺寸60+0.1/0
一致；
柱塞芯的加工工艺包括如下步骤:
第一步:选取原材料，原材料选用材质为38CrMoALA、规格为030的棒料；
第二步:下料，下料尺寸相较于标准尺寸留有长度余量I.5毫米；
第三步:对第二步中的原料进行热处理加工，调质处理，调质硬度为HRC24?26度；第四步:通过数控车床对第三步中的棒料进行车外圆，以得到一体连接的立柱与端盖，以及延伸于端盖上的凸缘；
第五步:通过仪表车床从立柱的端部车出轴肩；
将加工完毕的柱塞套与柱塞芯进行装配与焊接，具体步骤如下:
第一步:将柱塞垫片通过第三穿孔套设到轴肩，直至与立柱的端部相抵触；
第二步:将柱塞套夹持于摩擦焊机的旋转夹具中，柱塞芯夹持于摩擦焊机的移动夹具中，柱塞芯与柱塞套的中心轴位于同一直线，且立柱的端部与柱状空腔的开口相对；
第三步:焊接处理，以转速1400rpm，摩擦压力50MPa进行稳定摩擦焊接4秒后刹车制动；刹车制动的同时保持50MPa的顶锻压力，并保持顶锻压力4秒，以使立柱的端部与柱状空腔的底面相固定，同时凸缘的端面与柱塞套的端面相固定；
第四步:去应力处理，以使硬度达到HRC26?28度；
第五步:球头粗加工，通过仪表车床车外圆，以得到柱塞套的球头；
第六步:钻小孔，通过立钻分别在柱塞套的端部与球头钻孔，以得到第一穿孔与第二穿孔；
第七步:通过数控车床对球头的外形精加工；
第八步:无心磨粗磨外圆；
第九步:氮化处理，井式气体硬氮化炉，表面氮化硬度为HV900?1100度，氮化深层为0.3?0.5晕米；
第十步:通过研磨对球头进行精加工处理；
第i^一步:高精度无心磨加工外圆；
第十二步:高精度超精磨加工外圆至图纸尺寸。
[0019]采用上述方案，该用于加工中空柱塞的工艺操作简单，缩短了工艺流程，加工成本低，同时加工精度高。
[0020]综上所述，本发明具有以下有益效果:
1、端盖与柱塞套的固定使得柱状空腔与端盖之间形成了密闭腔室，从而减小了柱塞的质量，避免柱塞离心力产生的较大力矩导致缸体倾覆，以增加柱塞栗的使用寿命；
2、穿设于柱状空腔内的立柱能够减小柱塞套中的无效死容积，增加了容积效率，以降低工作介质的压缩性对容积效率的不利影响，立柱还能起到支撑的作用，使得柱塞在运行过程中端盖不会下陷，增加了柱塞的结构强度；
3、通过采取此结构措施对减轻柱塞质量和减少柱塞惯性力提供了可能，大大改善了柱塞栗的动态特性；
4、该中空柱塞的加工工艺通过采用摩擦钎焊工艺将柱塞芯与柱塞套进行结合，简化工艺，缩减加工流程，在保证产品性能与质量的前提下，降低了生产成本，同时加工精度高。
【附图说明】
[0021]图1为本发明中柱塞套与柱塞芯的爆炸图；
图2为图1所不A部的放大不意图；
图3为本发明中柱塞套与柱塞芯的装配示意图。
[0022]图中:1、柱塞芯;2、柱塞套;3、球头;4、柱状空腔;5、端盖;6、立柱;7、凸缘;8、柱塞垫片;9、轴肩；10、第三穿孔;11、第一穿孔;12、第二穿孔。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0024]本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
[0025]本实施例公开的一种中空柱塞，如图1所不，包括柱塞芯I和一端延伸有球头3的柱塞套2，柱塞套2远离球头3的一端沿着柱塞套2的长度方向开设有柱状空腔4，柱塞芯I包括端盖5和固定于端盖5的圆心并且垂直于端盖5的端面向外延伸的立柱6，立柱6的外径小于柱状空腔4的内径，立柱6穿设于柱状空腔4且立柱6的端部通过焊点与柱状空腔4的底面圆心连接，端盖5的盖合面边沿通过焊缝与柱状空腔4的开口边沿连接。
[0026]如图1所示，端盖5的盖合面边沿朝着球头3的方向轴向延伸有凸缘7，凸缘7的外径与柱塞套2的外径一致，其内径与柱塞套2的内径一致，凸缘7的边沿通过焊缝与柱状空腔4的开口边沿连接。
