Como são feitos os cilindros hidráulicos: da matéria-prima ao produto acabado

Um cilindro hidráulico parece simples visto de fora, mas a produção confiável envolve muito mais do que cortar um tubo de aço, inserir uma haste e instalar vedações.

Um cilindro de alto-desempenho depende de materiais controlados, usinagem precisa, tratamento térmico, acabamento superficial, projeto de vedação, soldagem, montagem limpa e testes de pressão. Pequenos erros na geometria do furo, no acabamento da haste, nas ranhuras da vedação, na qualidade da solda ou nas propriedades do material podem causar vazamento, desgaste prematuro da vedação, marcas na haste, perda de pressão ou falha por fadiga.

Compreender como os cilindros são produzidos ajuda os OEMs, fabricantes de equipamentos e compradores de reposição a avaliar a capacidade de fabricação de um fornecedor, em vez de comparar apenas diâmetro, curso e preço. Também mostra como cada componente se encaixa no sistema hidráulico maior.

Este guia acompanha o processo de fabricação desde a seleção do aço até a usinagem, galvanização, montagem e inspeção final. Para uma comparação mais ampla de estilos de construção, consulte o guia paratipos e designs de cilindros hidráulicos.

Matérias-primas e especificações

Os materiais do cilindro devem suportar pressão interna, carga cíclica, desgaste por deslizamento, corrosão e tensão de soldagem. Diferentes componentes, portanto, utilizam diferentes qualidades e formas de produto.

Materiais do cilindro

No mercado dos EUA, os cilindros geralmente começam como tubos mecânicos DOM ou tubos mecânicos sem costura. SAE 1026 DOM é uma opção comum.

DOM significa desenhado sobre mandril. Descreve um processo de fabricação em vez de um único tipo de aço. A ASTM A513/A513M abrange tubos mecânicos soldados por-resistência-elétrica e inclui tubos tipo 5 trefilados-sobre-mandril. ASTM A519/A519M abrange tubos mecânicos sem costura de carbono e ligas de aço.

A HYDAC lista 1026 DOM e ST52.3 DOM como materiais comuns para tubos de cilindro. Ele também lista aço-cromado-estirado a frio-como material de haste comum, com aço inoxidável 4140, 316 e PH 17-4 disponíveis para serviços mais exigentes.Após a usinagem, um tubo cilíndrico afiado fornece a superfície interna acabada na qual as vedações do pistão operam.

Aços de haste de pistão

SAE 1045 é um dos materiais de haste de pistão mais comuns. Sua química nominal típica é aproximadamente:

Carbono: 0,43 a 0,50%

Manganês: 0,60 a 0,90%

Fósforo: normalmente controlado a um máximo baixo

Enxofre: normalmente controlado a um máximo baixo

Varetas-de maior resistência podem usar aço 4140 cromo-molibdênio ou aço 4340 níquel-cromo-molibdênio.

A química típica do 4140 é aproximadamente:

Carbono: 0,38 a 0,43%

Cromo: 0,80 a 1,10%

Molibdênio: 0,15 a 0,25%

Manganês: 0,75 a 1,00%

O grau 4340 adiciona níquel significativo, geralmente em torno de 1,65 a 2,00%, o que proporciona maior resistência e tenacidade.

SAE J403 define sistemas de composição-química para aços carbono SAE. SAE J404 abrange aços-liga, incluindo as famílias 41xx e 43xx. O pedido de compra ainda precisa de uma especificação de produto aplicável porque a química por si só não define dimensões, condições de processamento ou propriedades mecânicas.

Os componentes inoxidáveis ​​geralmente usam os graus 304 e 316. O grau 316 contém molibdênio e é útil onde a exposição ao cloreto é importante. Para uma forma de produto, Outokumpu lista uma composição típica de 316L de cerca de 17,2% de cromo, 10,1% de níquel e 2,1% de molibdênio.

Rastreabilidade de materiais

O aço recebido não deve ser identificado apenas com uma etiqueta manuscrita do material. Para peças críticas, os compradores podem precisar de:

Relatórios de Teste de Materiais (MTRs)

Números de calor ou lote

Composição química

Propriedades de tração ou escoamento quando necessário

Condição de-tratamento térmico

Registros de inspeção recebidos

O número de calor deve permanecer rastreável durante corte, usinagem, soldagem, tratamento térmico e inspeção final. Isso é mais importante em cilindros-críticos de segurança usados ​​em máquinas de mineração, sistemas de elevação, equipamentos offshore e outras aplicações onde uma falha pode ter consequências graves.

