高精度復雜結構計量活門工藝設計

■ 貴州紅林機械有限公司軍品機加分廠 （貴陽 550009） 鄭曉莉 梁清余 王 軍

高精度活門零件不但在航空航天領域應用非常廣泛，同時廣泛運用于高速鐵路、醫學工程和現代建筑等行業中，很多軍用或民用的重大項目及工程都需要借助高精度活門零件來實現一定的功能。而某些特殊的高精度活門，由于結構的特殊性（如本文介紹的細長骨架類高精度計量活門），特別容易受大余量材料去除后應力釋放、熱處理過程中的材料應力釋放、加工過程中裝夾受力、刀具擠壓受力以及零件周轉過程中的自重受力等多重因素的影響，而產生較大變形，不能滿足零件的高精度需求。本文采用新工藝方法，通過對高精度骨架類活門零件的加工從工藝流程、加工方法和去除材料內應力等方面進行控制，有效解決了骨架結構零件易變形的問題，使加工尺寸穩定，零件加工的合格率得到大幅提高，確保產品正常交付。

1. 計量活門結構

計量活門結構如圖1所示。該零件結構較為復雜，其特點為細長、骨架結構、空心以及精度要求高。

圖1

2. 技術要求

該計量活門為細長空心骨架結構（總長74mm，最小直徑7mm），尺寸38°±15′、φ2+0.025+0mm、φ3+0.014+0mm、圓柱度最大0.001mm（2處）和最大0.002mm、同軸度最大0.005mm（2處）等要求較嚴，很容易在加工過程中因加工變形、應力釋放產生變形，因裝夾定位誤差等因素造成零件的批次性超差，并且這些因素對零件最終質量狀態的影響沒有規律性，因此，保證最終產品質量的難度非常大。

3. 技術難點

從該零件的結構、精度要求及現有加工能力進行分析，總結出該高精度復雜結構活門零件加工過程中存在的技術難點如下：

（1）如圖2所示，在零件φ34mm外圓上需要加工15.5mm×21.5mm的兩個方孔，方孔對角邊與φ2+0.025+0mm徑向孔所形成的角度尺寸為38°±15′（兩方孔與外圓所形成的理論交接對角點連線與孔P中心線所形成的角度），該角度尺寸公差嚴，在加工過程中難以采用合適的裝夾定位方法來保證該尺寸要求。

（2）該計量活門零件屬于高精度骨架結構空心活門零件，加工過程和周轉過程都很容易變形。當方孔加工后，若使方孔一次性加工掉，加工余量過大，應力釋放后必然使零件產生較大變形。因零件為滲氮件，為保證滲氮層深度，磨削加工余量小，若零件變形大，極容易磨不成導致報廢。另外，裝夾定位、刀具選擇、加工過程、測量方法和工藝流程都較難選擇和控制，在冷加工和熱加工過程中的應力釋放都會導致零件產生較大變形，且這種變形是無規律的。

（3）由于零件為細長桿、空心骨架結構零件，在零件的加工過程中，特別容易受大余量材料去除后應力釋放、熱處理過程中的材料應力釋放、加工過程中裝夾受力、刀具擠壓受力以及零件周轉過程中的自重受力等多重因素的影響，而產生較大變形，導致零件尺寸和同軸度、圓柱度等形位公差超差。

（4）零件φ9mm外圓上的兩個徑向孔尺寸分別為φ2+0.025+0mm和φ3+0.014+0mm（見圖3），孔徑尺寸小且公差嚴格，孔在鍍銅、除銅及熱處理的過程中會產生不可預測的改變，導致最終孔尺寸不能保證圖樣要求。

（5）尺寸鏈換算時，因端面有滲氮深度要求，尺寸換算后公差嚴，滲氮前端面尺寸（1.71±0.01）mm，滲氮后端面尺寸（1.69±0.01）mm，槽邊磨磨削端面時尺寸難以保證。

（6）該活門有三外圓需與襯套進行配套，保證間隙0.004mm（2處）和0.009mm要求，為此，三外圓均需要保證最大0.002mm圓柱度和最大0.005mm圓柱度要求，同時因零件變形難以控制，導致難以保證零件滲氮深度要求。

4. 原因分析及解決措施

針對上述6大技術難點分析原因，采取的相應解決措施如下：

（1）由于角度尺寸公差要求嚴格，且加工只能通過間接計算方式得到所需尺寸，若所采用的工裝設計不科學，造成較大誤差，就難以保證零件精度要求，因此，采用如圖4和圖5所示的自制輔助工裝進行加工，該工裝采用扁與型孔的配合定位，經解剖測量得到合格零件，證明了該工裝的可行性。

