液壓機構精密級閥芯的加工工藝研究與探討

劉偉杰

(西安西電高壓開關操動機構有限責任公司，陜西西安 710077)

1 產品及零件概要

液壓彈簧操動機構是一種新型的高壓開關操動機構，具有結構簡單緊湊、集成度高、可靠性好及穩定性高等優點。液壓機構控制模塊中換向閥更是控制模塊的中樞，有著嚴格的外形尺寸及較高的形位公差。液壓彈簧操動機構的分合動作就是以換向閥的閥芯軸向運動實現的。作為運動部件的閥芯，對位置公差以及配合精度的要求更高。

2 工藝分析

2.1 閥芯加工工藝關鍵與重點

閥芯零件(圖 1)長 66.5 mm，最小外圓 φ5H7 mm，最大外圓φ20 mm，各外圓的同軸度要求在0.015 mm以內，圓跳動要求小于0.015 mm，圓柱度小于0.005 mm。零件在機加工、熱處理及轉運工序易產生變形。制造過程要研究零件加工的每一工序，以確保同軸度、圓跳動和圓柱度的要求，保證零件的合格率。

(1)零件的加工：以CYA5型液壓機構為例，CYA5閥芯(見圖1)材料為35CrMo，最大外圓φ20 mm、最小外圓φ5H7 mm，加工時零件兩端留有工藝臺，小于10 mm外圓長度大約60 mm，最細直徑處φ5 mm，長徑比接近于11∶1，粗糙度值最小 Ra1.6 μm，加工過程難于控制。

(2)尺寸公差要求較高：各外形尺寸的相互位置度要求在0.015 mm以內，各內、外圓的圓柱度在0.005 mm。

(3)該零件上要加工4-φ3.7 mm的斜孔，φ3.7 mm孔的軸心線與零件的軸線成60°夾角，但不交于軸線，彼此又相距1.7 mm，孔加工的裝夾與定位有較大的難度要求，加工較為復雜。

2.2 斜孔的加工

以INTER100復式加工中心為上下刀塔(上即B軸)，主軸可360°分度，B軸為銑主軸，旋轉角度為225°，同時刀庫配備可供調用的40把刀具。可在一次裝夾下完成軸向孔、徑向孔、斜孔鉆鉸，斜槽及攻絲的加工。適于完成對液壓機構閥芯的高精度加工。

2.3 以車代磨工藝方案的應用

經過對零件的反復分析和研究，有兩種方案可以解決零件生產的瓶頸——粗糙度Ra1.6 μm，同軸度要求0.015 mm。一是磨床加工，二是以車代磨。

(1)調研國內外磨床，可實現弧面磨削的設備，是通過對磨頭的反復修正以及數控機床的插補來實現的，這也與操作者的技能高要求更是分不開的，還要求有高端的測量儀器予以支持。實現閥芯的磨削加工，成本較高，現有的數控磨床還滿足不了如此高的精度要求；還有磨削加工的能力經測算遠遠達不到液壓機構批量生產對零件制造要求。

(2)根據以往我們在未淬火件上應用以車代磨的成功經驗，我們提出將外圓和內孔的加工改為精密車削加工，設備選用美國HARDINGE公司的精密數控車床。該車床主軸轉速高達6000 r/min，主軸徑向跳動≤0.0008 mm，定位精度(X/Z)≤0.005 mm/0.008 mm，重復定位精度(X/Z)≤0.003 mm/0.005 mm，加工面粗糙度 Ra≤0.3 μm，車削圓度≤0.4 μm，車削圓柱度≤0.1 μm，主軸為彈簧夾頭夾持工件，夾持面積大，加工穩定，數控系統為FANUC21i—T。

2.4 工藝方案

在以車代磨工藝確定后，設計了工藝加工方案，其工藝流程為：下料→粗車→鉆孔攻絲(復加)→淬火→半精車→人工時效→精車1→線切割→精車2→入庫。

(1)增加工件工藝加工的裝夾臺后，工件的長度增加了30 mm，采用一夾一頂的方式加工，將尾座頂尖的力量調到小于15 N，使軸在加工中受到的徑向彎曲力降到最小，避免了工件的彎曲變形；走刀量也不能太大。總之對細長軸影響的因素太多了，它也是比較難加工的。如果沒把握就把參數減小一些，這樣廢品率才能低一些。