A sucata de aço proveniente de corte e usinagem é altamente reciclável. Cilindros reparáveis ​​também podem reduzir o uso de material e o custo de propriedade porque vedações, vedações, hastes e cilindros reparáveis ​​podem ser substituídos em vez de descartar o conjunto completo.

Usinagem de barril e haste

Depois que o material recebido passa pela inspeção, o cilindro e a haste passam para a usinagem de precisão. Nesta fase, as superfícies de aço comuns tornam-se as superfícies de trabalho de um sistema de vedação.

Usinagem do cilindro

O tubo é cortado no comprimento certo e preparado para usinagem. Dependendo da condição inicial e do acabamento requerido, a produção pode incluir:

Perfuração → Desbaste → Afiação → Polimento de rolo

Nem todo barril passa por todas as operações.

O brunimento é amplamente utilizado porque melhora:

Redondeza do furo

Retidão

Consistência de diâmetro

Textura de superfície

Retenção de lubrificante

O desbaste e o polimento com rolo podem proporcionar altas taxas de produção e, ao mesmo tempo, produzir um furo liso e{0}endurecido. Isso torna a combinação útil na fabricação em grande escala.

Acabamento superficial do furo do cilindro

O menor valor de Ra possível não é automaticamente o melhor acabamento. O furo precisa ser liso o suficiente para evitar o corte da vedação do pistão, ao mesmo tempo que retém vales microscópicos que retêm o óleo lubrificante.

A SKF recomenda aproximadamente:

Ra=0.05 a 0,20 μm

Rz=0.4 a 2,0 μm

para superfícies de vedação dinâmica de furos produzidas por brunimento ou polimento com rolo.

Um desenho útil geralmente especifica mais do que Ra. Características adicionais podem incluir:

Rz

Rmáx.

Proporção de material Rmr

Redondeza

Cilindricidade

Retidão

Parker também observa que duas superfícies com o mesmo Ra podem se comportar de maneira diferente porque os formatos dos picos e a distribuição dos vales afetam a lubrificação e o desgaste da vedação.

Tolerância do diâmetro do furo

Cilindros de precisão geralmente usam tolerâncias de furo comparáveis ​​a H8 ou H9. A escolha depende do tamanho do cilindro, sistema de vedação, método de usinagem e aplicação.

Selecione a tolerância final a partir das recomendações de hardware e ranhura do fabricante da vedação, em vez de copiar um valor em cada projeto. Como referência, uma tabela publicada da SKF permite aproximadamente +0.046/0 mm para um furo H8 entre 50 e 80 mm.

Usinagem da haste do pistão

Um processo típico de haste é:

Torneamento → Endireitamento → Desbaste → Polimento → Tratamento de superfície → Polimento final

A retificação centerless é comum na produção porque pode manter tolerâncias de diâmetro estreitas em comprimentos de haste longos.

Alta-qualidadehastes de pistão-cromadaspode ter uma rugosidade superficial abaixo de Ra 0,2 μm. A Ovako especifica Ra abaixo de 0,2 μm para os seus produtos Cromax, com valores típicos de cerca de 0,05 a 0,10 μm. As orientações de vedação da Parker listam cerca de Ra 0,2 μm para certas superfícies de vedação dinâmica de borracha e PTFE e cerca de Ra 0,4 μm para algumas aplicações de poliuretano.

Inspeção de usinagem

Os fabricantes podem verificar dimensões e superfícies críticas com:

Medidores de furo

Medidores de ar

Máquinas de medição por coordenadas

Testadores de redondeza

Perfilômetros

Acessórios de retidão

Micrômetros

Equipamento de inspeção óptica

Um perfilômetro é particularmente útil porque a inspeção visual não pode confirmar a rugosidade da-superfície de vedação de maneira confiável.

Plantas de alto{0}}volume podem usar centros de torneamento CNC, máquinas de brunimento automatizadas, carregamento robótico, células de soldagem automatizadas e medição em-processo. A automação pode reduzir a variação e a mão de obra por cilindro, mas o fabricante ainda precisa do monitoramento-da capacidade do processo e da inspeção final.

