提高鋁合金薄壁閥芯互換性的制造技術

李政銀

航天江南集團有限公司 貴州貴陽 550009

1 序言

鋁合金薄壁閥芯廣泛應用于液壓控制閥類零件中，具有質量輕、體積小及換擋靈敏等特點，其表面經硬質陽極氧化處理后，可有效增強零件的耐磨性，延長其使用壽命。該類產品在軌道交通、軍用車輛等特殊裝備的自動控制閥中得到了較好的應用。但是，鋁合金閥芯在硬質陽極氧化處理過程中，氧化層厚度常受槽液濃度、溫度和電流等因素的影響，產品一致性差，互換性不好，不利于企業降本增效。

傳統工藝常在零件硬質陽極氧化處理后，根據閥孔內徑尺寸進行單配，即檢驗員測量閥孔尺寸并填寫配磨表，對閥芯外圓進行精磨，以滿足閥孔與閥芯的裝配間隙要求，確保自動控制閥的換擋品質。精磨閥芯外圓對磨床精度、操作人員技能、砂輪及切削液的選用要求甚高，且閥芯單配閥孔工藝流程長、成本高，不利于批量生產，嚴重制約企業規?；l展。本文通過對零件結構及工藝進行分析，設計專用硬質陽極氧化處理設備，改進工藝方法，在提高閥芯互換性的同時，縮短生產周期并降低制造成本。

2 鋁合金薄壁閥芯零件的結構特點

圖1為硬質陽極氧化處理前閥芯的機械加工要求，φd1為閥芯外圓尺寸，是閥芯與閥孔裝配的重要尺寸，有嚴格的尺寸精度及幾何公差要求。圖2為加工完成的鋁合金薄壁閥芯結構，φd2為泄油孔直徑。該零件屬薄壁類零件，材料為6A 02-T6，其質量輕、體積小，外圓表面需硬質陽極化處理以增加零件的耐磨使用壽命。該薄壁盲孔零件結構簡單，主要由內孔和外圓組成，生產類型為大批量生產。

圖1 硬質陽極氧化處理前閥芯的機械加工要求

圖2 鋁合金薄壁閥芯結構

φd1外圓尺寸精度及幾何公差精度要求高，且加工過程中極易變形，是制約鋁合金薄壁閥芯提高生產效率和質量的瓶頸。傳統工藝常通過預留加工余量后半精車外圓，然后進行表面硬質陽極氧化處理，再使用定心彈性膨脹夾具反撐內孔精磨外圓，以滿足較高的外圓加工精度要求。

3 鋁合金薄壁閥芯加工工藝分析

鋁合金薄壁閥芯外圓尺寸為φd1-0-0.005mm，幾何公差要求控制在5μm內，以滿足設計要求。較高的閥芯外圓尺寸精度及幾何公差要求是實現自動控制閥可靠、平順換擋的保證。閥芯與閥孔的裝配間隙要求0.02～0.03mm，閥芯成品的外圓尺寸及精度要求需根據與其裝配的閥孔尺寸進行工藝設計，以滿足裝配間隙要求。在傳統工藝中，硬質陽極氧化層厚度因受工藝水平限制，一般在0.02～0.04mm，一致性不好且易產生錐度，閥芯在陽極氧化處理過程中因燒蝕而報廢的情況時有發生，產品合格率較低。另外，傳統工藝常采用精磨外圓單配閥孔的工藝滿足裝配間隙要求，但硬質陽極氧化層厚度小，精磨后，閥芯外圓的耐磨氧化層更是少之甚少，導致閥芯的耐磨使用壽命較短，難以滿足設計要求。因此，亟須攻關解決既能增加閥芯氧化層厚度，又能保證閥芯外徑尺寸和公差的加工難題，以增強閥芯的耐磨性和互換性，解決企業大批量生產、高質量發展的難題。

為降低鋁合金薄壁閥芯的生產制造成本，提高產品的互換性和效益，需設計制造一種鋁合金閥芯硬質陽極氧化處理設備，并通過改進工藝方法，嚴格控制薄壁閥芯零件的變形量，經硬質陽極氧化處理后，使鋁合金薄壁閥芯外圓尺寸精度、幾何公差均滿足設計要求。改進后的生產工藝能保證閥芯外圓表面的硬質陽極氧化層厚度均勻，且產品一致性好，閥芯互換性及耐磨使用壽命可得到有效提升。

4 高品質互換性閥芯的制造工藝方法

高品質互換性鋁合金薄壁閥芯外圓尺寸及幾何公差一致性較好，閥芯外圓不必精磨單配便可滿足與閥孔裝配后間隙要求，保證自動控制閥良好的換擋品質。具體加工工藝方法如下。

（1）備料 選用高性能鋁合金材料并擠壓成形的6A 02-T6棒料，并將棒料切割成段，每段可加工兩個閥芯。

（3）熱處理 去應力退火，在（150±5）℃環境下保溫4h，保溫結束后室內自然冷卻至室溫。

（4）二次車加工 二次車工件兩側60°錐面和外圓，保證工件圓柱度e和同軸度φf達到設計要求。

（5）低溫冷卻 將工件置于冷柜中，并在－25～－22℃下冷卻22h（對于薄壁閥芯具有較好的變形量控制效果）。

（6）熱處理 去應力退火，（150±5）℃保溫4h，爐冷。

（7）表面處理 使用專制設備按鋁合金硬質陽極氧化工藝進行表面處理，保證處理后工件表面氧化層厚度為φd1max＋（0.040～0.045）mm，硬度≥500HV，并保證工件圓柱度e1和e2。

