電動氣閥副閥體環形槽的加工

董悅，黑愛卿

西安航天發動機有限公司 陜西西安 710100

1 序言

作為姿軌控發動機可靠工作的重要組成部分，電動氣閥以電磁鐵為驅動元件，直接或間接地驅動閥芯運動來實現液體或氣體的接通、關斷。副閥體是電動氣閥控制氣路部分線圈組件的主體結構件，是為電磁閥提供可靠密封、靈活運動的關鍵零件，其尺寸及幾何精度要求高，材料特殊，工藝性復雜，特別是軸向環形槽的加工難度很大。副閥體加工質量的好壞直接影響著電動氣閥的性能。本文將對兩種不同的加工方法進行對比，選取最優方法，從而實現副閥體的高質量、高效率加工。

2 副閥體環形槽結構

圖1 為電動氣閥副閥體結構，其外形為典型的軸盤結構，內部含有環形槽和活門座。環形槽外徑為5.7mm，內徑為3.5mm，深度9.4mm。此種結構環形槽有明顯的加工難點，即槽窄小，槽寬僅1.1mm，深度較深，在加工環形槽時還需考慮不能傷到活門座部位。

圖1 電動氣閥副閥體結構

3 副閥體環形槽加工難點分析

在副閥體環形槽端口有一活門座，選擇加工方法時，既要保證尺寸合格，也要保證加工過程中不損傷活門座，其加工難點分析如下。

（1）原材料冷加工性能差 副閥體材料為高飽和磁感應強度鐵鈷合金1J116，即耐蝕軟磁合金，具有較高的飽和磁感和居里溫度，在高濕度的活性介質中具有高的耐蝕性，適用于無保護層工作的各種電磁鐵的磁導體、風動閥和液壓閥磁導體，是液體火箭發動機各類閥體的常用材料之一。耐蝕軟磁合金材料相對較軟，內部存在著有序結構，冷加工時容易脆裂，同時因其合金中存在碳、氮和氧等原子，這些原子聚集在晶界處，使得軟磁合金的脆性增加，所以冷加工時，在轉速較低的情況下易出現粘刀現象，導致零件表面粗糙。在刀具及加工參數不合理的情況下，零件薄壁處易出現裂紋。

（2）環形槽結構復雜 環形槽深度為9.4mm，從端面到槽底的深度為36mm，要求冷加工時刀具的刀桿足夠長。長的刀桿會造成加工時刀尖的擺動量變大，振動量級變大。環形槽槽寬只有1.1mm，中心為φ1.8mm的通孔，端面還存在起密封作用的活門座。在冷加工時，刀具的設計，加工參數的確定，切削液、加工方式的選擇以及切屑的排出等，均是需要解決的難點問題。

根據環形槽結構特點，選擇兩種不同的加工方法即電火花加工和機械加工進行研究，通過對兩種方法進行對比，得出合理的加工參數及合適的加工方法。

4 電火花加工

電火花加工工藝是環形槽結構加工的常用方法，與傳統機械加工方法相比，具有以下優點：①在加工過程中無機械力，可加工剛性較差的薄壁、深孔及復雜結構內腔。②加工時采用電極及工件間隙放電方式進行，可實現任何高硬度的導電材料產品加工。③無復雜的切削運動，可加工形狀復雜零件，易于提高自動化程度。

（1）電極材料的選擇 電火花加工常用的電極材料有石墨、Cu或W等單金屬、Cu或W基合金、聚合物復合材料和金剛石等，選擇電極材料時，應考慮電極的可制造性及加工成本。在普通應用場合，宜選用廉價的純銅材料；在環形槽寬度較小時，環形電極壁厚δ≤0.5mm，宜采用不變形的石墨材料；對于精度要求高的產品，可采用抗損耗能力強的銅鎢或銀鎢合金電極材料。因電動氣閥副閥體產品符合一般使用條件，所以電極采用純銅材料（T2）。

