高精度細長桿控制閥加工技術

李政銀

航天江南集團有限公司 貴州貴陽 550009

1 序言

控制閥是機電液控制系統的重要零件之一，主要用來實現控制系統的擋位選擇及換擋，廣泛應用于礦山機械、油氣田開采裝備等變速器的換擋控制，其加工制造水平直接關系到變速器各擋位換擋的可靠性和平順性。控制閥屬細長桿零件，其工藝制造涉及大長徑比的高精度外圓加工，零件軸向設計有多處油槽，徑向設計有不均勻的偏心油孔，油槽與油孔垂直交叉，不對稱分布，在車削或磨削精加工外圓過程中，常因剛性不足而產生撓性變形，影響零件的加工精度，產品加工合格率及生產效率極低。

本文通過對零件結構特征進行分析，配制特殊比例的便于重復利用的低熔點合金，對控制閥油道進行澆注填充，并使用大長徑比細長桿加工裝置增強零件的加工剛性，避免了零件在加工過程中因受切削力影響而產生變形和振動，零件加工合格率及生產效率得以大幅提升。

2 控制閥結構特點

控制閥結構如圖1所示，坯料為45鋼，在桿件的各段設計有圓弧狀油槽，同時設計徑向偏心深孔（φd3處的偏孔及φd4孔深度近280mm）與油槽接通，控制閥外圓與閥體內孔裝配后需保持一定裝配間隙（0.025～0.035mm）[1]，通過控制系統實現液力變速器的各擋位換擋。控制閥在加工過程中因受切削力、切削熱和夾緊力的影響，易產生變形和振動。

圖1 控制閥結構

控制閥長徑比達40∶1以上，屬典型的大長徑比細長桿零件，且在徑向和軸向設計分布不均的油孔和油槽，精加工外圓時，零件加工剛性差，且易產生跳動，零件外圓加工質量不易得到保證。該零件生產類型為小批量生產，其外圓尺寸精度、幾何公差和表面質量是影響控制閥實現變速器換擋平順性和可靠性的關鍵因素。

3 控制閥外圓精加工工藝分析

控制閥外圓精加工是影響產品加工質量的關鍵工序，因其長徑比大而易產生撓性變形，且受不均布的油孔和油槽影響，高速旋轉加工時易產生跳動，加工振動隨之加劇，變形較大，產品質量不受控。為解決精加工難題，常考慮對零件進行澆注填充以增強其加工剛性[2]。

零件填充物在機械加工領域常選用石蠟、尿素及低熔點合金等物質。針對控制閥的結構特點，為減少零件質量分布不均的影響，控制閥填充物選擇低熔點合金進行澆注填充，近似于鑄造，使零件形成一個剛性實體，高速旋轉時，減少零件的徑向圓跳動，且零件剛性得到加強，不易變形。低熔點合金的配制方法很關鍵，配制材料成分及比例對控制閥澆注填充的實效性影響較大。

控制閥澆注填充低熔點合金后，其加工剛性得以增強，但該零件長徑比較大，如再配合細長桿加工裝置（一種避免細長桿零件徑向圓跳動的裝置）進行精加工，可極大地提高零件的加工剛性，最大程度地減少零件因切削力而產生的振動、撓性變形等不利影響，保證零件的外圓尺寸精度及幾何公差要求。具體工藝安排如下。

1）對完成油孔和油槽加工后待精加工外圓的控制閥進行低熔點合金澆注。

2）采用細長桿加工裝置對零件外圓開展車削或磨削，保證外圓φd1和φd2的尺寸精度、幾何公差精度和表面質量。

3）溶解合金，清除殘留在控制閥油孔及油槽表面的合金，清洗工件。

4）鉗加工，去除零件精加工產生的銳邊毛刺。

4 控制閥外圓精加工工藝

控制閥澆注低熔點合金后，在車床或磨床上使用細長桿加工裝置，對外圓φd1和φd2進行精加工，具體加工工藝如下。

1）配制低熔點合金，并校直工件。

2）熱處理：待工件油槽和油孔加工后進行低溫回火，加熱到（150±10）℃保溫2h，隨爐空冷，消除工件內應力。

3）鉗加工：對工件各段系列圓弧狀開口油槽進行密封包扎。

4）工件預熱：將工件放于烘箱中預熱并保溫，加熱至（110±10）℃，保溫30min。

5）熔化合金：合金加熱熔解，撇去浮渣及雜物，在230℃進行保溫待澆注。

6）澆注合金：測量并控制液態合金溫度。用不銹鋼料勺盛裝合金溶液，并測量其溫度，控制在（210±10）℃待澆注，溫度偏高時空冷降溫。從烘箱中取出工件，進行合金澆注，澆注過程中保證工件油孔和油槽處澆足。

