CN108266425B - 一种双金属结构活塞杆及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双金属结构活塞杆及其加工方法,活塞杆包括钢质芯轴、铝合金套管和陶瓷层；采用微弧氧化技术生成陶瓷层，使活塞杆的硬度和耐磨性提高，减少其外表面的锈蚀和磨损导致的活塞杆失效概率，增加其使用寿命；加工过程所用电解液更为环保；微弧氧化产生的陶瓷层与基体结合性强，孔隙率控制好，绝缘性好，导热性强，具有良好的电磁屏蔽能力，对安装在杆体内部的传感器起到良好的保护作用；双层金属结构使内部和外部分开，外部摩擦产生的疲劳应力不会传到内部活塞杆的承力部位，避免由于外表面疲劳应力而使活塞杆内部出现裂痕的情况；当外部铝层失效后，可将其拆除，在芯轴的基础上再次套装铝层，进行微弧氧化处理，使内部活塞杆循环利用。
Description
技术领域
本发明属于液压缸传动工程技术领域，具体涉及一种双金属结构活塞杆及其加工方法。
背景技术
液压传动具有结构简单、运行平稳等特点，在工程机械特别是在矿用机械领域应用广泛。液压传动主要以为液压缸为载体，液压缸包括活塞杆、缸体、导向套、活塞等部件组成，其中活塞杆与导向套的配合精度决定着液压缸传动精度。由于工程机械的工作环境复杂，铁屑、灰尘等固体颗粒物常常粘附于活塞杆表面，对活塞杆表面造成划伤和磨损，长时间裸露在空气中也使其易锈蚀等。活塞杆表面的磨损和锈蚀是液压缸失效的主要原因之一。
活塞杆制造所采用的金属材料主要为中碳钢或中碳合金钢。为提高表面硬度和耐磨性，目前活塞杆表面通常采用镀铬处理工艺。但镀铬工艺操作过程复杂，能耗很高，尤其是环境污染非常严重。并且，镀铬层具有一定的孔隙率，限制了表面耐腐蚀性的提高。寻找新型活塞杆结构和表面处理工艺是活塞杆制造的重要课题。
微弧氧化技术是在普通阳极氧化的基础上，工作电压从普通的阳极氧化 Faraday区进入微弧放电区，材料在等离子化学、热化学和电化学共同作用下，在材料原位产生陶瓷层的表面处理技术。该技术制造的陶瓷膜层均匀致密，与机体结合力强，极大的改善了材料的耐磨、耐蚀性能，且工艺稳定简单、电解液环保无污染。目前微弧氧化技术主要用于有色金属，可以显著提高其显微硬度和耐磨性。但是有色金属由于其韧性差和成本高的原因，在液压缸技术领域应用较少。本发明的主要思想是将微弧氧化处理的有色金属与45钢在活塞杆上实现结合，便可实现集硬度、耐磨性和韧性于一体的新型活塞杆加工工艺。迄今为止，尚未见该方面的专利和研究论文报道，也没有相关的产品面世。
发明内容
本发明的目的是采用微弧氧化技术，提供一种双金属结构活塞杆及其加工方法，它可以将高硬度的表面处理工艺与活塞杆的要求的强度和韧性结合，以满足活塞杆的使用性能要求，解决了现有活塞杆表面耐磨性和耐腐蚀性的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种双金属结构活塞杆，包括芯轴、套管和陶瓷层；所述芯轴采用中碳钢或中碳合金钢材质，套管采用铝合金材质；所述套管与芯轴过盈配合，采用热装法将芯轴套装固定在套管内，所述芯轴的两端伸出至套管的外部，套管的两端与芯轴焊接固定；所述套管的外表面通过微弧氧化工艺形成陶瓷层。
所述铝合金套管厚度为2～8mm。
所述铝合金套管内孔面和芯轴外圆面之间配合为H8/s7，两配合面粗糙度小于Ra6.3μm。
所述铝合金套管外圆面经过微弧氧化处理的产生的陶瓷层厚度为150μm，显微硬度达到1500HV。
一种双金属结构活塞杆的加工方法，具休步骤为：
步骤1)活塞杆芯轴的处理：对棒材喷丸、粗车、精车，使芯轴满足配合尺寸精度和表面精度的要求；
步骤2)活塞杆套管的处理：对铝合金管材进行粗车、精镗，满足其内孔的尺寸精度和表面粗糙度要求；铝合金套管和芯轴之间为过盈配合，根据活塞杆的杆长和直径决定过盈量；
步骤3)热装和室温冷却：对铝合金套管进行加热，使其径向尺寸增大；采用热压机将活塞杆芯轴装入加热后的铝合金套管中；装配完成后进行室温冷却；
