插裝孔加工技術

■ 山西航天清華裝備有限責任公司 （山西長治 046012） 駱新營 許軍鋒 侯姣姣 張 森 李曉波

1. 插裝閥及其閥孔結構

近年來，插裝閥在航天產品中應用日益廣泛，已應用的元件有電磁換向閥、單向閥、溢流閥、減壓閥、流量控制閥及一些相關的比例閥等，如圖1所示。使用上，螺紋插裝閥可以簡化管路連接，減少泄漏途徑，減少污染物進入可能性。在不拆卸管接頭的情況下，可以很容易地更換插裝閥，且維修保養方便。螺紋插裝閥裝配如圖2所示。螺旋插裝閥及其閥孔的加工與生產已經實現標準化。

圖1 常用螺紋插裝閥

圖2 螺紋插裝閥裝配示意

插裝孔按結構分，主要有兩腔、三腔、四腔和五腔等。圖3所示為威格士C-10-3三腔孔。螺紋插裝閥的腔孔尺寸及表面粗糙度要求都比較高，各孔的幾何公差，比如同軸度要求一般在0.02mm以內，各孔之間一般以小圓角過渡。所以，對加工工藝提出了較高的要求。

插裝孔多為多腔孔半封閉結構。受結構所限，加工過程中切屑不易排出，切屑與刀具易產生擠壓，形成積屑瘤，影響表面質量。另外，受刀具、設備及加工方法等因素的綜合影響，加工精度也不易控制。下面主要從刀具的選擇、軟件編程、宏程序編制和加工參數優化等方面進行較為系統的論述，以解決此類腔孔的加工瓶頸問題。

2. 優化加工方法

以鋁質閥塊為例，原來的腔孔加工流程為：制中心孔→鉆孔→擴孔→粗加工腔孔→半精加工腔孔→精加工腔孔→加工螺紋→去除飛邊及孔道雜質。

圖3 威格士C-10-3三腔孔

由圖3可知，插裝閥的腔孔是一組階梯孔，各孔的過渡處都有倒角、圓角等。過去都是手工編程，過渡處的倒角、倒圓程序對一般的操作者而言，編制難度較大，工作量也比較大。如圖4所示，一般在粗加工時，各孔過渡處的余量并沒有去除，導致在半精加工時，加工到腔孔底部時，刀具的切削力特別大，機床負載急劇上升，最大可達40%～50%。半精、精加工時，負載過大，易導致刀具損壞或加劇刀具磨損。另外，刀具是在一種半封閉狀態下進行切削，由于容屑空間有限，排屑效果不良，再加上精加工腔孔時過大的負載，容易導致刀具顫動，或沿軸線產生一定的偏移，產生“喇叭孔”現象，最終導致腔孔孔徑超差。

圖4 傳統腔孔加工方法示意

依前文所述，需對腔孔的底部余量進行有效去除。可以利用自動編程軟件進行編程，生成腔孔程序后再進行加工。在半精加工腔孔時，將第一個沉孔直接加工成形，后續不再加工。各孔壁及底面單邊留余量0.15mm。腔孔加工軌跡如圖5所示，加工效果如圖6所示。

3. 刀具選用及注意事項

閥塊材質一般為7A04-T6鋁合金，其為超硬鋁，切削性能好。選用硬質合金刀具進行加工。硬質合金刀具具有高硬度、高耐磨性和高彈性模量，化學穩定性好。另外，由于零件表面質量要求高，為保證不出現接刀痕跡，最好選用整體硬質合金銑刀，一次加工成形。整體硬質合金銑刀具有以下特點：①切削刃規整，直線度好，容易獲得較高的形狀精度。②剛性好，強度高，容易獲得較高的加工精度及表面質量。③切削刃長，在精加工時，零件輪廓可以一次成形，加工效率高。

刀具的具體型號依據腔孔的規格確定，盡量選用規格較大的整體硬質合金刀具。

腔孔成形刀具可依據腔孔尺寸進行定制。成形刀具一般是整體焊接式刀具，即基體材料是高速鋼，切削刃為硬質合金材料。為保證刀具強度，定制刀具時，刀具尖角處應增加0.2～0.3mm圓角，以提高刀具壽命，減少刀具由于負載突變而出現崩刃的現象。另外，成形刀具的徑向圓跳動量應控制在φ0.01mm以內，或者采用試件加工的方法，驗證刀具的加工精度，此種方法比較通用。

