基于細(xì)長(zhǎng)軸雙密封閥芯的 精密磨削工藝及應(yīng)用研究

王熙杰

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006）

1 研究現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題

雙密封結(jié)構(gòu)電磁閥是軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)重要控制組件，為了滿足客戶某型號(hào)小型化的要求，該電磁閥采用單線圈、單閥芯結(jié)構(gòu)對(duì)氧化劑路和燃料路同步控制，主要由基體、閥芯等組成。

雙密封結(jié)構(gòu)電磁閥一處為活門座非金屬端面密封，另外一處為錐面非金屬棱邊密封。為了實(shí)現(xiàn)雙密封同時(shí)密封成功，需要閥芯較高精度的形位公差，且閥芯雙密封尺寸和基體的雙密封尺寸具備高匹配性，否則就會(huì)導(dǎo)致雙密封失敗。問(wèn)題主要有：（1）單閥芯雙密封過(guò)程中對(duì)閥芯的形位公差要求均在0.01mm 以內(nèi)，而閥芯理論上為細(xì)長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程中易受力變形，研制過(guò)程中閥芯形位公差合格率僅為60%；（2）合格的閥芯零件裝入基體后，由于雙密封尺寸匹配性較差，雙重密封性難以保證，兩處氣密無(wú)法同時(shí)滿足要求，只能通過(guò)不斷返修閥芯上下密封端面保證密封性能，裝配工藝性差，研制過(guò)程中氣密合格率僅為30%。

2 細(xì)長(zhǎng)軸雙密封閥芯精密磨削研究現(xiàn)狀及解決方案

解決單閥芯雙密封結(jié)構(gòu)電磁閥研制過(guò)程中存在的問(wèn)題，保證閥芯磨削過(guò)程中形位公差并提高其氣密合格率。雙密封閥芯磨削屬于成形磨削的一種，成形磨削是一種高效率、高精度的精加工方法，但是在磨削過(guò)程中不能完全消除加工誤差。劉豐林等建立了磨削時(shí)的工件坐標(biāo)系，提出了基于誤差補(bǔ)償?shù)哪ハ魃拜喗孛嫠惴?，?duì)誤差進(jìn)行控制[1]。康念輝等建立了基于多體系統(tǒng)理論的非球面磨削誤差模型并對(duì)磨削誤差進(jìn)行補(bǔ)償[2]。所以，對(duì)磨削成形過(guò)程中磨削誤差的研究主要是根據(jù)工件形狀和特點(diǎn)建立磨削誤差模型或算法，形成誤差補(bǔ)償方法減小誤差。

雙密封結(jié)構(gòu)電磁閥結(jié)構(gòu)較為新穎，對(duì)雙密封副尺寸匹配性的研究較少，研制過(guò)程中未對(duì)該閥門雙密封副進(jìn)行系統(tǒng)地理論研究，設(shè)計(jì)對(duì)雙密封匹配尺寸也是基于研制過(guò)程中的工程經(jīng)驗(yàn)而來(lái)。

根據(jù)單閥芯雙密封結(jié)構(gòu)電磁閥研制中存在的問(wèn)題及研究現(xiàn)狀，本文對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸閥芯精密磨削質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出基于參考坐標(biāo)的閥芯磨削控制參數(shù)，解決閥芯磨削過(guò)程中變形和形位關(guān)鍵尺寸超差的問(wèn)題，為控制密封尺寸提供基礎(chǔ)（細(xì)長(zhǎng)軸雙密封精密磨削工藝解決方案如圖1 所示）。

圖1 細(xì)長(zhǎng)軸雙密封精密磨削工藝解決方案

3 細(xì)長(zhǎng)軸閥芯精密磨削穩(wěn)定性研究

雙密封結(jié)構(gòu)電磁閥閥芯示意圖如圖2 所示，? B 和?C 均為導(dǎo)向配合面，要求 ?A 和 ?C 對(duì)于 ?B 的同軸度為0.01mm。在歷史批次閥芯加工過(guò)程中，? A和?C 對(duì)于?B 的同軸度極易超差，從而影響雙密封配合面密封。所以，保證?A 和 ?C 對(duì)于?B 的同軸度是保證雙密封合格的關(guān)鍵要素。

圖2 閥芯示意圖

在細(xì)長(zhǎng)軸磨削過(guò)程中，工件極易產(chǎn)生形狀變形，嚴(yán)重影響工件加工質(zhì)量。形狀誤差產(chǎn)生機(jī)理是復(fù)雜的，隨著磨削的進(jìn)行，砂輪在逐漸磨損，將導(dǎo)致磨削深度的逐漸減小，進(jìn)而使工件形狀有產(chǎn)生錐形的趨勢(shì)。同時(shí)，磨削力的作用下，工件會(huì)發(fā)生彈性變形。雙密封閥芯屬于細(xì)長(zhǎng)軸的一種，其形位公差超差主要來(lái)自于兩個(gè)方面：（1）砂輪磨削過(guò)程中擠壓閥芯，導(dǎo)致閥芯產(chǎn)生變形；（2）閥芯裝夾誤差導(dǎo)致的形位公差超差。閥芯磨削過(guò)程中的形位公差控制問(wèn)題是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