Tratamento térmico e engenharia de superfície de hastes

A química do aço é apenas parte da equação de resistência. O tratamento térmico e o processamento de superfície também determinam o desempenho de uma haste ou barril.

Normalização, extinção-e-tratamento de têmpera

Os fabricantes podem normalizar aços carbono e ligas para refinar a microestrutura após forjamento ou processamento a quente. A normalização geralmente aquece carbono ou aço de baixa{1}}liga a aproximadamente 800 a 920 graus, seguido pelo resfriamento a ar. As hastes 4140 e 4340 de alta-resistência são frequentemente fornecidas ou processadas em uma condição temperada-e-revenida. O revenido-de alta temperatura para esses aços geralmente ocorre em cerca de 500 graus ou mais, mas a temperatura final depende do tipo, da espessura da seção e das propriedades mecânicas necessárias. O desenho deve indicar o limite de escoamento, a dureza ou outra propriedade final necessária, em vez de assumir que uma temperatura funciona para cada tamanho de haste.

Endurecimento por indução

O endurecimento por indução cria uma superfície endurecida enquanto mantém um núcleo mais resistente. Dependendo da aplicação, pode melhorar:

Resistência a danos por impacto

Resistência ao desgaste superficial

Resistência à deformação local

Desempenho de flambagem da haste

A haste é normalmente retificada após o endurecimento por indução e antes do revestimento.

Cromagem dura

O cromo duro continua sendo um acabamento de haste comum porque proporciona baixo atrito, alta dureza, boa resistência ao desgaste, métodos de reparo familiares e ampla disponibilidade industrial.

As hastes hidráulicas comerciais costumam usar camadas de cromo medidas em dezenas de mícrons. A Ovako, por exemplo, especifica uma espessura mínima de cerca de 20 μm para muitos tamanhos Cromax e uma dureza de cromo de pelo menos 850 HV0.1. Projetos sensíveis-para serviços pesados ​​e sensíveis à corrosão-podem usar uma camada mais espessa.

Nitretação em comparação com cromo duro

A nitretação não adiciona um revestimento metálico separado. Em vez disso, o nitrogênio se difunde na superfície do aço.

A nitretação a gás é comumente realizada perto de 520 graus. Ele cria uma camada de difusão endurecida com relativamente pouca distorção e pode melhorar a resistência ao desgaste e o desempenho à fadiga por meio de maior dureza superficial e tensões de compressão.

A nitretação é particularmente adequada para algumas ligas de aço contendo cromo, molibdênio, vanádio ou alumínio. Não se deve presumir que oferece melhor resistência à corrosão do que o cromo em todos os ambientes.

Acabamentos de haste para corrosão severa

Máquinas-de remoção de neve, equipamentos marítimos e offshore, sistemas de mineração e aplicações costeiras podem precisar de mais proteção do que o cromo duro convencional pode fornecer.

As opções incluem:

Sistemas de níquel-cromo

Revestimentos em spray térmico-estilo HVOF-

Revestimentos cerâmicos

Revestimentos-a laser

Hastes de aço inoxidável

Sistemas de revestimento proprietários

A Parker oferece sistemas de cromo duro, níquel-cromo, nitreto, cerâmica e hastes revestidas-a laser para diferentes condições de desgaste e corrosão. Seu sistema Global Shield é fornecido com uma espessura padrão de aproximadamente 0,001 pol. em alguns produtos e é destinado a serviços contra corrosão severa.

O teste de névoa salina ASTM B117-pode ser usado para comparar metais e revestimentos. A ASTM B117-26 define um ambiente controlado de-névoa salina, mas a norma alerta que as horas de névoa salina por si só não devem ser tratadas como uma previsão direta da vida útil.

Selos, montagem e testes finais

Um cano e uma haste usinados com precisão ainda falharão se o pacote de vedação estiver errado ou se o conjunto estiver contaminado.

Materiais de vedação

A seleção do selo precisa levar em conta:

Fluido hidráulico

Pressão

Temperatura

Velocidade da haste

Lacuna de extrusão

Contaminação

Ciclo de trabalho

Gráficos genéricos de temperatura de polímeros não são suficientes. Água-glicol e fluidos com alto teor de-água-, por exemplo, podem exigir um pacote de vedação diferente do óleo hidráulico de petróleo. A Parker observa que alguns arranjos de vedação convencionais são inadequados para água ou fluidos com alto teor de-água-e oferece construção modificada para serviços de água.

