插裝孔加工技術(shù)

■ 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 （山西長治 046012） 駱新營 許軍鋒 侯姣姣 張 森 李曉波

1. 插裝閥及其閥孔結(jié)構(gòu)

近年來，插裝閥在航天產(chǎn)品中應(yīng)用日益廣泛，已應(yīng)用的元件有電磁換向閥、單向閥、溢流閥、減壓閥、流量控制閥及一些相關(guān)的比例閥等，如圖1所示。使用上，螺紋插裝閥可以簡化管路連接，減少泄漏途徑，減少污染物進(jìn)入可能性。在不拆卸管接頭的情況下，可以很容易地更換插裝閥，且維修保養(yǎng)方便。螺紋插裝閥裝配如圖2所示。螺旋插裝閥及其閥孔的加工與生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 常用螺紋插裝閥

圖2 螺紋插裝閥裝配示意

插裝孔按結(jié)構(gòu)分，主要有兩腔、三腔、四腔和五腔等。圖3所示為威格士C-10-3三腔孔。螺紋插裝閥的腔孔尺寸及表面粗糙度要求都比較高，各孔的幾何公差，比如同軸度要求一般在0.02mm以內(nèi)，各孔之間一般以小圓角過渡。所以，對加工工藝提出了較高的要求。

插裝孔多為多腔孔半封閉結(jié)構(gòu)。受結(jié)構(gòu)所限，加工過程中切屑不易排出，切屑與刀具易產(chǎn)生擠壓，形成積屑瘤，影響表面質(zhì)量。另外，受刀具、設(shè)備及加工方法等因素的綜合影響，加工精度也不易控制。下面主要從刀具的選擇、軟件編程、宏程序編制和加工參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行較為系統(tǒng)的論述，以解決此類腔孔的加工瓶頸問題。

2. 優(yōu)化加工方法

以鋁質(zhì)閥塊為例，原來的腔孔加工流程為：制中心孔→鉆孔→擴(kuò)孔→粗加工腔孔→半精加工腔孔→精加工腔孔→加工螺紋→去除飛邊及孔道雜質(zhì)。

圖3 威格士C-10-3三腔孔

由圖3可知，插裝閥的腔孔是一組階梯孔，各孔的過渡處都有倒角、圓角等。過去都是手工編程，過渡處的倒角、倒圓程序?qū)σ话愕牟僮髡叨?，編制難度較大，工作量也比較大。如圖4所示，一般在粗加工時(shí)，各孔過渡處的余量并沒有去除，導(dǎo)致在半精加工時(shí)，加工到腔孔底部時(shí)，刀具的切削力特別大，機(jī)床負(fù)載急劇上升，最大可達(dá)40%～50%。半精、精加工時(shí)，負(fù)載過大，易導(dǎo)致刀具損壞或加劇刀具磨損。另外，刀具是在一種半封閉狀態(tài)下進(jìn)行切削，由于容屑空間有限，排屑效果不良，再加上精加工腔孔時(shí)過大的負(fù)載，容易導(dǎo)致刀具顫動(dòng)，或沿軸線產(chǎn)生一定的偏移，產(chǎn)生“喇叭孔”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致腔孔孔徑超差。

圖4 傳統(tǒng)腔孔加工方法示意

依前文所述，需對腔孔的底部余量進(jìn)行有效去除?？梢岳米詣?dòng)編程軟件進(jìn)行編程，生成腔孔程序后再進(jìn)行加工。在半精加工腔孔時(shí)，將第一個(gè)沉孔直接加工成形，后續(xù)不再加工。各孔壁及底面單邊留余量0.15mm。腔孔加工軌跡如圖5所示，加工效果如圖6所示。

3. 刀具選用及注意事項(xiàng)

閥塊材質(zhì)一般為7A04-T6鋁合金，其為超硬鋁，切削性能好。選用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工。硬質(zhì)合金刀具具有高硬度、高耐磨性和高彈性模量，化學(xué)穩(wěn)定性好。另外，由于零件表面質(zhì)量要求高，為保證不出現(xiàn)接刀痕跡，最好選用整體硬質(zhì)合金銑刀，一次加工成形。整體硬質(zhì)合金銑刀具有以下特點(diǎn)：①切削刃規(guī)整，直線度好，容易獲得較高的形狀精度。②剛性好，強(qiáng)度高，容易獲得較高的加工精度及表面質(zhì)量。③切削刃長，在精加工時(shí)，零件輪廓可以一次成形，加工效率高。

刀具的具體型號依據(jù)腔孔的規(guī)格確定，盡量選用規(guī)格較大的整體硬質(zhì)合金刀具。

腔孔成形刀具可依據(jù)腔孔尺寸進(jìn)行定制。成形刀具一般是整體焊接式刀具，即基體材料是高速鋼，切削刃為硬質(zhì)合金材料。為保證刀具強(qiáng)度，定制刀具時(shí)，刀具尖角處應(yīng)增加0.2～0.3mm圓角，以提高刀具壽命，減少刀具由于負(fù)載突變而出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象。另外，成形刀具的徑向圓跳動(dòng)量應(yīng)控制在φ0.01mm以內(nèi)，或者采用試件加工的方法，驗(yàn)證刀具的加工精度，此種方法比較通用。

