CN106799471B - 一种液压缸及其制造方法及液压弹簧操动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液压缸及其制造方法及液压弹簧操动机构，其中制造方法包括以下步骤，预制内缸体毛坯，内缸体毛坯为由SiC陶瓷材料制成，将内缸体毛坯放置在铸造模具中，向铸造模具中注入高温液态铝合金，对未凝固的液相铝合金施压，使得液相铝合金充满铸造模具内腔，外缸体毛坯制成，同时液压缸毛坯也成型；取出液压缸毛坯，进行机加工。本发明将整个液压缸的缸体分为两部分，内缸体采用SiC陶瓷材料预制成型，在内缸体基础上挤压铸造出铝合金材质的外缸体。内缸体是铝合金基复合材料，具备接近钢材的强度和刚度，能够承载额定油压及缓冲油压。外缸体采用铝合金材质，使得液压缸的整体质量比整体采用钢材的液压缸降低，便于加工、运输和装配。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压缸及其制造方法及液压弹簧操动机构。
背景技术
高压断路器是电力输送的关键设备，而其中的操动机构是关键部件，用来使断路器实现分合闸。按照储能方式的不同，主要分为液压弹簧操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构、电磁式操动机构，液压弹簧操动机构以其输出功率大，反应快，可靠性高等特点，被普遍采用。液压操动机构，以液压缸为中心布置，液压缸不仅是连接中心，也是油路集成块。液压缸需要承受高油压，额定油压50MPa左右，缓冲油压100MPa左右，甚至更高。液压缸需具备较高的机械强度以保证机械连接和承载的可靠性。目前，液压缸一般采用铝材或钢材锻制或铸造而成，具体的结构可参见授权公告号为CN201655571U的中国专利公开的高压断路器的液压弹簧操动机构。
应用在超/特高压开关设备中的大功率液压弹簧操动机构，例如中国专利（公开号为CN1808650A）公开的大功率液压操动机构，其中的液压缸体积更大，额定油压更高，接近60MPa。这种液压缸若也采用常规的制造方法制造，存在如下弊端：
（1）采用铝材锻制或铸造，如果热处理过程控制不当，会导致液压缸材料的金相组织发生异常，产生安全隐患，严重时会引起重大故障。
（2）采用钢材锻制或铸造，由于液压缸体积很大，重量会特别重，不利于加工、运输和装配。大功率液压弹簧操动机构是安装在超/特高压开关筒体的法兰上的，重量过大，不利于与之对接的超/特高压开关筒体的受力，严重时甚至会造成开关漏气。
发明内容
本发明的目的是提供一种液压缸制造方法，以解决现有技术中液压缸不能兼顾机械强度高、重量轻的技术问题。同时本发明还提供一种液压缸及使用该液压缸的液压弹簧操动机构。
为了实现以上目的，本发明中液压缸制造方法的技术方案如下：液压缸制造方法，将液压缸分为内缸体和外缸体进行制造，具体包括以下步骤，1）、预制内缸体毛坯，内缸体毛坯为由SiC陶瓷材料制成的中空结构，内缸体毛坯的中空部分形成与活塞适配的活塞腔；2）、将所述内缸体毛坯放置在铸造模具中；3）、向铸造模具中注入高温液态铝合金，对未凝固的液相铝合金施压，使得液相铝合金充满铸造模具内腔，外缸体毛坯制成，同时液压缸毛坯也成型；4）、取出液压缸毛坯，进行机加工，使得内缸体和外缸体尺寸符合要求。
在步骤1）中，将SiC颗粒与造孔剂、粘结剂按一定比例混合均匀后烧结，制成具有孔隙的所述内缸体毛坯。
在步骤4）中，于机加工之前，对液压缸毛坯进行热处理。
在进行步骤3）之前，在所述铸造模具中放置预先制造好的油道型芯，以通过所述油道型芯在铸造过程中铸造出液压缸的油道主体。
所述油道型芯以石英玻璃为基体，与矿化剂、增塑剂按一定比例混合均匀后烧结而成。
使用上述的液压缸制造方法制造的液压缸的技术方案：
液压缸，包括外缸体、位于外缸体内部的内缸体，内缸体由SiC陶瓷材料制成且其上设有与活塞适配的活塞腔，外缸体由铝合金铸造而成，外缸体上设有油道。
内缸体上具有供铝合金液体渗入的孔隙结构。
沿活塞的运动方向，所述内缸体的长度与外缸体长度相等，所述活塞腔形成供活塞上下运动的活塞腔整体。
所述内缸体的沿活塞的运动方向的长度小于外缸体的长度，所述内缸体内的活塞腔形成活塞的缓冲腔，外缸体内于内缸体上侧设有上下贯通的活塞孔，所述活塞孔与所述缓冲腔上下对应并一起形成供活塞上下运动的活塞腔整体。
本发明液压弹簧操动机构采用如下技术方案：
