航空閥體孔底端平面的高精度加工

孟祥忠，李楠，李桃豐

新鄉航空工業（集團）有限公司 河南新鄉 453000

1 序言

某伺服閥類產品設計有一處特殊結構，在閥體零件的一處φ15H7深94mm孔內裝有活門零件，活門外徑與閥孔內徑之間為滑閥耦合密封（見圖1）。當活門零件受力運動處在不同位置時實現油路切換[1]。常閉時，該閥孔的底端平面也同為密封面，其平面度、表面粗糙度，以及與孔軸線的垂直度等精度等級高達IT7級及以上，其底面結構及特性值如圖2所示。

圖1 滑閥耦合密封示意

圖2 閥孔底端面及閥孔結構示意

本技術成果若成功實施，必須依據平面研磨原理，研制出一種帶精密導向、低壓作用力且穩定可控的深孔孔底端面研磨裝置，實現孔底端面精密加工。由于國外航空技術對我國實施技術封鎖，難以獲取相關的研磨技術，而現有技術中針對孔底端平面的研磨，一般采用磁性磨料磁力研磨技術[2]，對復雜曲面的光整加工有優勢，表面粗糙度值下降且效率較高，但改變或提升被研磨平面的平面度等幾何精度的能力較差，因此通用性較差。現有技術中也有采用具有端平面的研磨棒對孔底端平面進行研磨的方式，如：在CN201361804Y專利文件中公開了一種數控鏜銑床用深孔孔底研磨工具，但是這種研磨組件未能兼顧被研磨端面與基準孔軸線的垂直度要求，而且在實際操作過程中，對不同孔深的孔底端平面進行研磨時，需要將開口銷拔出，再將研磨棒與傳動桿分離，才能更換對應長度的研磨棒。同時，加工深孔和開槽的結構比較麻煩，在實際制造過程中效率較低，且安裝不便[3]。

本技術成果自主研制的研磨組件（專利號ZL201820823098.4），不僅可兼顧孔底端面的平面度、表面粗糙度及相對基準孔軸線的垂直度等質量要求，而且針對不同孔深的平面研磨時，能夠直接停機，將對應的研磨棒取下更換，操作比較方便，可進一步提高研磨效率。

現有關鍵技術已全部解決，各項技術指標不僅達到了設計質量要求，而且達到了國內先進水平。該技術成果已成功推廣應用到多種國家重點型號飛機配套的伺服閥產品閥體零件生產中，產生了可觀的經濟效益，為我國航空事業發展做出了貢獻。

2 研究思路

2.1 工藝難點分析

對深孔加工而言，平底加工是傳統加工難點。尤其是本項目中的閥孔，孔深與孔徑比超過6∶1，屬于深孔加工。因為刀具剛性差，振刀、讓刀嚴重，傳統車、鏜工藝方法對于高精度深孔孔底表面粗糙度、平面度及與基準孔的垂直度很難同時保證。而現有的研磨拋光技術也未能兼顧本項目的3個關鍵指標，故需開展孔底端面研磨等技術研究。

此外，本項目中關鍵特性，孔底端面平面度0.01mm及孔底端面與活門配合孔軸線的垂直度0.03mm可以用三坐標直接檢測，但孔底端面表面粗糙度值Ra=0.1μm，由于孔較深，表面粗糙度儀無法進行直接檢測，需要尋求可靠的間接測量方法。

2.2 總體思路

1）φ15H7孔與活門微間隙配合，充分利用精密耦合副加工技術，研制出精密導柱導套工裝，滿足高精度垂直度等要求，再借鑒現有技術及平面研磨原理和經驗，研制可調壓/穩壓作用力，且采用球鉸連接和無極誤差等機構設計[4]，實現孔底端面精密加工。

2）研磨屬于精加工工藝，適用于小微加工余量的加工，且研磨工具的自損嚴重，為提升生產效率，需開發研磨前孔底加工新工藝方法。

3）針對孔底表面的表面粗糙度值Ra=0.1μm測量困難問題，采取首件剖切檢測的方法解決。

因此，本項目成功的關鍵在于研發的研磨工裝工藝裝備，必須同時滿足保證表面粗糙度、平面度和垂直度要求，且滿足現場生產效率的要求。

2.3 技術方案

（1）研制研磨裝置臺 自主研制新型機動孔底端面研磨裝置，為實現孔底端面高質量高效率的研磨加工、達到產品的最終要求，最重要的就是孔底端面研磨。研磨裝置必須兼顧孔底端面的平面度、表面粗糙度，以及相對基準孔軸線的垂直度要求，利用高精度配合孔作為導向，為保證該質量要求，項目組自主研制了研磨裝置（研磨組件ZL201820823098.4）。

孔底端平面的研磨加工，不僅要獲得較小的表面粗糙度值，更重要的是想得到較高的平面精度[5]，平面度誤差值越小越好，且需降低（傳統）研磨作業過程中對高技能操作人員的依賴，降低勞動強度，從而提升研磨效率。