常用成形刀具如圖7所示，銑削刀具如圖8所示，單齒螺紋銑刀如圖9所示。

圖5 腔孔加工軌跡示意

圖6 腔孔加工效果

圖7 常用成形刀具

圖8 銑削刀具

圖9 單齒螺紋銑刀

4. 切削方式的選擇

在加工腔孔時(shí)，過去一般都是采用分層加工方法，此方法存在諸多不足之處：①在加工過程中容易產(chǎn)生接刀痕跡。②每層加工時(shí)，需有進(jìn)刀和退刀步驟，空行程較多。進(jìn)刀時(shí)，加工負(fù)載較大；退刀時(shí)，負(fù)載較小，容易出現(xiàn)過切或者欠切現(xiàn)象，所以需留出足夠的精加工余量。

現(xiàn)在采用螺旋銑削方式對腔孔進(jìn)行半精加工。經(jīng)驗(yàn)證，加工效果比較好，孔壁余量比較均勻，達(dá)到了加工要求。

螺旋銑削是一個(gè)連續(xù)的切削進(jìn)給過程，切削過程比較平穩(wěn)，切削力均勻，加工效率比較高。對于螺旋式加工，由于刀具側(cè)刃的背吃刀量總是從零開始，逐漸線性地增大至規(guī)定值，而且每一次循環(huán)的側(cè)刃最大背吃刀量僅為指定層降，因此可以最大限度地減少刀具的讓刀現(xiàn)象，有效保證孔上下尺寸的一致性。另外，相對于分層加工，螺旋銑削每個(gè)孔只需一次進(jìn)刀、退刀，減少了機(jī)床的空運(yùn)行時(shí)間，能在一定程度上提高加工效率。

5. 切削參數(shù)的優(yōu)化

采用優(yōu)化方法進(jìn)行加工，腔孔各處的余量均勻一致，可以省略粗加工成形刀具，直接使用精加工成形刀具對腔孔進(jìn)行精加工。腔孔在加工過程中，由于各孔的深度不盡一致，各孔會(huì)逐一進(jìn)入切削過程，在孔底部時(shí)，其加工負(fù)載會(huì)達(dá)到最大值。為保證切削過程的平穩(wěn)性，需對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。經(jīng)驗(yàn)證，刀具在初始切入工件時(shí)，初始負(fù)載會(huì)比正常切削時(shí)的負(fù)載高5%～10%。在加工孔側(cè)壁時(shí)，由于余量較少，切削力小，影響并不明顯。在加工到離孔底部0.5mm時(shí)，為降低切削力，應(yīng)將轉(zhuǎn)速降20%～30%，進(jìn)給速度依據(jù)實(shí)際情況確定，保證切削負(fù)載控制在10%～15%。腔孔較大時(shí)，允許負(fù)載適當(dāng)增大。刀具在孔底時(shí)，應(yīng)暫停1～2s，以進(jìn)一步提高倒角處的表面質(zhì)量。以加工C-10-3腔孔為例，在加工孔底部時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為300r/min，進(jìn)給速度設(shè)定為10mm/min。

6. 螺紋加工宏程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)

原螺紋加工程序通用性不強(qiáng)，改動(dòng)比較麻煩。對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面是改進(jìn)后的海德漢系統(tǒng)通用單齒刀螺紋加工宏程序清單：

…..

L X0Y0Z50C0R0 FMAX M3

Q2=15.88; 螺紋深度

Q3=14； 每英寸螺紋齒數(shù)

Q4=25.4*0.875/2； 螺紋大徑

Q1=0.3 ； 徑向余量

CALL LBL1； 調(diào)用子程序

Q1=0

CALL LBL1

Q1=-0.185

LBL

TOOL CALL 25 Z S2400 DL-0.1 DR+Q1; 調(diào)用單齒螺紋刀具

L X+0 Y+0 R0 F2000

L Z-0.8 F2000 M13 ; 移動(dòng)刀切削位置，啟動(dòng)主軸及切削液

Q5=Q2*Q3*360/25.4 ； 螺旋線旋轉(zhuǎn)總角度

CC X0Y0 ； 設(shè)置圓弧中心

L X+Q4 Y+0R.F600

CP IPA-Q5 IZ-Q2 DR- F240 M13 ；螺旋銑削螺紋

L X+0 Y+0 R0 F600

LBL 0 ； 子程序結(jié)束

L Z+50 FMAX M5 M9 ； 退刀

TOOL CALL 0; ； 刀具退回刀庫

……

程序說明：子程序的調(diào)用次數(shù)，可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。螺旋線的圈數(shù)不能超過15圈，即Q5的絕對值不超過5 400。若超過，則再增加編寫一段螺旋線程序。

7. 加工效果

工藝方案改進(jìn)前后的加工效果對比見表1。

表1 工藝方案改進(jìn)前后的加工效果對比

8. 結(jié)語

通過對工藝方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、刀具的合理選擇及切削參數(shù)的優(yōu)化，提升了腔孔的加工精度及表面質(zhì)量，經(jīng)裝配試驗(yàn)，效果良好，為類似產(chǎn)品的加工提供了成功范例，具有很好的借鑒作用。