高精度錐面加工工藝方法研究

喬 麗

（中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州貴陽550009）

0 引言

本文以高壓共軌柴油燃油泵關重件閥座為例，對高精度錐面加工進行研究。閥座質量對高壓共軌燃油泵的性能有重大影響，因為閥座需在500 MPa高壓下工作，要求密封性完好，無泄漏，所以對起密封作用的關鍵部位88°錐面的要求非常高。即給出的技術條件是角度公差±0.5°，錐面粗糙度要求為Ra0.3、圓度≤0.005 mm、直線度≤0.002 mm、跳動≤0.008 mm，大批生產質量不穩定。因此，為滿足大批量生產，并使錐孔精度滿足要求且質量穩定可靠，必須從加工方法、加工設備、刀具（砂輪）選擇及加工參數等方面進行優化設計。

1 零件結構簡介

零件材料：M50；熱處理硬度：HRC62～66；零件結構如圖1所示。

圖1 閥座結構圖

2 錐面加工工藝難點分析

（1）此閥座錐面的主要加工難點在于88°錐面公差只有±0.5°，且錐面長度僅有1.3 mm，錐面較短，加工尺寸不穩定；另外，粗糙度要求精度為Ra0.3。由于材料硬度較高，所以普通的車削加工難以保證角度公差及粗糙度要求。

（2）錐面與φ3.5+0.020孔的跳動要小于0.008 mm，為保證跳動要求，φ3.5+0.020孔必須和錐面一次加工而成，不能分工步加工。

（3）錐面圓度≤0.005 mm，錐面直線度≤0.002 mm，要求錐面的形狀要很好，不能有一絲缺陷及加工不起來的情況。

3 解決措施

3.1 加工路線的確定

因為此零件錐面精度要求高，所以必須分粗精加工，在熱處理前將零件形狀加工完，因熱處理后零件會產生變形，所以熱處理后留余量精加工零件，因零件屬回轉體，粗加工選擇數控車床進行，但考慮到88°錐面精度要求，且熱處理后材料硬度會達到HRC62～66，所以在熱處理后選擇數控車床車錐面是滿足不了加工要求的，故首先考慮到的是選用內圓磨床進行錐面精加工，加工步驟：車零件外形—熱處理—精磨錐面與內孔。

3.2 加工設備的選擇

車零件外形因為是粗加工，選用普通數控車床就可滿足要求，如需外形一次裝夾加工完成，可選用縱切機，推薦設備型號SPRINT-20，與普通設備相比，可將零件周邊徑向孔一并加工，提高加工效率。

精磨錐面與內孔，因前期此零件在試制過程中使用了多種內圓磨床進行加工，根據加工數據對比，加工穩定性較好的設備是瑞士磨床S145和CT450。這兩種設備的精度較高，從加工精度上講可以滿足加工要求。

3.3 裝夾方式

此零件磨內孔與錐面裝夾時用大外圓（φ12），因為要保證總長尺寸14.3±0.05 mm，所以選擇C端面定位。裝夾方式中最關鍵的一點就是三爪，三爪選用鏜過的軟爪，軟爪的跳動保證在0.01 mm以內，這樣才能保證錐面圓度不超差。

3.4 刀具的選擇

因錐面與A孔有跳動要求，所以A孔必須與錐面同時加工，且A孔的加工質量好壞也是直接影響跳動合格與否的重要原因。刀具（砂輪）的選擇方面，精磨錐面和內孔所選用的磨頭至關重要，此零件在加工前期，由于對磨頭沒有做過多的要求，所使用的磨頭結構不合理。加工直孔的磨頭如圖2所示，其缺點是磨頭桿材質為普通不銹鋼，磨頭細長，剛性差；錐面磨頭如圖3所示，其缺點是磨頭涂層材料選用的是普通金鋼砂，易磨損，磨頭桿是普通不銹鋼材質，剛性差。由于以上兩個磨頭存在的問題，造成錐面和A孔加工后經常出現溝痕，且尺寸不穩定，無法滿足圖紙要求。

