轉(zhuǎn)向器閥套內(nèi)孔珩磨與鉸珩工藝對比研究

楊筱蓉，朱永偉，朱振峰，徐正選

（1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016;2.豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

汽車動力轉(zhuǎn)向器控制閥因功能和結(jié)構(gòu)特點需要閥芯閥套副間運轉(zhuǎn)靈活無卡滯，這就要求閥套（圖1）內(nèi)孔必須有高的尺寸精度、幾何精度和粗糙度，具體要求見表1。

圖1 閥套示意圖

表1 閥套內(nèi)孔加工精度表

孔徑/mm D29.32+0.005 0

由于閥套技術(shù)要求的特殊性——內(nèi)孔均勻分布的溝槽，要求閥芯外圓和閥套內(nèi)孔加工精度高等要求，使得閥套內(nèi)孔的最終加工工藝選擇成為一道難題。目前國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)廠采用傳統(tǒng)珩磨作為閥套內(nèi)孔的最終加工工序［1］。

隨著超硬材料——工業(yè)金剛石的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，將金剛石鍍層刀具和鉸孔加工應(yīng)用于珩磨的高效珩磨工藝——鉸珩工藝技術(shù)在美國被應(yīng)用于航空和汽車工業(yè)的批量生產(chǎn)［2-3］。

本文對轉(zhuǎn)向器閥套分別使用普通珩磨和鉸珩兩種工藝，從加工原理、加工參數(shù)選擇和加工結(jié)果等方面進(jìn)行研究，分析兩種工藝的優(yōu)缺點，從而選擇出合適的閥套加工工藝。

1 閥套加工工藝

1.1 傳統(tǒng)珩磨工藝

傳統(tǒng)珩磨工藝方式是一種低速磨削法，安裝在珩磨芯軸上的油石在轉(zhuǎn)動和往復(fù)運動同時，向被加工孔內(nèi)壁表面施加一定壓力，在磨削液輔助下進(jìn)行表面接觸的加工方式［4］。

珩磨加工時一般工件固定不動，珩磨芯軸有三個運動，即兩個主運動:旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)直線運動，一個進(jìn)給運動:垂直于加工表面的徑向加壓運動［5］。

1）珩磨加工原理

珩磨加工原理是用油石和孔壁相互對研而形成新的孔壁和油石表面的創(chuàng)制過程。隨著珩磨的進(jìn)行，油石和孔壁不斷產(chǎn)生干涉點，又不斷地被磨掉并產(chǎn)生新的干涉點，又不斷磨去，使孔壁和油石的接觸面積不斷增大，相互干涉的程度不斷降低，直至切削作用停止，完成加工。

珩磨的切削軌跡為交叉網(wǎng)紋，有利于形成油膜，表面支持率較高。為便于排出破碎的磨粒和切屑，降低切削溫度，提高加工品質(zhì)，珩磨時應(yīng)使用充足的切削液。

2）油石選用

珩磨油石粒度對加工表面粗糙度和加工效率影響較大，在滿足粗糙度前提下盡量選取粗粒度以提高效率。在需要加大背吃刀量提高生產(chǎn)效率或為減少油石磨損延長以使用壽命時，應(yīng)選擇硬度較高的珩磨油石見表2。

表2 閥套珩磨油石型號表

3）珩磨主要工藝參數(shù)

珩磨油石的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動速度可根據(jù)加工材料工藝及精度要求確定。珩磨切削速度是指珩磨芯軸的圓周速度與往復(fù)運動速度的合成，其切削軌跡的交叉角θ的大小影響珩磨加工品質(zhì)及效率，增大往復(fù)速度能增強(qiáng)切削作用，提高效率，而提高圓周速度則能改善表面品質(zhì)。僅提高主軸轉(zhuǎn)速V會使表面粗糙度變差，這是由于珩磨油石自勵變差的結(jié)果，因而提高主軸轉(zhuǎn)速V時需同時提高往復(fù)速度，增強(qiáng)油石自勵，且能保持網(wǎng)紋角。

超程量是指油石在往復(fù)運動中，其在加工孔的兩端超出的距離，超程的長短會直接影響孔的圓柱度，超程過長形成喇叭孔，超程過短形成鼓形孔，兩端超程不等會產(chǎn)生錐度，超程量一般為工件長度的1/3～1/2，珩磨油石長度的1/4和1/3。沖程位置應(yīng)使工件兩端的超程相等。根據(jù)沖程長度L調(diào)節(jié)沖程速度F。選擇沖程速度F使沖程往復(fù)速度Va在8～20 m/min之間，沖程往復(fù)速度用式（1）計算，結(jié)果如表3所示。