[0027]如图2所不，立柱6远离端盖5的一端套设有柱塞垫片8，立柱6垂直于柱塞垫片8的平面，柱塞垫片8与柱状空腔4的底面保持有间隙，柱塞垫片8的外圆紧贴于柱状空腔4的内圆。其中柱塞垫片8的截面形状与柱状空腔4的截面形状保持一致，从而增加柱塞垫片8的固定效果。立柱6穿设于柱塞垫片8的圆心位置。
[0028]如图2所示，立柱6远离端盖5的一端延伸有轴肩9，轴肩9的外径小于立柱6的外径，柱塞垫片8的中心开设有第三穿孔10，轴肩9穿设于第三穿孔10，轴肩9通过第三穿孔10与柱塞垫片8固定。
[0029]如图1所示，立柱6的中心轴向开设有第一穿孔11，球头3的中心轴向开设有第二穿孔12，第一穿孔11靠近端盖5的一端延伸至端盖5，第一穿孔11远离端盖5的一端通过轴肩9延伸至第二穿孔12并与第二穿孔12连通。
[0030]通过实验证明，在315bar的工作压力下，本发明的中空柱塞噪声实验数据为彡83dB，而传统的全空柱塞为88dB，根据实验结果可得，本发明的中空柱塞所产生的噪音低了5dB0
[0031 ]中空柱塞的油液压缩容积为95%，而全空柱塞为92%，由实验数据可得，中空结构的容积效率比全空结构要提高3%;而且中空柱塞的各种性能曲线与全空柱塞相比也比较平稳，波动较小。
[0032]实验结果表明采用中空结构的柱塞，相比实心柱塞重量减轻15%，并且在无效容积达到最小的同时具有足够的刚度，噪声降低5dB达到83dB，容积效率达到95%，实验指标均优于液压轴向柱塞栗行业标准(JB/T 7043-2006)。
[0033]柱塞套2的加工工艺包括如下步骤:
第一步:选取原材料，原材料选用材质为38CrMoALA、规格为030的棒料;38CrMoALA是高级氮化钢，主要用于具有高耐磨性、高疲劳强度、高机械强度以及热处理后尺寸精确的氮化零件，或各种受冲击负荷不大而耐磨性高的氮化零件。
[0034]第二步:下料，利用切割机来切割原始棒料，便于后续加工，下料尺寸相较于标准尺寸留有长度余量1.5毫米。
[0035]第三步:对第二步中的原料进行热处理加工，调质处理，调质硬度为HRC24?26度；调质处理是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等方法。其中回火又包括调质处理和时效处理。按照所希望的机械性能将已经淬火的棒料重新加热到一定温度(350°C?650°C)之间进行，碳是以细均分布的渗碳体形式析出。随着回火温度的增加，碳化物的颗粒就增大，屈服点和拉伸强度就下降，降低硬度和脆性，延伸率和收缩率就升高。其目的是消除淬火产生的内应力，以取得预期的力学性能。
[0036]第四步:对原料进行粗加工处理，通过仪表车床车出外圆，以得到柱塞套2的柱体；仪表车床属于简单的卧式车床，由于采用手推式进刀，弹簧夹头快速装夹，顶针式限位装置，快速手板式操作，电机直接带动主轴运转，定位控制车削，对单一固定种类的工件与外型进行连续加工，可比普通车床提高工效10倍以上，特别适用于大批量、小零件的加工。可代替其他机床，以节省能源消耗。
[0037]第五步:钻孔加工，通过立钻钻出柱塞套2的柱状空腔4;钻孔深度在60mm左右。
[0038]第六步:平底加工，利用普通车床将柱状空腔4的底面深度进行加工，保证尺寸60+
0.1/0—致;利用铣刀铣出柱状空腔4的平底。
[0039]柱塞芯I的加工工艺包括如下步骤:
第一步:选取原材料，原材料选用材质为38CrMoALA、规格为030的棒料；
第二步:下料，下料尺寸相较于标准尺寸留有长度余量I.5毫米；
第三步:对第二步中的原料进行热处理加工，调质处理，调质硬度为HRC24?26度；第四步:通过数控车床对第三步中的棒料进行车外圆，以得到一体连接的立柱6与端盖5，以及延伸于端盖5上的凸缘7;
第五步:通过仪表车床从立柱6的端部车出轴肩9。
[0040]将加工完毕的柱塞套2与柱塞芯I进行装配与焊接，具体步骤如下:
第一步:将柱塞垫片8通过第三穿孔10套设到轴肩9，直至与立柱6的端部相抵触，其中柱塞垫片8与轴肩9过盈配合。
