轉(zhuǎn)向器閥套內(nèi)孔珩磨與鉸珩工藝對(duì)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(dòng)力轉(zhuǎn)向器控制閥因功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需要閥芯閥套副間運(yùn)轉(zhuǎn)靈活無(wú)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(guó)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(guó)被應(yīng)用于航空和汽車工業(yè)的批量生產(chǎn)［2-3］。

本文對(duì)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(diǎn)，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(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)同時(shí)，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(shí)一般工件固定不動(dòng)，珩磨芯軸有三個(gè)運(yùn)動(dòng)，即兩個(gè)主運(yùn)動(dòng):旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，一個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng):垂直于加工表面的徑向加壓運(yùn)動(dòng)［5］。

1）珩磨加工原理

珩磨加工原理是用油石和孔壁相互對(duì)研而形成新的孔壁和油石表面的創(chuàng)制過(guò)程。隨著珩磨的進(jìn)行，油石和孔壁不斷產(chǎn)生干涉點(diǎn)，又不斷地被磨掉并產(chǎn)生新的干涉點(diǎn)，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(shí)應(yīng)使用充足的切削液。

2）油石選用

珩磨油石粒度對(duì)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?yàn)闇p少油石磨損延長(zhǎng)以使用壽命時(shí)，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(hào)表

3）珩磨主要工藝參數(shù)

珩磨油石的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(huì)使表面粗糙度變差，這是由于珩磨油石自勵(lì)變差的結(jié)果，因而提高主軸轉(zhuǎn)速V時(shí)需同時(shí)提高往復(fù)速度，增強(qiáng)油石自勵(lì)，且能保持網(wǎng)紋角。

超程量是指油石在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，其在加工孔的兩端超出的距離，超程的長(zhǎng)短會(huì)直接影響孔的圓柱度，超程過(guò)長(zhǎng)形成喇叭孔，超程過(guò)短形成鼓形孔，兩端超程不等會(huì)產(chǎn)生錐度，超程量一般為工件長(zhǎng)度的1/3～1/2，珩磨油石長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 閥套沖程速度計(jì)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(jì)算得出，結(jié)果如表4所示。

表4 閥套圓周速度計(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)中磨粒能夠正常脫落自勵(lì)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(shí)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(diǎn)

大量的工藝研究和試驗(yàn)表明，用珩磨加工精密內(nèi)孔時(shí)，由于加工過(guò)程中對(duì)珩磨油石進(jìn)行了徑向調(diào)整和采用了往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式，破壞了珩磨油石原來(lái)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(gè)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(guò)楔片而漲出，在孔內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，從而產(chǎn)生了上述一系列問題;同時(shí)由于傳統(tǒng)珩磨加工的油石不夠耐用，在加工過(guò)程中需多次修磨，而且每次修磨工作量大、對(duì)工人技術(shù)要求高，很難實(shí)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(diǎn)在傳統(tǒng)珩磨基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(guò)程中珩具只做旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，不做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)加工材料較大的去除率，再選擇較小粒度珩具以實(shí)現(xiàn)高的加工表面品質(zhì)。珩具的旋轉(zhuǎn)和沖程運(yùn)動(dòng)是鉸珩的主要運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(yùn)動(dòng)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(gè)工位珩磨，其余兩個(gè)工位用于上下料提高效率。鉸珩使用全浮籠式夾具，為浮動(dòng)式“搖籃”結(jié)構(gòu)，使閥套在四個(gè)方向上都可以移動(dòng)，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(yùn)動(dòng)是鉸珩的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)，沖程長(zhǎng)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(huì)損壞。沖程長(zhǎng)度依據(jù)工件長(zhǎng)度和珩磨心軸在孔兩端的超程量計(jì)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(shí)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?yàn)榱６仍郊?xì)，同時(shí)參加切削的微刃顆粒就越多，每個(gè)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(shí)，每個(gè)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(duì)粗糙度幾乎無(wú)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(guò)高也會(huì)使刀具旋轉(zhuǎn)振動(dòng)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(huì)使刀具旋轉(zhuǎn)振動(dòng)影響孔的直線度。當(dāng)沖程位置進(jìn)入點(diǎn)太高而回退點(diǎn)偏低時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生輕微的振動(dòng)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(gè)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(dòng)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(shí)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(duì)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(gè)工序來(lái)保證，使用兩臺(tái)臥式珩磨機(jī)，需要兩次裝卸零件，輔助時(shí)間長(zhǎng)。鉸珩工藝由一臺(tái)設(shè)備多工位完成粗精珩磨，只需一次裝卸零件，裝卸同時(shí)加工，沒有輔助時(shí)間。

鉸珩工藝將傳統(tǒng)珩磨的往復(fù)沖程運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為單沖程一次通過(guò)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(gè)加工循環(huán)中的漲縮，使運(yùn)動(dòng)更簡(jiǎn)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(zhǎng)度L較長(zhǎng)，相比傳統(tǒng)珩磨對(duì)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(diǎn)比較如表9所示。

表9 傳統(tǒng)珩磨與鉸珩工藝特點(diǎn)比較表

2.2 加工精度比較分析

傳統(tǒng)珩磨在加工過(guò)程中要多次修磨油石（20多次/件），生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)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(guò)程幾乎不用調(diào)整磨粒套，對(duì)操作工技能要求更少，生產(chǎn)效率大大提升。同時(shí)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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)較低，需采用分組選配來(lái)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(wú)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(shí)現(xiàn)閥芯閥套的完全互換法裝配。同時(shí)由于鉸珩相對(duì)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(dòng)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(yǔ)

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(shí)簡(jiǎn)化了加工運(yùn)動(dòng)，縮短了加工時(shí)間，因此鉸珩加工效率高，加工成本低，是一種理想的精密運(yùn)動(dòng)副內(nèi)孔大批量加工工藝。

［1］徐前華.鉸珩工藝在閥套加工中的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2008（9）:52-53.

［2］高振玲.金剛石、CBN刀具內(nèi)外復(fù)合電鍍成形技術(shù)工藝裝備的研究［D］.北京:北京航空航天大學(xué)，2004.

［3］CBN and Diamond-plated Bore Finishing Tools［EB/OL］，http://www.engis.com/bore finishing/tools.html，2002.

［4］楊叔子.機(jī)械加工工藝手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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［6］薛儒.精密鉸孔新工藝［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2000（8）:4.

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［8］廉潔.一步到位的孔加工機(jī)床的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2002（8）:61-62.

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