某型號集成閥440C閥芯加工工藝的研究

郭 輝，馬艷萍，陳 沖，戴金耀

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723000)

閥芯為某型號集成閥核心零部件，材料為440C不銹鋼。440C(高強(qiáng)度刃具鋼)鋼材是一種馬氏體型不銹鋼，碳含量為1.0%，鉻含量為16%～18%，抗銹能力強(qiáng)，具有耐腐耐高溫特性，經(jīng)熱處理后可以獲得較高的屈服強(qiáng)度，硬度可達(dá)到58 HRC以上，在國內(nèi)不銹鋼牌號中屬于最硬的不銹鋼之一。該材料在起落架上為首次應(yīng)用，無對應(yīng)的機(jī)械冷加工工藝標(biāo)準(zhǔn)。閥芯零件的總長為174.5 mm，最小直徑為6 mm，長徑比>20∶1，是典型細(xì)長桿件零件[1-2]。

1 加工難點分析

閥芯材料440C為中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司首次接觸的高強(qiáng)度不銹鋼，機(jī)械加工方面缺少相關(guān)的工藝參數(shù)和加工經(jīng)驗，且閥芯(見圖1)每節(jié)端面跳動量相對外圓均≤0.01 mm，尺寸、幾何公差要求特別高。如何選用工件加工的刀具、設(shè)備及工藝方法，成為主要技術(shù)難題。為探究閥芯合理的加工方法，制取了一組(3件)440C不銹鋼工藝試件，在粗、精加工過程中，均采用一夾一頂裝夾方式進(jìn)行外圓加工。熱處理前，采用整體硬質(zhì)合金刀車削去除工藝試件(3件)大部分余量。熱處理后，零件撓度變形為0.3～0.5 mm。一件工藝試件在采用整體硬質(zhì)合金刀車削外圓時，出現(xiàn)刀具吃屑困難，刀尖燒傷現(xiàn)象。刀具需要選用切削性能更優(yōu)的材質(zhì)，如CBN材質(zhì)的刀具。另一件工藝試件在加工中心采用φ2 mm硬質(zhì)合金立銑刀銑削加工徑向槽時，按切削深度(單邊)0.05～0.1 mm，刀具轉(zhuǎn)速4 000 r/min，出現(xiàn)刀具頻繁折斷的問題，推斷加工設(shè)備應(yīng)更換為轉(zhuǎn)速更高、刀具夾持動平衡更好的數(shù)控機(jī)床。

圖1 閥芯

2 試件加工

借鑒趙丕芬[3]和梁良華[4]的研究成果，熱處理后對最后一件工藝試件選用CBN材質(zhì)刀具按表1切削參數(shù)進(jìn)行外圓半精、精加工，表面粗糙度可達(dá)Ra0.8 μm，切削性能良好。

表1 CBN刀具切削參數(shù)

熱處理后，對工藝試件采用磨削精加工到研磨前狀態(tài)。參照強(qiáng)度相似材料A100企業(yè)規(guī)范可知：磨削工藝試件外圓、內(nèi)孔的砂輪可選擇為單晶剛玉、棕剛玉或白剛玉，磨削參數(shù)可按表2選取。即磨削外圓、外圓槽的砂輪轉(zhuǎn)速：574～1 337 r/min，零件轉(zhuǎn)速：112～679 r/min；磨削內(nèi)孔的砂輪轉(zhuǎn)速：574～1 337 r/min，零件轉(zhuǎn)速：180～1 214 r/min。工藝試件采用單晶剛玉砂輪磨削加工后的外圓表面粗糙度可達(dá)Ra0.32 μm，切削性能良好[5-6]。

表2 不銹鋼磨削參數(shù)

3 閥芯工藝流程

根據(jù)試加工方案分析及信息反饋，閥芯工藝流程確定為：領(lǐng)料→分光→車工→車工→熱處理→校直→磨工→磨工→坐標(biāo)磨→去毛刺→回火……→成檢→防護(hù)入庫。

1)熱處理前。

熱處理前零件幾何尺寸如圖2所示。車削加工時，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為500～800 r/min，刀具材質(zhì)、幾何角度及切削參數(shù)見表3和表4，一夾一頂加工外圓尺寸，除M6螺紋端面預(yù)留工藝夾頭外，外圓、端面預(yù)留加工余量0.5 mm。