表3 閥套沖程速度計算表

選擇芯軸轉(zhuǎn)速，芯軸圓周速度需在10～60 m/min之間，其Vc由式（2）計算得出，結(jié)果如表4所示。

表4 閥套圓周速度計算表

交叉角θ可由式（3）獲得，合理的交叉角應(yīng)該在30°左右。見表5。

表5 閥套交叉角計算表

珩磨油石的工作壓力是指使珩磨油石上的磨粒能切入工件，并在往復(fù)和交叉運動中磨粒能夠正常脫落自勵的壓力，其壓力值選擇見表6。

表6 閥套珩磨壓力表

閥套在普通臥式珩磨機(jī)上加工圓度可保證在0.002～0.003 mm 之間，直線度保證在0.001 ～0.002 mm 以內(nèi)，粗糙度可以滿足Ra0.4 μm的要求，孔徑尺寸散差0.005 mm。實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的最主要問題是加工后零件圓度、直線度不易保證，劃傷和表面粗糙度達(dá)不到要求。

4）珩磨加工工藝缺點

大量的工藝研究和試驗表明，用珩磨加工精密內(nèi)孔時，由于加工過程中對珩磨油石進(jìn)行了徑向調(diào)整和采用了往復(fù)運動方式，破壞了珩磨油石原來保持的良好的尺寸和幾何形狀，孔的加工精度和表面粗糙度很難再提高上去。珩磨是利用可漲縮的珩磨芯軸使珩磨油石壓向工件表面，單個油石在孔內(nèi)作直線珩磨或微小圓弧面珩磨;油石又是通過楔片而漲出，在孔內(nèi)作往復(fù)運動時，油石上的每一部分受力都不同，造成油石在孔內(nèi)有輕微顫動，從而產(chǎn)生了上述一系列問題;同時由于傳統(tǒng)珩磨加工的油石不夠耐用，在加工過程中需多次修磨，而且每次修磨工作量大、對工人技術(shù)要求高，很難實現(xiàn)閥套內(nèi)孔的大批量生產(chǎn)。

1.2 鉸珩工藝

鉸珩是利用鉸孔定尺寸加工特點在傳統(tǒng)珩磨基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種單沖程超硬磨料珩磨孔加工技術(shù)，是由一系列預(yù)設(shè)尺寸的超硬磨料珩具按順序一次走刀完成加工［6-7］。

1）鉸珩加工原理

鉸珩加工過程中珩具只做旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運動，不做往復(fù)運動，一次進(jìn)給完成加工孔。每把珩具的尺寸逐漸增大，最初先選擇較大粒度珩具以實現(xiàn)加工材料較大的去除率，再選擇較小粒度珩具以實現(xiàn)高的加工表面品質(zhì)。珩具的旋轉(zhuǎn)和沖程運動是鉸珩的主要運動，主軸轉(zhuǎn)速V和進(jìn)給速度F是鉸珩加工的主要參數(shù)。

鉸珩技術(shù)可以實現(xiàn)加工孔表面紋理的多樣化，包括交叉網(wǎng)紋和正弦曲線［8］。零件表面紋理的深度和角度由刀具粒度、零件材料、刀具旋轉(zhuǎn)速度和加工進(jìn)給速度F綜合決定。

2）鉸珩工藝運動參數(shù)

鉸珩設(shè)備為SUNNEN的4軸6工位立式珩磨機(jī)，見圖2所示，4個工位珩磨，其余兩個工位用于上下料提高效率。鉸珩使用全浮籠式夾具，為浮動式“搖籃”結(jié)構(gòu)，使閥套在四個方向上都可以移動，都是自由的。根據(jù)確定的閥套內(nèi)孔鉸珩刀具總數(shù)和技術(shù)要求，合理分配加工余量，一般珩磨前，推薦工件所留置余量0.04～0.06 mm。粗珩100 目粒度，余量0.015 ～0.02 mm;半精珩200 目粒度，余量 0.008～0.015 mm;精珩 400 目粒度，余量 0.003 ～0.006 mm。選用的每根軸的切削加工量及所能達(dá)到的直線度、圓度、粗糙度如表7所示。

圖2 鉸珩立式珩磨機(jī)

表7 閥套鉸珩刀具加工精度表

珩磨頭的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動是鉸珩的主要運動參數(shù)，沖程長度是鉸珩的主要位置參數(shù)，應(yīng)盡量選擇高的主軸轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速高切削效率高。盡量選擇較低的沖程速度，以減小工具上的扭矩負(fù)載，確保工具不會損壞。沖程長度依據(jù)工件長度和珩磨心軸在孔兩端的超程量計算，沖程位置應(yīng)使零件兩端的超程量相等。

當(dāng)鉸珩的珩具粒度大小選定后，實際上就決定了鉸珩加工后所能達(dá)到的粗糙度，越細(xì)的粒度加工出孔的粗糙度就越低。這是因為粒度越細(xì)，同時參加切削的微刃顆粒就越多，每個微刃顆粒承受的切削力就越小，切削變形平穩(wěn)，切削熱小，粗糙度值越小。但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速太低或進(jìn)給速度太高時，每個微刃的切削負(fù)荷增大，變形增大，切削熱增加，粗糙度值也隨之變大。沖程速度對粗糙度幾乎無影響。