Montagem do cilindro

Uma sequência típica é:

Limpe os componentes → Instale as vedações do pistão → Instale as vedações da haste e o limpador → Encaixe o pistão na haste → Insira a haste e o conjunto do pistão → Instale a gaxeta ou cabeçote → Feche o cilindro → Aperte os fixadores → Conecte as portas de teste

A limpeza é essencial. Uma lasca de metal presa sob a borda da vedação pode danificar a vedação e a haste durante os primeiros ciclos.

Durante a montagem, os técnicos devem inspecionar:

Orientação do selo

Selar os lábios

Local-do anel de backup

Dimensões da ranhura

Entrada-em chanfros

Superfície da haste

Limpeza do furo

Algumas vedações requerem cones de instalação ou ferramentas de expansão. Certas vedações termoplásticas podem ser aquecidas antes da instalação para reduzir o risco de corte ou estiramento excessivo. As superfícies de vedação dinâmica normalmente recebem um lubrificante compatível com o fluido hidráulico final.

A seleção completa depeças do cilindro hidráulicoinclui tubos, hastes, vedações, componentes de desgaste, vedações, pistões e ferragens relacionadas usadas durante a produção ou reparo.

Teste final do cilindro

Os fabricantes devem reciclar os cilindros completos e inspecioná-los quanto a vazamentos antes do envio. A ISO 10100:2020, reconfirmada em 2026, especifica testes de aceitação e funcionamento para cilindros de potência-de fluido hidráulico.

Um plano de qualidade de produção pode incluir:

Inspeção dimensional

Sem-ciclagem de carga

Teste de vazamento interno

Inspeção de vazamento externo

Teste-de pressão de prova

Verificação de AVC

Teste de almofada

Teste de sensor quando aplicável

Pintura e inspeção visual

Algumas especificações de projetos e fabricantes usam pressões de prova em torno de 1,3 a 1,5 vezes a pressão de trabalho. Um multiplicador de 1,5 não é um requisito universal. O padrão aplicável, a especificação do cliente e o plano de{5}validação do projeto devem definir a pressão de prova, o tempo de espera, o vazamento permitido e os requisitos de ruptura.

O teste de ruptura é normalmente destrutivo e pertence à validação do projeto, e não aos testes de rotina de cada cilindro de produção.

Projetos de alto-desempenho também podem passar por centenas de milhares ou milhões de ciclos de resistência para avaliar:

Desgaste da vedação

Rachaduras de fadiga

Retenção de pressão

Desgaste do rolamento

Durabilidade do-revestimento da haste

Padrões dimensionais também podem ser aplicados. A ISO 6020-2:2015 cobre dimensões de montagem para determinados cilindros compactos de 16 MPa e permanece atual. A ISO 6022:2006 cobre dimensões de montagem para cilindros da série 25 MPa e está sendo revisada pela ISO/DIS 6022.

Produção de-tirantes e cilindros soldados

A construção do cilindro afeta o processo de fabricação, o tamanho do envelope, o método de reparo e o custo total de propriedade.

Os cilindros-de tirante são comuns em máquinas de fábrica porque os técnicos podem acessar suas vedações, vedações, pistões e cilindros com relativa facilidade.

Cilindros hidráulicos soldados são comuns em escavadeiras, carregadeiras, equipamentos agrícolas e outras máquinas móveis onde dimensões compactas e construção robusta são importantes.

O custo de produção e o prazo de entrega dependem de mais do que horas de usinagem. Gargalos comuns incluem:

Disponibilidade de aços especiais

Tubo afiado de-diâmetro grande

Capacidade-de tratamento térmico

Cromagem

Revestimentos especiais

Qualificação de soldagem

Forjados personalizados

Disponibilidade do selo

Um design funcional pode reduzir o custo de propriedade. Os itens substituíveis típicos incluem vedações, anéis de desgaste, limpadores, vedações, pistões, rolamentos, pinos e, em muitos projetos, a haste.

Se a geometria do cano e os componentes estruturais permanecerem dentro da tolerância, o cilindro poderá ser reconstruído ou remanufaturado em vez de substituído. O registro das dimensões completas do cilindro hidráulico ajuda uma oficina ou fabricante a avaliar a unidade existente.