圖2 熱處理前零件幾何尺寸

表3 刀具參數(shù)

表4 切削參數(shù)

2)熱處理后。

a.校直零件外圓，控制撓度在0.1 mm內(nèi)；研磨兩端中心孔；兩頂粗磨、精磨外圓、環(huán)形槽至研磨前尺寸及表面粗糙度(見圖3)。砂輪采用單晶剛玉材質(zhì)，磨削后表面粗糙度可至Ra0.32 μm。磨削參數(shù)見表5。

圖3 精磨后的產(chǎn)品樣件

表5 磨削參數(shù)

b.采用車削方式加工零件V型槽(見圖4)，刀具選用MJ螺紋刀片，切削速度為0.2 mm/s，主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min。

圖4 閥芯V型槽尺寸

c.采用S45數(shù)控坐標(biāo)磨加工徑向微小槽。零件徑向微小槽由R1和R2相銜接構(gòu)成(見圖5)，空間結(jié)構(gòu)相對簡單，但表面質(zhì)量要求高，受材料≥58 HRC影響，一般加工中心很難滿足精度、質(zhì)量要求。本公司現(xiàn)有S45數(shù)控坐標(biāo)磨床具有高速銑削功能，最高轉(zhuǎn)速達(dá)160 000 r/min，可利用其高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給速度特點，實現(xiàn)徑向微小槽銑削加工。S45數(shù)控坐標(biāo)磨床為五軸高精密設(shè)備，機(jī)床附件有數(shù)控分度盤、尾座、電動和氣動磨頭、4 500～80 000 r/min電動磨頭、100 000～160 000 r/min氣動磨頭。S45數(shù)控坐標(biāo)磨床為連續(xù)軌跡數(shù)控設(shè)備，可實現(xiàn)任意五軸聯(lián)動功能，其坐標(biāo)系與普通數(shù)控設(shè)備相同，遵循右手笛卡爾定則：直線坐標(biāo)為X軸、Y軸、Z軸；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為A軸；附加坐標(biāo)為U軸、W軸(見圖6)。加工時，采用該設(shè)備高轉(zhuǎn)速及X、Y、Z軸的聯(lián)動功能，先將機(jī)床主軸與行星輪機(jī)構(gòu)偏距設(shè)置為0，并鎖死主軸，將工件夾持在工作臺上(見圖7)，銑刀直接裝于電動磨頭錐柄內(nèi)，用φ2 mm硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行銑削加工，刀具轉(zhuǎn)速調(diào)至9 000 r/min，每次切削深度為0.1 mm[7-11]。

圖5 零件徑向微小槽尺寸

圖6 機(jī)床坐標(biāo)軸示意圖

借助CAM軟件直接生成三軸NC程序，在程序中設(shè)置銑削加工循環(huán)開始與結(jié)束指令G140及M140、行星隨動功能指令G42.1后，方可實現(xiàn)刀具高速銑削加工(也可根據(jù)S45數(shù)控坐標(biāo)磨床編程說明書定制開發(fā)能直接上機(jī)使用的后處理)。

零件在周轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)采用自由吊掛方式，防止變形。機(jī)械加工完工后，采用線切割去除螺紋端工藝夾頭，研磨外圓至成品尺寸。

4 結(jié)語

本文針對440C不銹鋼閥芯開展了工藝研究，參照相似強(qiáng)度材料A100選用了切削參數(shù)，并通過工藝試件對切削刀具材質(zhì)、切削參數(shù)及砂輪材質(zhì)、磨削參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的驗證和優(yōu)化。在熱處理后，采用校直與預(yù)留工藝余量的方法，有效控制了大長徑比(26∶1)加工變形問題。根據(jù)工藝試件加工方案分析及信息反饋，制定了合理的工藝流程，對試加工過程中出現(xiàn)的問題，給出了相應(yīng)的解決措施。440C機(jī)械冷加工工藝參數(shù)的確定，不僅豐富了企業(yè)不銹鋼工藝標(biāo)準(zhǔn)，還為其他材料性能的研究提供了一種思路。