火力分段燃?xì)鉄崴骶苠F閥加工工藝及專用設(shè)備\\刀具設(shè)計(jì)與制造

火力分段燃?xì)鉄崴骶苠F閥，是新型燃熱水器中的關(guān)健部件，閥體材料為ZL102鋁合金，閥蕊材料為H68黃銅(附圖1、圖2)。由于要求閥門(mén)工作時(shí)在180°轉(zhuǎn)角中能分別接通或關(guān)閉三種不同的通路并且相互間要有較高的密封性，即在無(wú)油條件下加壓0.015 MPa五分鐘無(wú)泄漏。且在大批量生產(chǎn)時(shí)閥體和閥蕊能完全互換裝配和維修更換。所對(duì)閥門(mén)錐面的幾何尺寸、形位公差、配合精度和尺寸精度的穩(wěn)定性及表面粗糙度、耐磨性的要求極高。原國(guó)內(nèi)一般廠家均采用進(jìn)口配件進(jìn)行組裝，但進(jìn)口配件價(jià)格貴，供貨不及時(shí)，無(wú)法保證正常生產(chǎn)。并且需大量外匯，使產(chǎn)品成本提高，無(wú)法與國(guó)外品牌競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。

一、工藝分析

根據(jù)產(chǎn)品的材料特點(diǎn)和技術(shù)要求及裝配使用要求，通過(guò)分析和調(diào)查國(guó)內(nèi)目前有以下三種工藝方案:

第一，從國(guó)外進(jìn)口專用機(jī)床(精密數(shù)控機(jī)床)來(lái)進(jìn)行加工，雖然產(chǎn)品質(zhì)量能保證，但進(jìn)口機(jī)床價(jià)格昂貴(每臺(tái)約40萬(wàn)元)。且供貨、安裝調(diào)試周期長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用大，致使產(chǎn)品成本高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差，所公司一時(shí)無(wú)法承受。

第二，采用國(guó)產(chǎn)精密專用錐度車(chē)床(采用靜壓軸承)進(jìn)行加工，雖機(jī)床主軸精度較高，但使用環(huán)境和維護(hù)要求較高。且導(dǎo)軌精度和進(jìn)刀機(jī)構(gòu)與普通車(chē)床類(lèi)同，無(wú)法滿足產(chǎn)品的加工精度和尺寸和穩(wěn)定性。而且價(jià)格比較貴(每臺(tái)約10萬(wàn)元)，所此方案的投資可行性較差。

第三，采用普通機(jī)床分別粗、精車(chē)，然后用“成對(duì)研磨法”生產(chǎn)，雖生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少。但工效極低、質(zhì)量差而且不穩(wěn)定;特別由于不能互換制約了大批量生產(chǎn)和裝配、維修，且使用安全性差，產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)國(guó)家安全認(rèn)證。

綜觀以上的工藝方案由于投資、時(shí)間和工效、安全性等問(wèn)題，制約了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)火力分段燃?xì)鉄崴鞯呐可a(chǎn)及與國(guó)外品牌競(jìng)爭(zhēng)的能力。為了提高該公司新型燃熱水器爭(zhēng)創(chuàng)名牌產(chǎn)品，及與國(guó)外品牌競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)為學(xué)校實(shí)習(xí)工廠增加收入，擴(kuò)大產(chǎn)教結(jié)合的效果，提高創(chuàng)收能力。通過(guò)總結(jié)本人長(zhǎng)期從事機(jī)械制造加工的經(jīng)驗(yàn)，特別是總結(jié)了近年來(lái)對(duì)各種有色金屬精密零件加工的研究成果;并參考了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)精密加工工藝和刀具資料。主持設(shè)計(jì)并編排出一整套用自制精密半自動(dòng)專用機(jī)床和專用人造金剛石刀具分別加工錐閥和錐閥蕊的先進(jìn)加工工藝。即采用在一次裝夾中分別自動(dòng)完成錐閥和錐閥蕊的粗、精加工，以直接達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的尺寸、形狀精度和表面粗糙度要求的加工工藝方法。從而在較短的時(shí)間內(nèi)，花費(fèi)較少的投資，批量生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品(年產(chǎn)8～10萬(wàn)套)，并通過(guò)國(guó)家安全認(rèn)證，取代了進(jìn)口配件，提高了經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