（2）研磨裝置的結構 設計制造的研磨裝置為機動的孔底端面研磨裝置（見圖3），即借助可無級調速、可限定刀具高度（諸如坐標鏜床等設備）提供可靠的動力。該研磨裝置由調壓/穩壓機構、球頭副傳動機構、導向副及研磨棒4部分組成。調壓/穩壓機構，可控的彈簧壓縮量實現研磨面作用力的穩定。球頭副傳動機構，方便離合操作，球頭的作用為被研磨端面安裝時與主軸軸線有垂直度誤差時可找正補償，確保研磨棒作用端面與被研磨端面兩者貼合可靠，其關鍵設計為銷桿的外圓面要低于球頭的球心。導向副，適用于深孔孔底研磨時的導向，確保被研磨端面與基準孔的垂直度要求。若設計淺孔孔底端面研磨裝置時，可不設計導向，直接由球頭自動找正，使研磨棒作用端面與被研磨端面貼合。研磨棒，自身的制造精度要求較高，如研磨作用端面的平面度及研磨作用端面相對旋轉基準軸線的垂直度均要求達到微米級別，同時研磨棒作用端面的紋脈尺寸對研磨質量和效率影響也很大。經過試驗驗證獲得的“井”字槽（槽寬0.25mm，深0.5～1mm、間距1mm并均布）的設計經驗，在研磨φ15H7深94mm的孔底端面作業時，質量、效率提升方面的效果較好（見圖4、圖5）。

圖3 研磨裝置結構

圖4 研磨棒端面紋脈

圖5 研磨效果對比結果

該裝置的制作要求也非常高。在工藝施工時，配合間隙要求0.004～0.006mm的耦合件，需要珩磨/研磨加工內孔、無心磨/外圓磨加工外圓精配間隙，滿足定位和導向功能。配合間隙要求0.03mm的組合件，采取鉸孔/車等加工工藝，滿足裝配要求即可（見圖6）。

圖6 工裝實物

工裝實操步驟如下所述。

1）依據彈簧彈力確定彈簧壓縮量（見圖7），在導桿外圓面上作標記線（紅色記號筆即可），并預緊頂絲固定。

圖7 彈簧壓縮量

2）機床夾頭夾持住調壓/穩壓機構，如圖8所示。

3）將零件正確放置或通過夾具固定，使其滿足被研磨平面處于水平狀態。

4）調整機床或零件，使導桿的凹球面與研磨棒的凸球面貼合，并通過擰松頂絲查看，確認安裝是否到位。

5）在研磨棒的研磨作用端面上涂抹均勻厚度的研磨膏，并將研磨棒放入相應的孔內，手動確認安裝到位即可。

6）將銷桿插入研磨棒的球頭對應的孔里，使銷桿兩端露出的長度大致相等，手動確認連接可靠。

7）設定機床參數，開動機床進行研磨作業，直至研磨單次持續時間后停機。

進入下一個操作循環，直至被研磨端面的質量合格。需要注意的是，每一次研磨循環后取出研磨棒時應用水砂紙清理周邊毛刺。

該裝置滿足連續、穩定研磨作業的生產需求，不僅使研磨面的質量能夠滿足設計質量要求，而且使研磨效率較傳統手動研磨提高5倍以上，尤其對操作人員的技能水平要求大大降低，不需要指定鉗工技師及以上技能水平的人員來操作（會操作設備即可），大大降低了操作人員的勞動強度。

圖9為研磨試驗，通過多次試驗獲得經驗參數。φ15mm研磨面經驗數據1：主軸轉速60r/min，彈簧彈力4.6N·mm，涂裝W5研磨膏膜厚約0.2mm、研磨持續時間15s/次。φ15mm研磨面經驗數據2：主軸轉速60r/min，彈簧彈力4.6N·mm，涂裝M5研磨膏膜厚約0.4mm、研磨持續時間2.5s/次。需要注意的是，不論哪種方式，若超時過多均存在研磨劃傷的風險，應做到及時更換涂研磨膏進行周期循環作業，直至零件合格。

圖9 研磨試驗

使用該工裝并利用上述摸索參數及設備，首先在樣件上進行加工，測量數據合格，摸索出加工經驗后對零件進行加工，并剖切零件。首件測量數據符合質量要求后批產加工。實操過程及測試記錄如圖10～圖12所示。

圖10 研磨樣件

圖11 研磨零件

圖12 零件測量結果

本技術成果主項目零件主要技術指標與產品設計指標的檢測對比結果見表1。

表1 主項目零件主要技術指標與產品設計指標對比

經測試，本成果各項技術指標全部滿足設計要求。安裝到產品后，工作可靠，性能穩定。

3 結束語

該技術成功解決了深孔孔底端面高精度要求的平面度、表面粗糙度及基于導向孔軸線的垂直度等工藝技術難題，且生產過程高效及質量穩定一致，保證了國家某重點型號飛機配套伺服閥產品的順利交付。

本技術的研磨組件，其穩壓/調壓裝置部位通用性強，不僅可調節研磨作用力大小，而且適配于球面傳動連接的研磨棒或拋光桿結構；其精密導套/導柱結構，在夾具結構設計與制造中使用性強，已被推廣到機動拋光裝置的結構設計中。該研磨組件的整體結構設計優點突出，在孔底端面研磨和孔底端面凸起R型面密封結構的拋光作業中應用的前景廣闊。