圖2

圖3

圖4

圖5

該工裝使用方法如圖6所示，將零件裝入圖5中的定位襯套后，用圖4中的定位銷進行定位，然后用V形塊夾持定位襯套，最后用刀口尺靠直找正面，方可進行對刀加工。

實際加工過程中，因角度尺寸38°±15′公差嚴，通過怎樣的間接換算和定位方式保證該尺寸，也是需要考慮的、決定該尺寸能否保證的重要因素。如圖7所示，加工時用刀口尺進行找正圖5所示工裝的找正扁后，實測電極的尺寸L，移動電極按圖5碰觸零件外圓后，（6.53+L）mm就是電極加工狀態時從找正零點偏移的距離。6.53mm為計算尺寸，計算過程為：34÷2-34÷2×sin38°＝6.53mm，其中，34mm為φA直徑尺寸。當φA尺寸在前工序加工有超差情況時，就需要按φA實測值重新進行計算。

（2）該計量活門屬于高精度薄壁零件，易變形，加工、定位較難，尺寸因應力釋放而改變，且無規律。對零件的加工流程進行摸索，為了將應力釋放對零件的影響程度降到最低，采用在鉆攻中心上粗加工方孔（單邊留0.5～1mm的加工余量）后，將零件去應力處理后，再進行滲氮前磨削，最后進行最終的電火花加工，保證設計圖樣尺寸和技術要求。

通過按工藝規程增加鉆攻中心進行粗加工的流程進行加工試驗，并收集去應力及滲氮前后相關跳動要求進行數據分析可知：零件在去應力后產生較大變形，但去應力后還要進行精加工，再進行滲氮處理，對保證滲氮層深度無影響，因此，工藝流程增加鉆攻中心進行粗加工是合理的，能最終保證工藝要求。

采用的加工工藝流程為：

圖6

圖7

下料→正常化→車工→粗車環形槽→精車環形槽→鉆孔→去毛刺→鉆孔（鉆細長軸向孔）→鉆孔（鉆8處軸向孔）→粗銑四方孔→清洗、檢驗→去應力→鍍銅→研頂尖孔、磨外圓（3處）和端面（2處）→清洗、檢驗→滲氮→除銅→研頂尖孔、磨端面（2處）→電火花打四方孔→精磨外圓（3處）→去毛刺→清洗→裂紋和燒傷檢查→研孔→清洗、檢驗 油封→精研外圓（組件中進行）。

（3）由于零件為細長桿骨架結構空心零件，在加工和周轉過程中都容易產生變形。每道工序周轉都使用專用零件盒，垂直擺放，將零件周轉過程產生的變形控制到最輕微。

（4）零件φ9mm外圓上的兩個徑向孔尺寸分別為φ2+0.025+0mm和φ3+0.014+0mm，尺寸小且公差嚴，考慮到孔在鍍銅、除銅及熱處理過程中產生的不可預測的改變，采用在鉆攻中心加工后，在最終工序進行精加工（研孔）的控制方法，保證零件最終合格。

（5）尺寸鏈換算時，因端面有滲氮深度要求，尺寸換算后公差嚴，刀磨磨削端面時尺寸難以保證，因此，如圖8所示，將兩個端面同時進行磨削加工保證尺寸（1.71±0.01）mm，而不是按傳統工藝方案只加工一個面。若只加工一個面，會因基準面上的銅層不均勻導致尺寸無法保證。當然，這種工藝方案同時要考慮該工序的基準端面①的控制。先見光端面①，尺寸1.71mm按1.83-0-0.05mm進行控制。圖8中，端面②為設計圖樣的基準端面，且端面有滲氮層深度要求。

圖8

（6）為保證滲氮層深度要求，將滲氮工序的滲層深度從最小0.1mm提高至最小0.11mm，在滲氮之前，將三外圓的同軸度控制到最大0.01mm，圓柱度控制到最大0.005mm，端面垂直度保證到最大0.02mm，將該零件的形狀和相互位置誤差在熱處理前控制好，以保證滲氮要求。另外，為保證零件最終與襯套的配合間隙要求，在單件進行磨削加工時留0.010～0.015mm研磨余量，進入組件配套時，再進行研磨，保證最大0.002mm圓柱度要求的工藝流程。

5. 取得的效果

采用先在鉆攻中心上粗加工后進行去應力，之后再進行磨削精密加工后電火花打方孔，保證方孔相關尺寸和滲氮深度要求的工藝流程，將零件可能產生的變形量控制到最低；采用自行創新設計的輔助工裝，很好地保證角度尺寸要求。該工裝采用定位銷子扁和襯套方孔配合，且方孔和襯套上的找正扁一次裝夾加工，將工裝可能產生的誤差降到最低。采取新工藝后，從工藝流程、加工方法及去除材料內應力等方面進行有效控制，很好地解決了骨架空心結構活門零件的變形問題，使加工尺寸穩定，零件加工合格率得到大幅提高，達到90%以上。

通過新技術新工藝的應用，為加工高精度骨架結構類零件探索了一條新路，為未來更多新品研制新技術、新工藝的突破奠定了堅實的基礎，為其他類似產品的加工提供了經驗借鑒。

[1] 張文麗. 活門骨架空心尺寸的加工及檢測[J]. 金屬加工（冷加工），2013（16）：61-62.

[2] 楊江河，程繼學. 精密加工實用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2006.