二、具體的工藝方案

1.合理安排工藝流程、確保產(chǎn)品質(zhì)量

根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)孔尺寸小、外形復(fù)雜，以及較高的技術(shù)要求和材料特性。如要分別達(dá)到<0.2μm和Ra<0.4μm的表面粗糙度和高精度的表面，采用普通的機(jī)床和刀具加工是無(wú)法達(dá)到的，而且受有色金屬材料及零件尺寸限制無(wú)法采用磨削方法來(lái)精密加工。由于零件是內(nèi)外錐形的組合密封件，穩(wěn)定保證錐度的尺寸、形狀精度和表面粗糙度是關(guān)健。所在整個(gè)工藝安排上要全面考慮各方面的因素，即采用專用精密半自動(dòng)車(chē)床、專用夾具和專用刀具(人造金剛石精車(chē)刀)。使產(chǎn)品在一次裝夾中分別自動(dòng)完成錐閥和錐閥蕊的粗車(chē)、精車(chē)(鏡面)二道加工工序，使產(chǎn)品直接達(dá)到圖紙要求。

基本工藝流程如下:

工件裝夾(開(kāi)車(chē))——粗車(chē)——退刀(縱、橫向)——換刀——精車(chē)(人造金剛石車(chē)刀鏡面車(chē)削)——退刀(縱、橫向)——換刀——自動(dòng)停車(chē)(卸下工件)。以上工序除裝夾、開(kāi)車(chē)和卸下工件為手工完成外，其余進(jìn)刀、退刀和換刀等均為自動(dòng)完成。

2.設(shè)計(jì)、制造高精度專用半自動(dòng)車(chē)床

為滿足產(chǎn)品加工精度的需要，在設(shè)計(jì)專用機(jī)床時(shí)主要從以下幾方面考慮:

(1)主軸結(jié)構(gòu)選擇。從考慮工件加工表面的粗糙度和形位公差等因素，為保證主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性。開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)的機(jī)床參考磨床主軸結(jié)構(gòu)(采用可調(diào)三塊式滑動(dòng)軸承作為主軸的前軸承)，利用主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸承之間的楔形產(chǎn)生油膜，使主軸能穩(wěn)定地保持回轉(zhuǎn)精度。在實(shí)際生產(chǎn)中效果良好，但調(diào)試較困難且受溫度和機(jī)油粘度的影響較大，加工質(zhì)量不夠穩(wěn)定。因此在后四臺(tái)機(jī)床設(shè)計(jì)中采用成組的C級(jí)6000系列的向心推力球軸承作為主軸的前后軸承，經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)主軸的回轉(zhuǎn)精度和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性均較好。為控制主軸與主軸箱在加工裝配和使用過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性，在主軸與主軸箱加工過(guò)程中采用了合理的熱處理工藝:除在粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理外，還在半精加工和精加工中進(jìn)行二次去應(yīng)力回火，從而保證主軸與主軸箱在裝配后能達(dá)到所需的主軸回轉(zhuǎn)精度和使用過(guò)程高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的穩(wěn)定性。

(2)自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)。按工件的工藝要求考慮，按粗車(chē)——退刀——換刀——精車(chē)——退刀——換刀——停車(chē)的加工工序，并參考了有關(guān)的技術(shù)資料，設(shè)計(jì)了一套由十個(gè)同步圓盤(pán)凸輪和一系列曲柄連桿組成的進(jìn)給系統(tǒng)，利用自行設(shè)計(jì)的凸輪輪廓曲線及配套的曲柄連桿來(lái)達(dá)到按加工要求自動(dòng)變換動(dòng)作。開(kāi)車(chē)后，進(jìn)給系統(tǒng)與主軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)，先以較快的縱向進(jìn)給速度開(kāi)始粗車(chē)，車(chē)畢后橫向少量退刀、縱向快速退刀;完畢后自動(dòng)橫向移動(dòng)刀架換過(guò)精車(chē)刀，并縱向慢速進(jìn)給進(jìn)行精車(chē)(鏡面車(chē)削);車(chē)畢后橫向少量退刀、縱向快速退刀，終了后橫向換刀并通過(guò)行程開(kāi)關(guān)自動(dòng)停車(chē)，完成一次工件循環(huán)。從而保證了工件在一次裝夾中完成粗、精車(chē)加工，不但保證了產(chǎn)品質(zhì)量而且大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