（8）三次車加工 裝夾工件一端外圓φd1，從工件中間割斷，一分為二。

（9）鉗加工 鉆通孔φd2，修清零件毛刺，并將銳邊倒鈍R0.04～R0.07mm。

（10）檢驗入庫 按設計圖樣要求檢驗零件，達標后對零件采取防護措施后封存。

5 高品質互換性閥芯硬質陽極氧化裝置

鋁合金硬質陽極氧化處理裝置主要是為了保證薄壁閥芯在經過表面處理后，閥芯外圓表面硬質陽極氧化層厚度均勻、可控，能滿足產品使用壽命要求，且具有良好的互換性，不需傳統工藝的閥芯外圓精磨單配便能滿足裝配間隙要求，保證自動控制閥的高可靠性換擋[1]。

該裝置最核心的部件是鋁合金硬質陽極氧化處理精確控制系統，主要由微型計算機控制器、整流設備、冷凍機組、空壓機、槽液調配器和陽極氧化槽組成，鋁合金閥芯硬質陽極氧化裝置控制系統如圖3所示。整流設備由微型計算機控制器控制，給陽極氧化槽提供大電流脈沖電源，對零件氧化過程進行電流、電壓的有效控制；冷凍機組根據微型計算機控制器指令對陽極氧化槽液進行溫度控制，微型計算機控制器可根據槽液溫度反饋信息進行恒溫調控；空壓機按微型計算機控制器程序進行槽液攪拌，確保鋁合金閥芯表面陽極氧化層的一致性；槽液調配器由微型計算機控制器控制，根據槽液濃度反饋信息進行自動分析并調配所需槽液；陽極氧化槽采用雙層結構，外層為鋼結構，內槽采用鉛板制造，陽極氧化槽設計尺寸為500mm×330mm×1500mm，槽內設置冷凍管、壓縮空氣攪拌管[2]。

圖3 鋁合金閥芯硬質陽極氧化裝置控制系統

6 硬質陽極氧化處理工藝

硬質陽極氧化處理屬特殊工藝過程，對于僅作防腐蝕的表面處理零件來說，陽極氧化處理工藝控制要求并不高，但對于鋁合金薄壁閥芯類零件來說，處理過程的控制要求極高。對槽液的配制濃度、溫度、電流和電壓等參數的控制至關重要，它們是影響鋁合金薄壁閥芯零件硬質陽極氧化層厚度及均勻一致性的重要因素。實施處理過程精細化控制，可有效保證閥芯外圓尺寸精度、幾何公差和表面質量要求，產品質量穩定、一致性好，可直接與精鏜后的閥孔裝配，減少傳統工藝的閥芯精磨單配工序，可進一步縮短產品生產周期，為企業帶來良好的經濟效益。

硬質陽極氧化表面處理過程：鋁合金薄壁閥芯用銅絲固定并與陽極氧化槽的電極連接，表面處理過程中，微型計算機控制器通過分析槽液濃度消耗情況的反饋信息，向槽液調配器發出指令后，槽液調配器向陽極氧化槽補充槽液，槽液濃度控制在200～220g/L，同時，微型計算機控制器根據槽液溫度對冷凍機組進行調控，使槽液溫度控制在－4℃，空壓機根據預設程序對槽液進行攪拌，使工件各表面得以均勻氧化。電流密度設定為3A/dm3，電壓設定為70V。

注意事項：閥芯在使用專用設備后，硬質陽極氧化層厚度可增加0.06mm（試驗最大值可達0.08mm），但最佳厚度在0.04mm（實踐證明已能滿足設計使用要求），且能耗較低。如再持續增加厚度，則會消耗較多的槽液和能源，制造成本急劇上升。如閥芯表面氧化層厚度不足0.02mm，則會影響閥芯使用壽命，不能滿足設計要求。因此，根據試驗及自動控制閥售后質量調研檢測，閥芯表面硬質陽極氧化層厚度一般設計為0.030～0.045mm。

7 結束語

實踐證明，在實際生產過程中，采用合理的加工策略，研制實用的專用工裝或設備，并實施精細化的工藝控制，鋁合金薄壁閥芯的質量穩定有保證，且互換性高，以致產品的可靠性和維修性得以改進、提升。同時，在安排零件的加工工藝路線時，必須結合零件的結構形狀、加工精度和生產類型認真分析研究，合理設計并制定可行的制造工藝，保證產品質量滿足設計要求。硬質陽極氧化處理設備及槽液的精細化控制方法，可推廣運用于需硬質陽極氧化處理的類似換擋閥芯，產品具有耐磨使用壽命長、互換性好的高品質。