液压弹簧操动机构，包括液压缸，液压缸包括外缸体、位于外缸体内部的内缸体，内缸体由SiC陶瓷材料制成且其上设有与活塞适配的活塞腔，外缸体由铝合金铸造而成，外缸体上设有油道。
内缸体上具有供铝合金液体渗入的孔隙结构。
沿活塞的运动方向，所述内缸体的长度与外缸体长度相等，所述活塞腔形成供活塞上下运动的活塞腔整体。
所述内缸体的沿活塞的运动方向的长度小于外缸体的长度，所述内缸体内的活塞腔形成活塞的缓冲腔，外缸体内于内缸体上侧设有上下贯通的活塞孔，所述活塞孔与所述缓冲腔上下对应并一起形成供活塞上下运动的活塞腔整体。
本发明的有益效果：本发明将整个液压缸的缸体分为内缸体和外缸体两部分，其中内缸体采用SiC陶瓷材料预制成型，内缸体是与活塞配合使用的。然后在内缸体基础上挤压铸造出铝合金材质的外缸体，外缸体与内缸体形成结合为一体的结构。相当于内缸体是铝合金基复合材料，具备接近钢材的强度和刚度，且密度小、耐磨损，供活塞在其内往复运动，能够承载额定油压及缓冲油压。外缸体不需要承载较高的油压，因而采用了铝合金材质，使得液压缸的整体质量比整体采用钢材的液压缸降低70%左右，可以大幅度降低产品重量，便于加工、运输和装配，进一步地改善了与液压缸对接的超/特高压开关筒体的受力，提高了机械连接的可靠性。外缸体采用挤压铸造工艺，可以获得致密均匀的组织，消除气孔和缩松等铸造缺陷。外缸体同时存在高压凝固和塑性变形，相当于锻造方法，使其具备良好的力学性能。
附图说明
图1是本发明液压缸制造方法的实施例1的示意图；
图2是采用本发明液压缸制造方法的实施例1制成的液压缸的结构示意图；
图3是本发明液压缸制造方法的实施例2的示意图；；
图4是采用本发明液压缸制造方法的实施例2制成的液压缸的结构示意图。
图1~4中各标记对应的名称：1、内缸体毛坯，11、活塞腔，2、外缸体毛坯，21、第一油道型芯，22、第二油道型芯，23、第三油道型芯，24、第四油道型芯，25、辅助型芯，3、铸造模具，4、压头，5、内缸体，51、内孔，6、外缸体，61、第一油道，62、第二油道，63、第三油道，64、第四油道，65、连通孔，66、连接螺纹孔，67、活塞孔。
具体实施方式
本发明液压缸制造方法的实施例1：如图1-2所示，液压缸制造方法的主要构思是将液压缸分为内缸体5和外缸体6进行制造，先制内缸体，然后在内缸体的基础上制造外缸体，液压缸由两者复合而成。具体包括以下步骤，1）、预制内缸体毛坯1，内缸体毛坯1为由SiC陶瓷材料制成的中空结构，内缸体毛坯1的中空部分形成与活塞适配的活塞腔11。将SiC颗粒与造孔剂、粘结剂按一定比例混合均匀后烧结，制成具有孔隙的内缸体毛坯。内缸体毛坯1为中空柱状。需要说明的是，SiC为碳化硅。
2）、预制油道型芯，油道型芯以石英玻璃为基体，与矿化剂、增塑剂按一定比例混合均匀后烧结而成。油道型芯为陶瓷材料的型芯。根据不同的油道形状，分别制造相应的油道型芯，记为第一油道型芯21，第二油道型芯22，第三油道型芯23，第四油道型芯24。以通过设置油道型芯在后序的铸造过程中铸造出液压缸的油道主体，油道主体也即尺寸精度相对较高的毛坯，但还是需通过后序的加工才能制得合格的油道。
3）、将内缸体毛坯放置在铸造模具中，然后将各油道型芯按照实际油道的位置关系放置好。在放入之前对内缸体和油道型芯进行预热处理，铸造模具也进行预热处理。铸造模具3的结构为现有技术，可以采用对开式的。另外，内缸体毛坯及油道型芯的放置方法，也属于现有技术，在挤压铸造工艺中，已经很成熟。向铸造模具3的铸型中注入高温液态铝合金，利用压头4对未凝固的液相铝合金施压，施压方向如图1中箭头所示，使得液相铝合金充满铸造模具内腔。保压至完全凝固，外缸体毛坯2制成，同时液压缸毛坯也成型。
4）、取出液压缸毛坯，对液压缸毛坯进行热处理，消除内应力。
5）、进行机加工，使得内缸体和外缸体尺寸符合要求。具体地，机加工包括如下的工序，精加工液压缸台阶内孔及液压缸外形，以使其尺寸符合设计要求。加工液压缸上的连接螺纹孔66。铸造出来的油道主体，还不是最终的油道，还需要进一步处理。铰制铸造出来的油道主体，使其内径符合设计的油道尺寸，合格的油道对应的为第一油道61、第二油道62、第三油道63、第四油道64。各油道的直径范围为12~35mm。加工需要连通的部分，例如内缸体内孔51与其中第一油道需要连通，加工连通孔65。活塞腔在加工成内孔51后，形成最终的活塞腔整体。