7）冷卻：工件澆注后進行空冷降溫，直至合金冷凝為固態。

8）拆卸：拆卸工件上的包扎附屬物，用保護套對工件進行保護。

9）對工件進行精加工：使用細長桿精加工裝置，將工件夾持于自定心卡盤之上，取下保護套，根據工藝要求，在車床或磨床上對工件進行精加工，保證工件的尺寸要求和幾何公差。

10）在金屬容器中注入機油，油液深度應能沒過工件。

11）溶解合金：把工件放入油液中加熱，嚴控油液溫度，使合金充分溶解。

12）清理工件：取出工件，清除殘存在細長桿控制閥油孔及油槽表面上的合金，用煤油清洗工件。

13）合金回收：分離金屬容器中的合金與機油，保存合金備用。

14）鉗加工：清除精加工后工件表面產生的銳邊毛刺。

5 低熔點澆注合金的配制方法

細長桿控制閥的澆注合金必須滿足澆注填充要求，合金澆注后應具有較低的熔點、良好的剛性、較小的膨脹系數及較好的可結合性和可脫離性[3]，配制的合金必須滿足以下幾點要求：①具有較低的熔點，但又要避免填充合金因零件在切削加工過程中受到切削熱而產生熔化，以便實現填充合金的狀態變化，易于完成零件的合金填充，同時減少熱變形對零件的影響。合金熔點在110～150℃較為理想。②具有足夠的剛度，以控制零件加工時的變形量小于零件尺寸公差的10%。③合金的膨脹系數要小，確保在常溫下，零件腔內的填充合金收縮量小于零件尺寸公差的10%。④具備良好的可結合性和可脫離性。可結合性指填充物凝固時與零件間具有較好的結合力；可脫離性指熔化后的填充物不會殘留在零件腔內而造成質量問題。

針對控制閥的45鋼材料，低熔點合金配制成分主要選用鉍、鉛、錫和鎘4種材料，主要考慮選用材料無毒、無害，符合職業環境健康要求，且所選金屬材料常用、易于采購。具體配制方法：以鉍金屬為主要成分，逐漸加入鉛、錫和鎘金屬元素，并不斷改變其含量，嚴格按照鉍50%、鉛26.7%、錫13.3%和鎘10%的比例進行配制，待各種金屬熔解后，攪拌均勻，然后進行冷卻凝固，便可配制成低熔點合金。該合金熔點為138.5℃，冷凝時膨脹系數為0.05%。

低熔點合金配制及使用、回收過程要注意以下幾點。

1）低熔點合金配制要嚴格按照金屬元素給定比例進行，且在配制時要及時將雜質、金屬氧化物清理干凈。

2）在使用和回收過程中，應避免合金被污染，及時清理合金溶液中的切屑和雜質。

3）低熔點合金可重復使用，但在回收利用過程中，要定期對低熔點合金的熔點及成分進行檢測，避免合金因重復利用導致消耗過大而降低性能。低熔點合金循環使用次數最好不超過4次，多次回收利用會導致一些合金成分發生消耗，造成配制比例發生改變，從而引起合金成分及熔點的變化。

6 控制閥細長桿外圓精加工裝置

為增強大長徑比控制閥的加工剛性，避免零件在精加工時因切削力作用而產生徑向圓跳動，在對控制閥油孔和油槽進行澆注、增強零件加工剛性的同時，使用細長桿加工裝置進行精加工，零件加工精度得到了有效保證[4]。細長桿精加工裝置結構如圖2所示，包括自定心卡盤2和活動頂頭4。自定心卡盤2與機床主軸固定聯接在一起，用于夾持細長桿工件1，并且在活動頂頭4的作用力下保持平穩。活動頂頭4與切削刀具3均安裝于機床刀座7之上，并且對稱地分列于工件1的兩側。機床刀座7之上設置有空槽，空槽以內放置彈性構件5，活動頂頭4一端置于機床刀座7以內，并且與彈性構件5的一端活動聯接，彈性構件5的另一端與圓柱頭螺釘6活動聯接。

圖2 細長桿精加工裝置結構

在車床或磨床上精加工細長桿控制閥的過程中，先用自定心卡盤2裝夾細長桿工件1，工件的加工處與機床的切削刀具3相接觸，還與活動頂頭4相接觸，活動頂頭4的位置可以通過圓柱頭螺釘6調整，擰緊圓柱頭螺釘6則彈性構件5受壓，活動頂頭4被頂出。圓柱頭螺釘6根據細長桿直徑的大小進行適當的調節，進而調整彈性構件5的力度，防止細長桿出現跳動的現象，從而達到提高細長桿切削加工精度的目的。切削刀具3可以是直桿狀車刀，也可以是圓盤形的砂輪。活動頂頭4暴露于機床刀座7外部的結構外形與切削刀具的外形形狀按照以下兩種方式匹配：①切削刀具為直桿狀刀具時，活動頂頭4暴露于機床刀座7外部的結構外形為圓柱體。②切削刀具為圓盤狀刀具時，活動頂頭4暴露于機床刀座7外部的結構外形為圓盤形滾輪。

此外，活動頂頭4一端設有臺階，臺階端置于機床刀座7的空槽中，圓柱頭螺釘6外端面設置內六角盲孔，便于擰緊或松開圓柱頭螺釘6。彈性構件5為圓柱螺旋壓縮彈簧。

精加工控制閥外圓時，活動頂頭與切削刀具對稱地分列于工件的兩側，使切削刀具作用于工件上的切削力與活動頂頭作用于工件上的作用力保持大小相等、方向相反的狀態，兩個作用力相互抵消，使工件在切削加工過程中不受外部作用力的干擾，可有效防止工件出現跳動，從而提高了工件的加工精度，提升了產品加工質量。

7 結束語

實踐證明，在實際生產過程中，合理的加工工藝方法和加工策略是高精度細長桿控制閥加工質量的保證，也是提高產品合格率和生產效率的關鍵。在制定零件的加工工藝、配制低熔點合金及設計抗切削力的工裝時，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加工策略，保證產品質量滿足設計要求。低熔點合金的配制方法及加工應用，可推廣應用于加工難度大且加工精度要求極高的類似細長桿類換擋閥或不銹鋼等薄壁零件。