圖2 直孔用磨頭

圖3 錐面用磨頭

解決方法：對以上兩個磨頭結構進行重新設計優化。對直孔磨頭，將有效磨削面長度減少，從前期的2 cm更改為1 cm，結構上將磨頭與磨桿直面連接更改為錐面連接，磨頭選用CBN涂層，磨桿選用合金材質，更改后的直孔磨頭如圖4所示；對錐面磨頭，縮小磨桿與磨頭的直徑比例，磨頭桿直徑選用5 mm，磨頭直徑選用5.6 mm，單邊鍍層厚度為0.3 mm，磨桿選用合金材質，增加剛性，且將磨頭材料由鍍金鋼砂更改為立方氮化硼，更改后的磨頭更耐用，加工尺寸更穩定，如圖5所示。

圖4 更改后的直孔磨頭

圖5 更改后的錐面磨頭

3.5 錐面關鍵加工參數的設置

為了確保大批量生產，關鍵加工參數設置很重要，在零件的加工過程中最常見的質量問題是88°錐面有加工不起來的現象，從而導致錐面圓度及跳動超差的情況。經過分析查找，主要原因是在粗加工零件時對錐面磨削留的余量太小。

改進方法：粗車88°錐面時對錐面孔口直徑尺寸縮小縮嚴，由φ6.26±0.1更改為φ6.24±0.08，單邊磨削余量為0.05 mm，如果磨削余量太大，會造成磨頭磨損加快，加工尺寸不穩定。所以經過多次試驗驗證，0.05 mm是一個較理想的余量值。

內圓磨削加工參數：經過多次試驗，將砂輪磨削時的線速度設置為16m/s（轉速約為56500r/min），零件轉速為200r/min。磨頭分三段進給，第一段當磨頭接近工件后，進行磨削位置搜索，此時進給速度設置為2 mm/min；第二段是當磨頭接觸零件后，進入磨削，進給速度設置為0.2 mm/min；第三段是光磨，為保證粗糙度要求，磨頭在到達最終尺寸后光磨，進給速度與第二段一致。具體加工參數如表1所示。在錐孔磨削時，為了保證磨削質量及尺寸穩定性，需對磨頭進行修磨，推薦修磨頻次為1/10。

表1 磨錐面加工參數

φ3.5+0.020直孔磨削質量是影響跳動0.008 mm的關鍵，所以將直孔磨削關鍵點和參數一并加以說明：經過多次試驗摸索出最佳磨削余量是0.05 mm，單邊余量0.025 mm，磨削方式選震蕩磨削，砂輪線速度設置為10 m/s（轉速約為61 600 r/min），零件轉速為200 r/min，磨削進給速度設置為0.2 mm/min，走刀磨時的進給量為0.002 mm，光磨次數推薦為10次。

另外需要關注的一點是，磨削時，磨削面需得到充分冷卻，建議使用主軸內噴和外噴相結合的方式進行磨削液噴淋冷卻，這樣有利于表面粗糙度的提高。

通過以上參數的優化設計，閥座錐面尺寸、粗糙度、形位公差都能滿足要求，且加工尺寸非常穩定，具體尺寸如表2所示。通過對過程能力指數進行計算，角度、粗糙度、跳動、圓度、直線度CPK值均達到1.7以上，質量穩定，滿足客戶要求。

表2 錐面實際加工值

4 效果及意義

通過對高硬度精密件錐面加工方法的研究及改進，大大提高了此類零件批量生產合格率。目前這種方法正用于公司類似零件的生產加工中，它保證了產品質量的同時也提高了生產效率，滿足了客戶需求，從而爭取了更多訂單，為公司帶來了較大的經濟收益。

5 結語

本文針對高精度錐面加工方法進行了工藝研究，分析了加工高精度錐面時需要注意的加工事項，并提出了有效的解決措施，進行了有針對性、卓有成效的改進，取得了較好的成果，為公司后期開發精密件產品奠定了技術基礎。

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