内缸体为SiC增强铝合金基复合材料，能获得接近钢材的强度和刚度，还具有密度小、耐磨损等优点。在高压状态下，液态铝合金浸渗到预制内缸体中，由于复合材料中基体与颗粒之间存在着浸润性，挤压铸造法制备出的复合材料界面结合性好、结构致密，能获得比铝合金基体更小的密度、更高的强度和刚度。
外缸体采用挤压铸造方式能获得良好的组织和力学性能。在高压的作用下，铸造外缸体形成致密组织，完全消除了气孔和缩松等铸造缺陷；由于同时存在高压凝固和塑性变形，相当于锻造方法，使外缸体具有良好的力学性能。
油道型芯为陶瓷材料，具有耐高温、与合金元素高温不相容和热线膨胀系数较小等特性，铸造成型的油道能保证较高的尺寸精度，减少了机加工量，提高了工作效率。
上述制造方法中，内缸体的最小直径选为35~70mm，最小壁厚选为20~40mm。外缸体的最大外径尺寸为450mm~600mm。
本发明的液压缸制造方法实施例2：
如图3~4所示，与实施例1的区别在于，内缸体的长度。在实施例1中，内缸体毛坯做的较长，定义沿活塞的运动方向为长度方向，使得最终的内缸体的长度与外缸体长度相等，活塞腔长度够长而直接形成供活塞上下运动的活塞腔整体。由于液压缸受力情况最恶劣的部分出现在缓冲腔，因此，可以将内缸体毛坯1的长度做的短些，内缸体毛坯1也是为中空的圆柱，内部设有活塞腔11，活塞腔11在加工后形成内孔51。内缸体内孔51形成缓冲腔，而不是活塞腔整体。内缸体5的长度小于外缸体6的长度，外缸体内于内缸体上侧设有上下贯通的活塞孔67，活塞孔与缓冲腔上下对应并一起形成供活塞上下运动的活塞腔整体。那么在具体制造的时候，需要再设置一个辅助型芯25，辅助型芯放置在内缸体毛坯的上侧，用于在铸造的时候形成活塞孔67的活塞毛坯孔，活塞毛坯孔在铸造结束后进行机加工而成活塞孔67。
在上述各实施例中，制造的液压缸是针对液压弹簧操动机构用的，因此，所设置油道的规格及布置方式是具体到某一产品的，但是，本发明的制造方法，并不局限于液压弹簧操动机构中使用的液压缸，也可用于制造其他领域的液压缸。油道的布置方式可以根据实际产品而设计。
在其他实施例中，也可在挤压铸造过程中，不设置油道型芯，而是在液压缸毛坯上加工出相应的油道。或者也可采用其他材料制成的型芯，例如常用的砂芯。
本发明液压缸的实施例1，液压缸的结构对应于上述的液压缸的制造方法实施例1，也即按照方法实施例1制造出的液压缸结构，具体结构不再详述，参见图1~2。
本发明液压缸的实施例2，液压缸的结构对应于上述的液压缸的制造方法实施例2，也即按照方法实施例2制造出的液压缸结构，具体结构不再详述，参见图3~4。
本发明液压弹簧操动机构的实施例1，液压弹簧操动机构包括液压缸的实施例1中的液压缸。本发明液压弹簧操动机构的实施例2，液压弹簧操动机构包括液压缸的实施例2中的液压缸。液压弹簧操动机构的结构不再详述。
Claims (3)
1.液压弹簧操动机构，包括液压缸，其特征在于：液压缸包括外缸体、位于外缸体内部的内缸体，外缸体由铝合金铸造而成，外缸体上设有油道，内缸体上具有供铝合金液体渗入的孔隙结构，所述液压缸在制造时，具体包括以下步骤：1）、预制内缸体毛坯，内缸体毛坯为由SiC陶瓷材料制成的中空结构，内缸体毛坯的中空部分形成与活塞适配的活塞腔；2）、预制油道型芯，根据不同的油道形状，分别制造相应的油道型芯；3）、将内缸体毛坯放置在铸造模具中，然后将各油道型芯按照实际油道的位置关系放置好，向铸造模具的铸型中注入高温液态铝合金，利用压头对未凝固的液相铝合金施压，使得液相铝合金充满铸造模具内腔，保压至完全凝固，外缸体毛坯制成，同时液压缸毛坯也成型；4）、取出液压缸毛坯，对液压缸毛坯进行热处理，消除内应力；5）、进行机加工，使得内缸体和外缸体尺寸符合要求，加工液压缸上需要连通的部分。
2.根据权利要求1所述的液压弹簧操动机构，其特征在于：沿活塞的运动方向，所述内缸体的长度与外缸体长度相等，所述活塞腔形成供活塞上下运动的活塞腔整体。
3.根据权利要求1所述的液压弹簧操动机构，其特征在于：所述内缸体的沿活塞的运动方向的长度小于外缸体的长度，所述内缸体内的活塞腔形成活塞的缓冲腔，外缸体内于内缸体上侧设有上下贯通的活塞孔，所述活塞孔与所述缓冲腔上下对应并一起形成供活塞上下运动的活塞腔整体。
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