步骤4)焊接：对铝合金套管和活塞杆芯轴的两侧端部区域进行焊接；采用氩弧焊的焊接工艺，填充材料选择含少量硅的纯铝焊丝，为了避免中间脆性化合物的形成，焊接时在钢表面预先涂敷锌、锡或银金属过渡层；
步骤5)活塞杆外表面机加工：对焊接一体的活塞杆进行外表面的粗车、精车加工，使其满足活塞杆尺寸要求和粗糙度要求；
步骤6)活塞杆表面微弧氧化处理：将加工成型的活塞杆放入微弧氧化电解液中，进行微弧氧化处理，生成陶瓷层，提高活塞杆表面的耐磨性和耐腐蚀性。
进一步的，对铝合金套管采用油热或感应式加热法加热。
进一步的，预先采用浸渍法涂覆0.2mm厚的锌、锡或银过渡层，以避免在铝合金和钢的异种金属焊接中金属间化合物的生成，从而获得强度高的焊接接头。
进一步的，微弧氧化工作参数设置为工作电压500V、氧化时间30min，最终形成良好的陶瓷层。
进一步的，所述电解液中加入添加剂Na2MnO4、Na2WO4、Na2SnO3、NaH2PO4中的一种或任意几种的组合。
技术方案中采用两个部件先分开加工后焊接整体机加工的思路，最后对活塞杆外层进行微弧氧化处理。首先对活塞杆芯轴进行机加工，主要在车床上完成，使其达到与铝合金套管装配的配合尺寸要求和粗糙度要求；对于铝合金套管的加工主要采用粗车和精镗的加工方式，满足内孔的尺寸和精度要求。零部件加工完成后热装配和焊接，进入整体加工流程，在车床上加工使其外圆面满足尺寸和精度要求，为提高精度，铝层实际厚度大于设定厚度，在此工步通过车削从而达到要求的厚度和活塞杆外径。机加工处理完成后整体放入氧化池中进行微弧氧化生成致密陶瓷层。
本发明具有以下优点:1)通过外层铝或铝合金的微弧氧化处理使得活塞杆的硬度和耐磨性明显提高，显微硬度可达到1000-2000HV，是现有镀铬处理活塞杆表面硬度的2到3倍。从而减少了由于活塞杆外表面的锈蚀和磨损导致的活塞杆失效概率，增加活塞杆使用寿命；2)采用微弧氧化技术处理活塞杆，加工过程所用的电解液更为环保。而现在的活塞杆对于外表面多采用镀铬处理，电镀工艺环境污染严重，而微弧氧化技术正好解决了现有的技术问题；3)由微弧氧化产生的陶瓷层与基体结合性强，孔隙率可以很好的控制，相比于镀铬层更致密，且陶瓷层绝缘性好，导热性强，具有良好的电磁屏蔽能力，可以对安装在活塞杆内部的传感器起到良好的保护作用；4)双层金属结构的活塞杆结构使内部和外部分开，外部的摩擦产生的疲劳应力不会传到内部活塞杆的承力部位，避免了由于外表面疲劳应力而使活塞杆内部出现裂痕的情况；5)当外部铝层失效后，可将其拆除，在内部活塞杆的基础上再次套装铝层，进行微弧氧化处理，可以使内部活塞杆循环利用，减少材料的浪费，节约生产成本。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
图中，1.芯轴，2.套管，3.陶瓷层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一：图1为本发明一种双金属结构活塞杆的结构示意图。本实施例选用活塞杆杆长500mm，直径100mm的杆体，根据杆长和直径条件设定铝层厚度为3mm(如表1所示)。如图1所示其有活塞杆芯轴1和铝合金套管2两部分装配而成，活塞杆芯轴1材质为45钢调质处理，铝合金套管2为硬铝，牌号2A12。铝合金套管2内孔面和活塞杆芯轴1外圆面之间配合为H8/s7，两配合面通过精车使得粗糙度小于Ra6.3μm。铝合金套管2外圆面经过微弧氧化处理的产生的陶瓷层3厚度为150μm，显微硬度达到1500HV。
表1常用铝层厚度推荐值
该实例加工过程如下：
1)准备45钢调质后的棒材和2A12管管材，准备喷丸设备、车床、焊接设备、感应式加热炉、微弧氧化处理池等设备。
2)对45钢棒材进行喷丸，除去表面氧化层，在车床上粗车、精车并加工螺纹，制成活塞杆芯轴1。
3)对2A12管材进行内外表面的粗车和精车，管材厚度为4.5mm，经过初步机加工使得管材内表面满足尺寸要求和粗糙度要求，并使厚度减为4mm，制成铝合金套管2。
4)对铝合金套管2进行感应式加热，根据过盈量计算设置加热温度。完成加热温度后对活塞杆芯轴1和铝合金套管2进行热装配，装配完成后进行室温冷却。