（2）電極結構設計 環形槽加工分為粗加工和精加工，兩道工序所用電極結構相同，均由夾持部位、排氣孔和加工面3部分組成。電極結構及實物如圖2所示，其中設置排氣孔的主要目的是防止拉弧等放電不穩定現象的發生，排氣孔直徑一般為1～2mm。電極內外加工面均勻放縮（δ1=δ2），且放縮量與理論環形槽距離≥0.30mm，以防高溫的電腐蝕顆粒在活門座部位飛濺黏附。環形電極加工面部分（φ內、φ外）的加工精度應控制在±0.01mm。

圖2 電極結構及實物

（3）加工方式 環形槽粗加工采用無搖動直線加工方式，底端留余量為0.20mm，高速抬刀；精加工采用先直線、后圓形搖動進入的加工方式，微小抬刀。

（4）加工設備 在AM45Ls電火花放電加工設備上進行加工，產品實物如圖3所示。

圖3 電火花加工產品實物

（5）電火花加工存在的問題 ①加工效率低，單件閥體電火花加工時間為2.5～3.0h。②電加工后閥體密封部位如圖4所示，環形槽端面密封唇出現損傷。此缺陷產生的機理為電火花加工過程中，在加工區產生大量的蝕除物，其中部分蝕除物在電極進入過程中沿φ3.5mm圓柱面經密封唇部位向槽外運動，受到密封唇的阻擋而逐漸形成聚集，當聚集到一定程度后，部分聚集物與電極接觸發生放電，經聚集物傳遞后，電加工蝕除物結合到基體上或在基體表面形成放電坑點。③電極損耗導致部分產品底部斷面凸起，形貌如圖5所示。此問題是由于電極在放電過程中損耗導致電極與產品放電不均勻所致。環形槽為彈簧安裝配合部位，底部斷面凸起會導致彈簧偏斜，影響其彈力的有效值，從而影響閥芯的靈活運動，嚴重時會導致閥芯卡滯或密封失效。

圖4 電加工后閥體密封部位

圖5 環形槽底部斷面凸起形貌

為解決電火花加工過程中存在的問題，考慮采用機械加工方法完成此類結構的加工。

5 機械加工

采用機械加工方法加工副閥體深窄環形槽的主要難點在于刀具的合理設計，并制定合理的加工工藝參數。

5.1 專用環形槽車刀的設計

對于環形槽加工，設計冷加工刀具時必須考慮刀具的剛度、強度及耐磨性。對于常規的懸臂式刀桿車削加工方法，由于受槽寬的限制，其刀桿結構偏小，刀尖剛度低，易振動，易斷刀，導致產品表面粗糙度和精度達不到要求，且報廢率較高。為解決環形槽機械加工的問題，需設計一種特殊的專用刀具。專用刀具的設計主要考慮以下幾個方面。

（1）原材料的選擇 專用刀具選擇整體硬質合金材料。整體硬質合金材料具有高硬度、高強度、高彈性模量、較小的熱膨脹系數、良好的耐磨性和較長的使用壽命，已成為新技術領域一種非常重要的刀具材料。與高速鋼刀具相比，可大大提高刀具壽命和零件表面加工質量。

（2）專用刀具表面涂層處理 表面涂層處理是在較軟的刀具上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜，是解決刀具基體硬度不夠最有效的方法之一。為了滿足使用要求，需對硬質合金刀具表面進行涂層處理，選用金剛石涂層，它是sp3雜化的碳-碳共價鍵的原子晶體，具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數和低熱膨脹系數等特性。涂層后的硬質合金刀具具有比基體更高的硬度和耐磨性，壽命也比無涂層的硬質合金刀具提高了1～3倍。同時，切削速度、進給量及切削深度也可以相應地提高，從而提高加工效率，改善表面加工質量。