3.1 細(xì)長(zhǎng)軸雙密封閥芯導(dǎo)向面理論模型

3.1.1 細(xì)長(zhǎng)軸雙密封閥芯的精密磨削擠壓變形系統(tǒng)模型

細(xì)長(zhǎng)軸雙密封閥芯的精密磨削擠壓變形系統(tǒng)模型，如圖3 所示。當(dāng)把閥芯由左端夾罐夾住在磨床上進(jìn)行磨削時(shí)，磨床、閥芯、砂輪構(gòu)成了一個(gè)彈性系統(tǒng)。當(dāng)砂輪與工件表面接觸時(shí)，X 向的磨削力Fn使閥芯在接觸面的X 軸負(fù)方向上產(chǎn)生彈性變形，致使加工后的工件產(chǎn)生形位誤差。由于砂輪在X 軸負(fù)方向產(chǎn)生的力比閥芯懸臂的重力和Y 軸方向的力大的多，故忽略不計(jì)。

圖3 雙密封閥芯的磨削擠壓變形系統(tǒng)模型

其中，F(xiàn)n為磨削過(guò)程擠壓產(chǎn)生的X軸負(fù)方向的集中載荷，L 為閥芯總長(zhǎng)度，b 為閥芯磨削過(guò)程中任意一點(diǎn)的位置尺寸。所以，F(xiàn)n在閥芯Y 軸方向任意位置X 處的曲率方程為:

式中，E 為閥芯的彈性模量，I 工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，δ 為閥芯的變形量。將式（1）積分二次得：

式中，C 和D 為積分常數(shù)。

由公式（3）可知，在閥芯磨削過(guò)程中，磨削擠壓力Fn越小，閥芯變形量δn小。而外圓磨削力[3]為：

其中，r 為工件半徑，為常數(shù)，γ 為磨粒圓錐半頂角，ap為磨削深度，w 為有效磨粒間隔，vs為砂輪圓周速度，R 為砂輪半徑，e=0.2～0.5，vf為縱向進(jìn)給速度，vw為工件速度。則:

圖6 基于參考坐標(biāo)閥芯磨削方法參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

所以，細(xì)長(zhǎng)軸閥芯磨削過(guò)程中，為了減小變形量帶來(lái)的形位誤差，應(yīng)對(duì)磨削過(guò)程中的擠壓力進(jìn)行控制。在外圓磨削過(guò)程中，砂輪圓周速度vs一般為恒定，則擠壓力Fn是與ap、vf，、vw，相關(guān)的函數(shù)。

3.1.2 細(xì)長(zhǎng)軸閥芯裝夾形位誤差系統(tǒng)模型

雙密封閥芯的同軸度、垂直度為閥芯的重要參數(shù)，設(shè)計(jì)要求必須保證在0.015mm 以內(nèi)。閥芯磨削裝夾后，懸臂部分的長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，而關(guān)鍵的塑料密封面則位于閥芯裝夾的最遠(yuǎn)處，裝夾時(shí)若夾罐出現(xiàn)偏差或跳動(dòng)，則在閥芯塑料密封面處的偏差會(huì)形成一定比例的放大，導(dǎo)致形位公差超出設(shè)計(jì)要求值。根據(jù)該閥芯的歷史研制經(jīng)驗(yàn)，閥芯裝夾外圓找正在0.01mm 范圍內(nèi)時(shí)，閥芯塑料端的形位公差較大甚至超差；將閥芯裝夾精度找正在0.005mm 范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)床精度、裝夾精度、砂輪精度和操作人員水平提出更高的要求，同時(shí)并不能保證閥芯塑料端的形位公差滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 基于參考坐標(biāo)的閥芯磨削正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 某型號(hào)產(chǎn)品應(yīng)用情況

現(xiàn)加工方案為夾罐裝夾Bφ，砂輪對(duì)Aφ外圓進(jìn)行磨削，然后裝夾Aφ外圓，對(duì)Bφ外圓進(jìn)行磨削，兩次裝夾均存在裝夾誤差。閥芯裝夾形位誤差系統(tǒng)模型如圖4 所示，閥芯總長(zhǎng)為L(zhǎng)，當(dāng)閥芯裝夾后行程偏差角度θ時(shí)，閥芯Aφ相對(duì)于基準(zhǔn)外圓Bφ的偏差為（B-A）。

圖4 雙密封閥芯的磨削裝夾形位誤差系統(tǒng)模型

3.2 基于參考坐標(biāo)系的閥芯精密磨削參數(shù)控制研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于參考坐標(biāo)系的閥芯精密磨削方法研究：

經(jīng)分析可知，閥芯裝夾形成的形位誤差主要來(lái)源于基準(zhǔn)的不一致，關(guān)鍵在于重新構(gòu)建磨削過(guò)程的參考坐標(biāo)基準(zhǔn)?？紤]到磨床本身的精度較高，通過(guò)磨削過(guò)程建立參考基準(zhǔn)，則精度可達(dá)到微米級(jí)。