[0041]第二步:将柱塞套2夹持于摩擦焊机的旋转夹具中，柱塞芯I夹持于摩擦焊机的移动夹具中，柱塞芯I与柱塞套2的中心轴位于同一直线，且立柱6的端部与柱状空腔4的开口相对;摩擦焊是实现焊接的固态焊接方法。在压力作用下，即在恒定或递增压力以及扭矩的作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动在摩擦面及其附近区域产生摩擦热和塑形变形热，使其附近区域温度上升到接近但一般低于熔点的温度区间，使材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎;在顶锻压力的作用下，伴随材料产生塑性变形及流动，通过界面的分子扩散和再结晶而实现固态焊接。相对传统熔焊，摩擦焊具有焊接接头质量高的优点，能达到焊缝强度与基体材料等强度，焊接效率高、质量稳定、一致性好，可实现异种材料焊接等。
[0042]第三步:焊接处理，进行焊接时，开启摩擦焊机，柱塞套2在旋转夹具的驱动下进行高速转动，同时柱塞芯I在移动夹具的驱动下将柱塞垫片8推入至柱状空腔4内，使柱塞垫片8的边沿与柱状空腔4的内壁相抵触，从而起到固定立柱6的作用，防止柱塞芯I在焊接的过程中立柱6发生倾斜或偏移，大大增加了加工精度;当立柱6的端部移动至与柱状空腔4的底面相顶触时，由于两者之间进行着高速的相对运动，使得两个接触面之间由于摩擦产生大量的热，让附近区域的材料融化，在顶锻压力的作用下，使立柱6与柱状空腔4的底面通过界面的分子扩散和再结晶而焊接在一起；同时，端盖5的凸缘7与柱塞套2的端面也因相对摩擦而产生热量，使得端盖5的凸缘7与柱塞套2的端面也焊接在一起。
[0043]摩擦焊机在运行时，以转速1400rpm，摩擦压力50MPa进行稳定摩擦焊接4秒后刹车制动;刹车制动的同时保持50MPa的顶锻压力，并保持顶锻压力4秒，以使立柱6的端部与柱状空腔4的底面相固定，同时凸缘7的端面与柱塞套2的端面相固定。
[0044]第四步:去应力处理，以使硬度达到HRC26?28度； 第五步:球头3粗加工，通过仪表车床车外圆，以得到柱塞套2的球头3;
第六步:钻小孔，通过立钻分别在柱塞套2的端部与球头3钻孔，以得到第一穿孔11与第二穿孔12;应分别从端盖5的端面中心与球头3的端部打孔，其中第一穿孔11通过立柱6的中心与第二穿孔12连通，且第一穿孔11的孔径大于第二穿孔12的孔径。
[0045]第七步:通过数控车床对球头3的外形精加工，使得球头3的尺寸更接近于图纸尺寸。
[0046]第八步:无心磨粗磨外圆，为氮化作准备。
[0047]第九步:氮化处理，井式气体硬氮化炉，表面氮化硬度为HV900?1100度，氮化深层为0.3?0.5毫米;氮化处理是指一种在一定温度下、一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。
[0048]第十步:通过研磨对球头3进行精加工处理，使得球头3的表面更加光滑与平顺。
[0049]第^^一步:高精度无心磨加工外圆，以提高球头3的精度。
[0050]第十二步:高精度超精磨加工外圆至图纸尺寸。
【主权项】
1.一种中空柱塞，其特征是:包括柱塞芯(I)和一端延伸有球头(3)的柱塞套(2)，所述柱塞套(2)远离球头(3)的一端沿着柱塞套(2)的长度方向开设有柱状空腔(4)，所述柱塞芯(I)包括端盖(5)和固定于端盖(5)的圆心并且垂直于端盖(5)的端面向外延伸的立柱(6)，所述立柱(6)的外径小于柱状空腔(4)的内径，所述立柱(6)穿设于柱状空腔(4)且立柱(6)的端部通过焊点与柱状空腔(4)的底面圆心连接，所述端盖(5)的盖合面边沿通过焊缝与柱状空腔(4)的开口边沿连接。2.根据权利要求1所述的一种中空柱塞，其特征是:所述端盖(5)的盖合面边沿朝着球头(3)的方向轴向延伸有凸缘(7)，所述凸缘(7)的外径与柱塞套(2)的外径一致，其内径与柱塞套(2)的内径一致，所述凸缘(7)的边沿通过焊缝与柱状空腔(4)的开口边沿连接。