主軸轉(zhuǎn)速是圓度的決定性因素，主軸轉(zhuǎn)速高切削平穩(wěn)，圓度小，但主軸轉(zhuǎn)速過高也會使刀具旋轉(zhuǎn)振動使孔的圓度變大。進(jìn)給速度低切削負(fù)荷增大，切削熱增加，零件產(chǎn)生微小的彈性變形，圓度變大。機(jī)床加工軸的位置精度和夾具系統(tǒng)的定位精度決定了鉸珩直線度。主軸轉(zhuǎn)速太高會使刀具旋轉(zhuǎn)振動影響孔的直線度。當(dāng)沖程位置進(jìn)入點太高而回退點偏低時，同樣會產(chǎn)生輕微的振動使直線度變大。優(yōu)化的閥套鉸珩工藝參數(shù)如表8所示。

表8 閥套工藝參數(shù)表

閥套生產(chǎn)采用鉸珩工藝加工后，可以完全保證產(chǎn)品圓度0.002 mm、直線度0.002 mm（可達(dá)到 0.001 mm）、粗糙度Ra0.2 μm的要求，其尺寸 CPK值大于1.67，可以保證穩(wěn)定的尺寸控制能力。鉸珩刀具在每一個加工循環(huán)中不必漲縮，這樣就最大限度地減少了漲縮式珩磨的誤差復(fù)映現(xiàn)象，以及珩磨工具零件間的傳動誤差，而且金剛石的磨損較珩磨油石慢得多，因此鉸珩能夠更好的實現(xiàn)尺寸、形狀和表面品質(zhì)控制。

2 工藝比較與分析

2.1 加工方式比較分析

鉸珩與傳統(tǒng)珩磨加工原理對比見圖3［9］。

圖3 鉸珩和傳統(tǒng)珩磨加工原理示意圖

傳統(tǒng)珩磨工藝加工閥套內(nèi)孔工藝流程分為粗珩、精珩兩個工序來保證，使用兩臺臥式珩磨機(jī)，需要兩次裝卸零件，輔助時間長。鉸珩工藝由一臺設(shè)備多工位完成粗精珩磨，只需一次裝卸零件，裝卸同時加工，沒有輔助時間。

鉸珩工藝將傳統(tǒng)珩磨的往復(fù)沖程運動簡化為單沖程一次通過孔進(jìn)行加工，保持了刀具良好的尺寸和幾何形狀，在加工原理上相當(dāng)于普通鉸孔加工，用一組直徑遞增的刀具避免了傳統(tǒng)珩磨刀具直徑在每個加工循環(huán)中的漲縮，使運動更簡潔更高效。

鉸珩比傳統(tǒng)珩磨的沖程往復(fù)速度Va低得多，主軸圓周速度Vc基本相同。鉸珩沖程長度L較長，相比傳統(tǒng)珩磨對加工孔的圓度、直線度影響不大，但影響加工效率。具體工藝特點比較如表9所示。

表9 傳統(tǒng)珩磨與鉸珩工藝特點比較表

2.2 加工精度比較分析

傳統(tǒng)珩磨在加工過程中要多次修磨油石（20多次/件），生產(chǎn)節(jié)拍長且不穩(wěn)定，而鉸珩工藝使用超硬磨料鍍層刀具，生產(chǎn)節(jié)拍可以保證在40 s以內(nèi)，加工過程幾乎不用調(diào)整磨粒套，對操作工技能要求更少，生產(chǎn)效率大大提升。同時減少了刀具的磨損，使刀具耐用度高，剛性好，成本低，按刀具壽命100 000件計算單件加工成本僅0.3 元。

鉸珩后的閥套內(nèi)孔尺寸一致性好，獲得了很高的幾何及形狀精度，工序能力更穩(wěn)定，更適合大批量生產(chǎn)加工。對傳統(tǒng)珩磨工藝和鉸珩工藝的加工精度進(jìn)行比較分析見表10。

2.3 對轉(zhuǎn)向器精度影響分析

閥套與閥芯的配合間隙在0.010～0.014 mm之間，采用珩磨工藝的閥套內(nèi)孔直徑尺寸離散度、圓度、直線度穩(wěn)定性相對較低，需采用分組選配來裝配。而鉸珩內(nèi)孔尺寸穩(wěn)定在0.001 mm，因此在閥芯加工中無需根據(jù)閥套內(nèi)孔尺寸大小調(diào)整，即不需要再進(jìn)行分組選配，真正實現(xiàn)閥芯閥套的完全互換法裝配。同時由于鉸珩相對傳統(tǒng)珩磨在配磨間隙理論上保證的更準(zhǔn)確一些，反映到產(chǎn)品上配鉆轉(zhuǎn)向力比較穩(wěn)定，而且閥芯在閥套內(nèi)轉(zhuǎn)動靈活，產(chǎn)品滯后差與傳統(tǒng)珩磨相比可提高0.2左右。

表10 傳統(tǒng)珩磨與鉸珩工藝加工精度比較表

3 結(jié)語

鉸珩工藝解決了傳統(tǒng)珩磨工藝加工閥套內(nèi)孔存在的問題，可精確穩(wěn)定控制被加工孔的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度，提高了加工品質(zhì);同時簡化了加工運動，縮短了加工時間，因此鉸珩加工效率高，加工成本低，是一種理想的精密運動副內(nèi)孔大批量加工工藝。

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