(2)合理選擇切削參數：①通過對不同轉速、進刀等切削用量的改變與統計，選擇了適于閥芯加工的切削速度V、進給量f和切削深度ap；①經過對不同主偏角刀片的試驗，發現35°的轉位刀片適于閥芯零件的加工；并對刀片的前角、后角和刀尖圓弧半徑進行了確認。

(3)熱處理要求：閥芯零件選用了淬透性較好的35CrMo材料。但原工藝為局部淬火，工件熱處理過程不易控制，變形較大。經設計同意，將熱處理的局部淬火要求改為整體淬火；并對淬火、回火過程中的吊裝方式要求必須垂直流轉處理，使工件熱處理的組織應力和熱應力對變形的影響控制到最小，符合了精加工的尺寸余量要求。

(4)在工序⑤半精車時，工件淬火硬度在50～55 HRC，加工如此高硬度的工件首先要考慮的是刀具的材質問題。能加工淬硬鋼的材質有以下幾種，超硬涂層硬質合金、陶瓷、CBN(立方氮化硼)。選擇刀片材質時，刀片耐磨度不能太低，要降低刀片磨損，減少更換刀具次數，就要選用材質好的材料，否則刀具磨鈍后加工出的內孔會有明顯錐度，尺寸不穩定，造成不合格品，也是成本上的浪費。而加工硬度在45 HRC以上的淬硬鋼，超硬合金顯然不能滿足工藝要求；該工件加工時同時存在斷續車削，陶瓷材質刀具也不適宜。經各方面論證，我們用日本住友公司生產的CBN立方氮化硼刀具，除加工外圓的刀具外，針對內孔的加工，我們還專門定制了整體硬質合金桿的CBN鏜刀，經過切削試驗，選定切削參數為：n=400 r/min，ap=0.15 mm，f=0.08 mm/r。在此切削參數下，加工出的工件表面粗糙度值Ra=0.8 μm，每個刀片能加工30～40件，并且尺寸穩定性好。雖然CBN材質的刀具價格較貴，但從性價比考慮還是較為合適的；而且車改磨后加工效率大大提高，減少工件的流轉與裝夾找正。實踐證明，我們選用CBN材質以車代磨工藝是有效可行的，成本遠遠低于進口磨床的預算；并在一次裝夾下完成工件內、外圓的加工，確保了工件的同軸度，滿足了液壓機構核心部件的技術要求。

精加工分為半精加工和精加工，兩次加工直徑余量各為0.3 mm，并在中間過程增加人工時效工序，消除熱處理過程產生的應力和變形，以及加工應力因素對工件圓度的影響。通過反復試驗，最終確定了合理的回火溫度與時間。

(5)半精加工與精加工在加工中采用同一工藝臺加工，采用設計與加工基準一致的原則，所有工件外圓、內孔一次裝夾加工，既增加了工件裝夾夾持的可靠性，又保證了加工面的同軸度。

3 工藝項目成果

閥芯工件實施以車代磨的工藝方案加工出的工件合格率在95%以上。現該零件已批量生產。形成主要成果有：

(1)“以車代磨”特點可總結為：①一次裝夾可完成多表面的加工(如外圓、內孔、端面、臺階、溝槽等)，特別是圓弧面的加工，磨削則不能；具有加工效率高、經濟效益好的優點；①是一種新型、潔凈的加工工藝，不需使用切削液，不會對環境造成污染，也不損害操作者的健康；③工件裝夾次數的減少，得到了較高的位置精度和圓度，獲得良好的整體加工質量。

(2)時效控制：針對熱處理產生的應力和變形嚴重影響工件的質量，最終造成產品使用的安全性和可靠性這一工藝難題，通過實施相應的人工時效處理，顯著減小應力應變，穩定了工件的加工質量。

4 綜合經濟效果分析

閥芯零件實現了批量生產，保證加工質量，從而保證液壓機構整機的可靠性；降低零件的成本。閥芯零件批量生產后每件預計節約成本200～300元，以CYA5、CYA6及CYA8系列的市場需求計算，每月按100臺計算，每年將至少節約24萬元以上。

5 加工過程應注意的問題

(1)車削時因產生的切屑為薄的卷條狀，容易纏刀，造成刀片破損，所以加工時應注意切屑的及時清理。

(2)CBN刀片加工不宜使用切削液，只宜干切削加工。使用切削液會大大降低刀具的壽命，實驗表明使用切削液后刀具的實際壽命下降50%以上。

(3)操作人員的實際技能和加工經驗也是零件加工質量穩定的因素之一，要安排專人負責加工。