常用成形刀具如圖7所示，銑削刀具如圖8所示，單齒螺紋銑刀如圖9所示。

圖5 腔孔加工軌跡示意

圖6 腔孔加工效果

圖7 常用成形刀具

圖8 銑削刀具

圖9 單齒螺紋銑刀

4. 切削方式的選擇

在加工腔孔時，過去一般都是采用分層加工方法，此方法存在諸多不足之處：①在加工過程中容易產生接刀痕跡。②每層加工時，需有進刀和退刀步驟，空行程較多。進刀時，加工負載較大；退刀時，負載較小，容易出現過切或者欠切現象，所以需留出足夠的精加工余量。

現在采用螺旋銑削方式對腔孔進行半精加工。經驗證，加工效果比較好，孔壁余量比較均勻，達到了加工要求。

螺旋銑削是一個連續的切削進給過程，切削過程比較平穩，切削力均勻，加工效率比較高。對于螺旋式加工，由于刀具側刃的背吃刀量總是從零開始，逐漸線性地增大至規定值，而且每一次循環的側刃最大背吃刀量僅為指定層降，因此可以最大限度地減少刀具的讓刀現象，有效保證孔上下尺寸的一致性。另外，相對于分層加工，螺旋銑削每個孔只需一次進刀、退刀，減少了機床的空運行時間，能在一定程度上提高加工效率。

5. 切削參數的優化

采用優化方法進行加工，腔孔各處的余量均勻一致，可以省略粗加工成形刀具，直接使用精加工成形刀具對腔孔進行精加工。腔孔在加工過程中，由于各孔的深度不盡一致，各孔會逐一進入切削過程，在孔底部時，其加工負載會達到最大值。為保證切削過程的平穩性，需對加工參數進行優化選擇。經驗證，刀具在初始切入工件時，初始負載會比正常切削時的負載高5%～10%。在加工孔側壁時，由于余量較少，切削力小，影響并不明顯。在加工到離孔底部0.5mm時，為降低切削力，應將轉速降20%～30%，進給速度依據實際情況確定，保證切削負載控制在10%～15%。腔孔較大時，允許負載適當增大。刀具在孔底時，應暫停1～2s，以進一步提高倒角處的表面質量。以加工C-10-3腔孔為例，在加工孔底部時，轉速設定為300r/min，進給速度設定為10mm/min。

6. 螺紋加工宏程序的優化設計

原螺紋加工程序通用性不強，改動比較麻煩。對其進行了優化設計。下面是改進后的海德漢系統通用單齒刀螺紋加工宏程序清單：

…..

L X0Y0Z50C0R0 FMAX M3

Q2=15.88; 螺紋深度

Q3=14； 每英寸螺紋齒數

Q4=25.4*0.875/2； 螺紋大徑

Q1=0.3 ； 徑向余量

CALL LBL1； 調用子程序

Q1=0

CALL LBL1

Q1=-0.185

LBL

TOOL CALL 25 Z S2400 DL-0.1 DR+Q1; 調用單齒螺紋刀具

L X+0 Y+0 R0 F2000

L Z-0.8 F2000 M13 ; 移動刀切削位置，啟動主軸及切削液

Q5=Q2*Q3*360/25.4 ； 螺旋線旋轉總角度

CC X0Y0 ； 設置圓弧中心

L X+Q4 Y+0R.F600

CP IPA-Q5 IZ-Q2 DR- F240 M13 ；螺旋銑削螺紋

L X+0 Y+0 R0 F600

LBL 0 ； 子程序結束

L Z+50 FMAX M5 M9 ； 退刀

TOOL CALL 0; ； 刀具退回刀庫

……

程序說明：子程序的調用次數，可以依據實際情況進行調整。螺旋線的圈數不能超過15圈，即Q5的絕對值不超過5 400。若超過，則再增加編寫一段螺旋線程序。

7. 加工效果

工藝方案改進前后的加工效果對比見表1。

表1 工藝方案改進前后的加工效果對比

8. 結語

通過對工藝方案的優化設計、刀具的合理選擇及切削參數的優化，提升了腔孔的加工精度及表面質量，經裝配試驗，效果良好，為類似產品的加工提供了成功范例，具有很好的借鑒作用。