（3）專用刀具尺寸參數 專用刀具如圖6所示，刀具總長7 0 m m，其刃部寬度為（1.175±0.02）m m，長度約10m m，刀具圓角R0.2mm，刃部兩端直徑分別為5.75mm、3.4mm。在加工時，專用刀具的刀桿需安裝專用刀柄與機床進行裝夾。

圖6 專用刀具

5.2 加工方案的確定

根據環形槽及硬質合金專用刀具的結構特點，對環形槽加工設備、進給方式、加工參數和切削液進行選擇如下。

（1）設備的選擇 選擇數控車床進行加工。數控車床必須具備較高的精度以及良好的穩定性。本試驗選擇精密數控車床R51來實現環形槽的加工。

（2）進給方式 由于環形槽結構窄而深，傳統成形刀具很難完成加工，容易產生斷刀現象，所以使用專用刀具，采用“進刀加工一定尺寸→退刀排切屑→再次進給加工”的循環進給加工方式，可以有效地減少因切屑排出不暢而引起的斷刀現象。

（3）加工參數的選擇 針對刀具刀頭結構單薄、穩定性較差，以及易出現刀具根部折斷的情況，通過試驗，確定了具體的加工參數：開始進給時，每刀切削深度0.05mm后退刀，排出碎小切屑，再次進給切削0.05mm深后退刀，排出碎小切屑，不斷地循環，加工深度為4mm；再次加工時，改變進給參數為每刀切削深度0.02mm后退刀，排出切屑，直至加工到深度尺寸9.4mm。加工過程中轉速n均為2000r/min，進給量f=0.005mm/r。

（4）切削液的選擇 專用刀具重復進給加工的過程，需保證副閥體或刀具的充分冷卻，才能保證刀具的順利進給。因環形槽結構的限制，切削液只能實現外表面的冷卻，故在刀具退出環形槽后，可通過在刀具前端不斷涂抹豬油的方法實現對刀具的冷卻和潤滑。

5.3 試驗結果

（1）加工時間和刀具壽命 在設備、進給方式、加工參數及切削液確定后，進行了環形槽結構的機械加工，加工1件產品的時間為15～20min。經對環形槽各相關尺寸測量，結果均合格，滿足圖樣要求。1把刀具可加工產品的數量為25件左右。

（2）性能測試 為驗證機械加工后副閥體的性能，采用同樣的加工參數，加工了一小批副閥體。采用這批副閥體共裝配電動氣閥產品19臺，經行程檢查、電性能檢查，以及4.3MPa、2.7MPa氣密性檢查，各項數據均滿足要求。隨后抽取3臺進行濕度、低溫、高溫、壽命及氣密試驗，結果均滿足性能和使用要求。

6 兩種加工方法對比

兩種加工方法均能完成環形槽的加工。電火花加工受零件結構的限制相對小一些，只需要準確選定工藝參數，就能實現環形槽的加工，但存在加工效率低、對零件已加工面污染大等缺點；機械加工可有效解決電火花加工存在的問題，不僅能提高加工效率，還能提高環形槽表面質量的一致性。經數據統計，相比于電火花加工，機械加工的效率提高了5倍。圖7為深窄環形槽表面質量對比，可以看出，機械加工的表面質量遠優于電火花加工，且更有利于保證活門座的表面質量。

圖7 深窄環形槽表面質量對比

7 結束語

針對副閥體環形槽的特殊結構，進行了電火花加工和機械加工方案研究，得出以下結論。

1）通過設計合理的電極和確定合理的工藝參數，采用電火花加工方案可以實現副閥體環形槽的加工，但存在效率和合格率低的問題。

2）通過設計專用結構刀具和采用“加工進給→退刀排切屑→再次進給”循環加工的方式，實現了環形槽的機械加工，在提高產品質量的前提下，效率相比電火花加工提高了5倍。

3）本例的深窄環形槽機械加工方法，可以拓展應用到其他類似深窄環形槽的加工中，通過設計類似結構的專用刀具來實現環形槽的機械加工，從而提高效率和質量，降低成本。