本文提出基于參考坐標(biāo)系的閥芯磨削方法，通過(guò)磨削過(guò)程首先建立兩次重復(fù)裝夾的參考基準(zhǔn)坐標(biāo)，然后以建立的參考基準(zhǔn)為后續(xù)磨削的基準(zhǔn)，解決閥芯裝夾導(dǎo)致的形位誤差問(wèn)題。

基于參考坐標(biāo)系的閥芯磨削方法如圖5 所示，包含以下步驟：

圖5 基于參考坐標(biāo)系的閥芯磨削方法示意圖

（1）建立參考坐標(biāo)基準(zhǔn)：裝夾B?外圓，對(duì)閥芯A 位置、B 位置同時(shí)走刀進(jìn)行磨削，使閥芯在砂輪A 位置形成了新的坐標(biāo)系（XA，YA），在砂輪B 位置形成了新的坐標(biāo)系（XB，YB），由于砂輪A 位置和砂輪B 位置是同一次加工而成，則OA、和OB位于同一軸線上且磨床的重復(fù)定位精度0.002mm。

（2）磨削Aφ外圓:在參考坐標(biāo)基準(zhǔn)建立的基礎(chǔ)上，對(duì)A?外圓進(jìn)行磨削，則構(gòu)建砂輪A 位置、砂輪B 位置和Aφ外圓剩余部分三處形成的軸線。由于Aφ外圓剩余部分和砂輪B 位置在同-軸線上，參考步驟（1）中的結(jié)論，則Aφ外圓剩余部分形成的軸線位于砂輪A 位置、砂輪B 位置形成軸線的延長(zhǎng)線上。

（3）磨削Bφ外圓:重新裝夾Aφ外圓，由于Aφ外圓經(jīng)過(guò)上述步驟后精度非常高，則找正砂輪A 的位置，對(duì)Bφ外圓進(jìn)行磨削，即可保證Bφ外圓外圓剩余部分形成的軸線與已經(jīng)形成的軸線共軸。

在基于參考坐標(biāo)系閥芯磨削方法應(yīng)用在基礎(chǔ)上，研究縱向進(jìn)給速度vf、切削深度pa、工件轉(zhuǎn)速vw對(duì)閥芯變形的影響關(guān)系，建立三因素正交試驗(yàn)[4]。砂輪的縱向進(jìn)給速度選擇0.5mm/min、0.3mm/min、0.1mm/min；切削深度選擇0.1mm、0.05mm、0.03mm；工件轉(zhuǎn)速選擇500r/min、300r/min、100r/min。對(duì)磨削后的閥芯進(jìn)行計(jì)量得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。通過(guò)極差的計(jì)算可知，縱向進(jìn)給速度對(duì)閥芯形位公差的影響最大，其次是工件轉(zhuǎn)速，切削深度對(duì)閥芯磨削后形位公差影響較小。

通過(guò)分析基于參考坐標(biāo)的閥芯磨削正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，第9 組試驗(yàn)的閥芯塑料端同軸度計(jì)量實(shí)測(cè)值最優(yōu)。由于縱向進(jìn)給速度對(duì)閥芯磨削的影響最大，其參數(shù)盡可能降低。所以，選擇第9組試驗(yàn)的磨削參數(shù)作為最終的磨削參數(shù)指標(biāo)。

以砂輪的縱向進(jìn)給速度選擇0.1 mm/min、切削深度選擇0.03mm、工件轉(zhuǎn)速選擇300r/min 為閥芯磨削參數(shù)，并將基于參考坐標(biāo)的閥芯磨削方法進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)10 件閥芯進(jìn)行磨削，對(duì)10 件閥芯的塑料端同軸度進(jìn)行計(jì)量。如圖6 所示，閥芯塑料端同軸度最大值為0.01mm，最小值為0.006mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 產(chǎn)品應(yīng)用情況

為了保證雙密封形位公差滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)基于參考坐標(biāo)系的閥芯磨削參數(shù)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，雙密封閥芯磨削時(shí)采用基于參考坐標(biāo)系的磨削方法，并將磨削參數(shù)設(shè)置為縱向進(jìn)給速度選擇0.1mm/min、切削深度選擇0.03mm、工件轉(zhuǎn)速選擇300r/min。經(jīng)過(guò)某型號(hào)02 批閥芯的應(yīng)用情況如表2 所示，投產(chǎn)閥芯共480 件，閥芯塑料端同軸度經(jīng)計(jì)量后僅超差9 件，極大地提高了閥芯形位公差的合格率。

4 產(chǎn)品應(yīng)用

通過(guò)基于參考坐標(biāo)的細(xì)長(zhǎng)軸雙密封閥芯精密磨削參數(shù)控制方法，某型號(hào)批次閥芯的形位公差合格率提高到97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了產(chǎn)品研制時(shí)的水平。本文建立了閥芯精密磨削過(guò)程中的擠壓變形系統(tǒng)模型和裝夾形位誤差系統(tǒng)模型，提出了基于參考坐標(biāo)的閥芯磨削參數(shù)控制方法并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，效果顯著提高。本文研究方案通過(guò)在某批次產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的效果，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。