為了簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)并保證外錐體和內(nèi)錐孔的錐度一致性，兩種工件采用同一類(lèi)型的機(jī)床進(jìn)行加工。外錐體車(chē)削采用正轉(zhuǎn)(工件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))車(chē)削;閥體錐孔采用反轉(zhuǎn)(工件順時(shí)針旋轉(zhuǎn))車(chē)削。但各自的切削速度和進(jìn)給速度按工件材料、加工條件和工藝要求的不同可分別進(jìn)行調(diào)整。

(3)滾珠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。由于工件的加工精度、形位公差和表面粗糙度的要求均很高，且工件的加工表面有一部分為斷續(xù)切削，易產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)。如采用普通導(dǎo)軌，由于是滑動(dòng)摩擦阻力大、傳動(dòng)不靈敏，造成爬行或進(jìn)刀定位不精確。并因?qū)к夐g隙的存在，加工中產(chǎn)生振動(dòng)、讓刀造成加工精度、形位公差和表面粗糙度質(zhì)量不穩(wěn)定。所自行設(shè)計(jì)采用可調(diào)錐度的十字形滾珠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，經(jīng)一次調(diào)整導(dǎo)軌與主軸的夾角后固定導(dǎo)軌，就能穩(wěn)定錐度車(chē)削的精度。由于采用滾珠導(dǎo)軌，能做到無(wú)間隙或負(fù)間隙的滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)，既避免了由于導(dǎo)軌間隙產(chǎn)生的加工誤差及斷續(xù)切削產(chǎn)生的振動(dòng) 。又大提高了導(dǎo)軌的靈敏度和定位、進(jìn)刀的精確度，保證了零件的尺寸精度、滿足了加工要求。

3.選用先進(jìn)的人造金剛石車(chē)刀

由于零件的加工特點(diǎn)和使用要求，要求通過(guò)精車(chē)直接達(dá)到表面粗糙度Ra<0.4μm，并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能保持穩(wěn)定的尺寸要求和形狀要求，來(lái)保證產(chǎn)品在裝配和維修中能達(dá)到完全互換和嚴(yán)格密封的要求。且要防止鋁硅合金在車(chē)削中易粘刀產(chǎn)生刀瘤而破壞尺寸精度和表面粗糙度。經(jīng)多次試驗(yàn)并參考了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的刀具資料，決定選擇采用人造金剛石車(chē)刀作為外錐體、內(nèi)錐孔的精車(chē)刀，其刀具形狀、尺寸、角度和參數(shù)自行設(shè)計(jì)。車(chē)刀的刀頭材料選用美國(guó)GE公司的COMPAX聚晶金剛石，由北京迪安超硬材料公司協(xié)助制成專用車(chē)刀。

三、結(jié)束總結(jié)

經(jīng)過(guò)五年多的批量生產(chǎn)，效果良好。車(chē)削后錐體和錐孔的表面粗糙度值分別達(dá)到Ra<0.2μm和Ra<0.4μm達(dá)鏡面，且圓度、直線度、錐度表面耐磨性和閥門(mén)的密封性均符合圖樣要求，能滿足成批生產(chǎn)的完全互換裝配和互換維修，并通過(guò)國(guó)家燃?xì)饩甙踩珯z查驗(yàn)收。由于此工藝方法工件在一次裝夾中直接加工為成品，所加工一個(gè)零件只需2～3分鐘，使工效比原來(lái)提高了數(shù)十倍。且能代替進(jìn)口零件，大大降低了產(chǎn)品成本、增加經(jīng)濟(jì)效益，使該產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。

(作者單位:浙江省桐鄉(xiāng)市技工學(xué)校)