3.根据权利要求2所述的一种中空柱塞，其特征是:所述立柱(6)远离端盖(5)的一端套设有柱塞垫片(8)，所述立柱(6)垂直于柱塞垫片(8)的平面，所述柱塞垫片(8)与柱状空腔(4)的底面保持有间隙，所述柱塞垫片(8)的外圆紧贴于柱状空腔(4)的内圆。4.根据权利要求3所述的一种中空柱塞，其特征是:所述立柱(6)穿设于柱塞垫片(8)的圆心位置。5.根据权利要求4所述的一种中空柱塞，其特征是:所述立柱(6)远离端盖(5)的一端延伸有轴肩(9)，所述轴肩(9)的外径小于立柱(6)的外径，所述柱塞垫片(8)的中心开设有第三穿孔(10)，所述轴肩(9)穿设于第三穿孔(10)，所述轴肩(9)通过第三穿孔(10)与柱塞垫片(8)固定。6.根据权利要求5所述的一种中空柱塞，其特征是:所述立柱(6)的中心轴向开设有第一穿孔(U)，所述球头(3)的中心轴向开设有第二穿孔(12)，所述第一穿孔(11)靠近端盖(5)的一端延伸至端盖(5)，所述第一穿孔(II)远离端盖(5)的一端通过轴肩(9)延伸至第二穿孔(12)并与第二穿孔(12)连通。7.一种加工如权利要求6所述的中空柱塞的加工工艺，其特征是: 柱塞套(2)的加工工艺包括如下步骤: 第一步:选取原材料，原材料选用材质为38CrMoALA、规格为030的棒料； 第二步:下料，下料尺寸相较于标准尺寸留有长度余量I.5毫米； 第三步:对第二步中的原料进行热处理加工，调质处理，调质硬度为HRC24?26度； 第四步:对原料进行粗加工处理，通过仪表车床车出外圆，以得到柱塞套(2)的柱体； 第五步:钻孔加工，通过立钻钻出柱塞套(2)的柱状空腔(4); 第六步:平底加工，利用普通车床将柱状空腔(4)的底面深度进行加工，保证尺寸60+.0.1/0—致； 柱塞芯(I)的加工工艺包括如下步骤: 第一步:选取原材料，原材料选用材质为38CrMoALA、规格为030的棒料； 第二步:下料，下料尺寸相较于标准尺寸留有长度余量I.5毫米； 第三步:对第二步中的原料进行热处理加工，调质处理，调质硬度为HRC24?26度；第四步:通过数控车床对第三步中的棒料进行车外圆，以得到一体连接的立柱(6)与端盖(5)，以及延伸于端盖(5)上的凸缘(7); 第五步:通过仪表车床从立柱(6)的端部车出轴肩(9); 将加工完毕的柱塞套(2)与柱塞芯(I)进行装配与焊接，具体步骤如下:第一步:将柱塞垫片(8)通过第三穿孔(10)套设到轴肩(9)，直至与立柱(6)的端部相抵触；第二步:将柱塞套(2)夹持于摩擦焊机的旋转夹具中，柱塞芯(I)夹持于摩擦焊机的移动夹具中，柱塞芯(I)与柱塞套(2)的中心轴位于同一直线，且立柱(6)的端部与柱状空腔(4)的开口相对； 第三步:焊接处理，以转速1400rpm，摩擦压力50MPa进行稳定摩擦焊接4秒后刹车制动；刹车制动的同时保持50MPa的顶锻压力，并保持顶锻压力4秒，以使立柱(6)的端部与柱状空腔(4)的底面相固定，同时凸缘(7)的端面与柱塞套(2)的端面相固定； 第四步:去应力处理，以使硬度达到HRC26?28度； 第五步:球头(3)粗加工，通过仪表车床车外圆，以得到柱塞套(2)的球头(3); 第六步:钻小孔，通过立钻分别在柱塞套(2)的端部与球头(3)钻孔，以得到第一穿孔(11)与第二穿孔(12); 第七步:通过数控车床对球头(3)的外形精加工； 第八步:无心磨粗磨外圆； 第九步:氮化处理，井式气体硬氮化炉，表面氮化硬度为HV900?1100度，氮化深层为.0.3?0.5晕米； 第十步:通过研磨对球头(3)进行精加工处理； 第i^一步:高精度无心磨加工外圆； 第十二步:高精度超精磨加工外圆至图纸尺寸。
【文档编号】F04B53/14GK105889059SQ201610380130
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】张大松
【申请人】宁波派锐森液压有限公司