5)对冷却好的装配体进行焊接，通过氩弧焊使用含少量硅的纯铝焊丝，预先在焊接处涂抹锌粉，以方便焊接和形成良好的焊缝，避免脆性金属间化合物的生成，以影响焊接性能。
6)机加工双金属活塞杆，主要对外圆面进行精车，除去因装配和焊接而产生的局部变形，并使其满足尺寸要求，此时铝合金套管2厚度应达到3mm。
7)将活塞杆放入微弧氧化池中的电解液中，为了增加陶瓷层3的耐磨性，在电解液中添加Na2MnO4和Na2WO4、Na2SnO3、NaH2PO4可增加膜层的耐磨性，并降低孔隙率。选择合适的电压和放电时间，形成良好的陶瓷层3。
需要指出的是以上实施例及附图中仅列举了一种两端双螺纹式外置铝层的实心活塞杆的情形，但本发明同样适用于其他连接形式的活塞杆或空心活塞杆，其他金属组合或焊接工艺。在本发明的具体实施方式所做出的任何变形，也均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。
Claims (8)
1.一种双金属结构活塞杆，其特征在于，包括芯轴、套管和陶瓷层；所述芯轴采用中碳钢或中碳合金钢材质，套管采用铝合金材质；所述套管与芯轴过盈配合，采用热装法将芯轴套装固定在套管内，所述芯轴的两端伸出至套管的外部，套管的两端与芯轴焊接固定；所述套管的外表面通过微弧氧化工艺形成陶瓷层，所述双金属结构活塞杆的加工方法，具体步骤为：
步骤1)活塞杆芯轴的处理：对棒材喷丸、粗车、精车，使芯轴满足配合尺寸精度和表面精度的要求；
步骤2)活塞杆套管的处理：对铝合金管材进行粗车、精镗，满足其内孔的尺寸精度和表面粗糙度要求；铝合金套管和芯轴之间为过盈配合，根据活塞杆的杆长和直径决定过盈量；
步骤3)热装和室温冷却：对铝合金套管进行加热，使其径向尺寸增大；采用热压机将活塞杆芯轴装入加热后的铝合金套管中；装配完成后进行室温冷却；
步骤4)焊接：对铝合金套管和活塞杆芯轴的两侧端部区域进行焊接；采用氩弧焊的焊接工艺，填充材料选择含少量硅的纯铝焊丝，为了避免中间脆性化合物的形成，焊接时在钢表面预先涂敷锌、锡或银金属过渡层；
步骤5)活塞杆外表面机加工：对焊接一体的活塞杆进行外表面的粗车、精车加工，使其满足活塞杆尺寸要求和粗糙度要求；
步骤6)活塞杆表面微弧氧化处理：将加工成型的活塞杆放入微弧氧化电解液中，进行微弧氧化处理，生成陶瓷层，提高活塞杆表面的耐磨性和耐腐蚀性。
2.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，所述铝合金套管厚度为2～8mm。
3.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，所述铝合金套管内孔面和芯轴外圆面之间配合为H8/s7，两配合面粗糙度小于Ra6 .3μm。
4.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，所述铝合金套管外圆面经过微弧氧化处理的产生的陶瓷层厚度为150μm，显微硬度达到1500HV。
5.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，对铝合金套管采用油热或感应式加热法加热。
6.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，预先采用浸渍法涂覆0.2mm厚的锌、锡或银过渡层，以避免在铝合金和钢的异种金属焊接中金属间化合物的生成，从而获得强度高的焊接接头。
7.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，微弧氧化工作参数设置为工作电压500V、氧化时间30min，最终形成良好的陶瓷层。
8.根据权利要求1所述的一种双金属结构活塞杆，其特征在于，所述电解液中加入添加剂Na2MnO4、Na2WO4、Na2SnO3、NaH2PO4中的一种或任意几种的组合。
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