Preparando uma consulta de fabricação

Ao adquirir cilindros hidráulicos industriais padrão ou personalizados, solicite mais do que um preço básico.

Peça ao fabricante:

Requisitos de material e MTR

Uma tabela típica de-tolerância de usinagem

Especificações da superfície da haste e do furo

Requisitos de tratamento-térmico

Opções de revestimento

Selar-recomendações de materiais

Procedimento de-teste de pressão

Um exemplo de desenho CAD ou lista de materiais

Protótipo e prazos de produção

Para uma revisão técnica, prepare a pressão de trabalho, pressão de pico, furo, diâmetro da haste, curso, fluido hidráulico, temperatura operacional, direção da carga, disposição de montagem, ambiente, ciclo de trabalho e quantidade anual.

Se uma especificação militar, aeroespacial, offshore ou outra especificação regulamentada for aplicável, identifique o requisito contratual exato em vez de solicitar uma "certificação MIL" genérica.

Envie o desenho do cilindro e os parâmetros de aplicação por meio do formulário de consulta do cilindro hidráulico para solicitar uma revisão de fabricação, cotação de protótipo ou recomendação de substituição. Você também pode entrar em contato com a Dallast antes de enviar o pacote completo de especificações.

Perguntas frequentes

Quais tipos de aço e especificações de tubos são comuns nos Estados Unidos?

Os materiais de barril comuns incluem tubos mecânicos 1026 DOM e tubos mecânicos de carbono ou liga sem costura. ASTM A513/A513M abrange diversas formas de tubos mecânicos ERW, incluindo DOM Tipo 5, enquanto ASTM A519/A519M cobre tubos mecânicos de liga e carbono sem costura. As hastes geralmente usam aço carbono 1045. Os fabricantes podem selecionar 4140, 4340, aço inoxidável ou 17-4 PH para aplicações que necessitam de maior resistência ou resistência à corrosão.

Quais tolerâncias de usinagem e acabamentos superficiais devo esperar?

Os valores dependem do pacote de vedação e do projeto do cilindro. A SKF recomenda aproximadamente Ra 0,05 a 0,20 μm para superfícies de furo dinâmico-preparadas ou polidas por rolo-de alto desempenho. Hastes cromadas-de qualidade também podem estar abaixo de Ra 0,2 μm. Diâmetro, circularidade, cilindricidade, Rz e proporção de material devem ser avaliados em conjunto, em vez de depender apenas de Ra.

Como o cromo duro e a nitretação se comparam?

O cromo duro adiciona uma camada revestida de baixo-fricção com boa resistência ao desgaste e uma infraestrutura de reparo estabelecida. A nitretação difunde o nitrogênio na superfície do aço e pode melhorar a resistência ao desgaste e à fadiga com pouca alteração dimensional. O melhor processo depende do substrato, da exposição à corrosão, da carga de impacto, dos requisitos de reparo e do custo.

Quais testes de pressão e fadiga devem ser usados?

A ISO 10100:2020 fornece requisitos de aceitação e{2}}teste de função para cilindros hidráulicos. Os testes de produção podem incluir ciclos funcionais, testes de vazamento, testes de pressão-de prova e inspeção dimensional. Testes de fadiga de longa-duração e burst são normalmente usados ​​para validação de projeto. A especificação aplicável deve definir a pressão de teste em vez de depender de um multiplicador universal.

Como as vedações do cilindro devem ser selecionadas?

Considere pressão, temperatura, velocidade superficial, folga de extrusão, fluido hidráulico e contaminação. NBR e poliuretano são comuns em sistemas de óleo-mineral. PTFE e FKM podem atender condições mais exigentes de temperatura, fricção ou químicas. Verifique o composto exato em relação ao fluido real.

Quais são as vantagens dos tirantes-e dos cilindros soldados?

Os cilindros-de tirante são fáceis de desmontar e fazer manutenção e são comuns em máquinas industriais. Os cilindros soldados são compactos e robustos e são amplamente utilizados em equipamentos móveis, como escavadeiras e máquinas agrícolas. A melhor construção depende do espaço disponível, pressão, ciclo de trabalho, volume de produção e requisitos de manutenção.