论文部分内容阅读
摘 要：滑阀产品生产，在单个零件制造完成后，偶件精密孔、轴间隙配套的成功与否是产品能否顺利出厂交付的关键，由于航空精密液压控制系统滑阀偶件的配合精度要求较高，一般要求配合间隙公差均在0.0025以下，有的甚至仅为0.001，在目前的技术状况下，这样的配套精度难于实现互换性配套。在生产工艺过程中，通常先将阀套零件加工合格，并将孔尺寸差标定在配合间隙公差的一半范围内，采用以孔尺寸作为基础配做阀芯外径尺寸实现配套，由于配做阀芯外径尺寸主要采用精密配磨工艺直接磨削保证要求，配磨尺寸的精度和尺寸稳定性是配套成功的关键所在。长期以来，由于配磨尺寸不稳定，配套合格率较低不能有效实现配套，所以库存未配套成功的零件越来越多，造成大量半成品积压库存。不但造成大量反复加工、半成品积压、生产资金占用，而且严重影响准时交付率。
关键词：阀套零件；阀芯外径；精密液压滑阀偶件；圆磨床；磨削；研磨
1. 技术方案的调研与论证
精密液压滑阀偶件是航空燃油和控制系统的关键零件，在系统工作中作为运动部件，要求运动灵活具有较高的可靠性，除单个零件要保证较高的精度外，保证配套精度是最为关键的环节。经调研咨询，常用配套的工艺主要有以下几种方式。
1. 1 互换性配套
即将孔、轴分别控制在某一尺寸范围内，配套时不用核对零件编号和尺寸，任意将孔轴零件组合就能实现配套保证配套间隙。一般应用在大批量生产，专用加工设备精度较高、检测自动化的民用行业，如汽车、工程机械等行业，
1.2选配配套
无法实现互换性配套精密偶件，将孔、轴尺寸分别控制在某一尺寸范围内，配套时根据测量数据进行一对一的配套方法，配套成功后偶件间的所属零件不得相互串混，必须保持原有配套关系不变。一般应用在大批量生产，如汽车、燃机中的喷油器偶件等。
1.3配磨配套
采用以孔尺寸作为基础，根据孔尺寸计算出需要配套芯的外径尺寸，采用精密配磨工艺配磨阀芯外径实现配套，这种工艺方法，配套间隙公差为0.004左右时配套合格率较高，间隙公差小于0.003后合格率较低，其主要原因是受机床摩擦力、爬行现象影响机床实际进给值与输入指令会存在或多或少的差异（如S21的X向重复定位误差约为0.0004）及加工、测量环境等诸多因素的影响造成加工出的零件不是需要的尺寸。
1.4配研配套
与配磨配套工艺相似，采用以孔尺寸作为基础，阀芯外径预留一定的加工余量，再根据配套尺寸采用研磨磨工艺研磨阀芯外径实现配套，这种工艺方法，可以实现较高的配套精度，常应用于单件或中小批量生产时的精密或超精密配套或产品明确要求阀芯表面必须为压应力状态的配套，缺点是效率低、劳动强度大，而且对加工者的技能要求相对较高。
结合目前我厂滑阀产品配套精度较高，属于中小批量生产的特点，根据实践经验，认为使用以上某种单一配套工艺方法都不太适合，最后决定采用精密磨削加配研两种方法组合的配套工艺方法，即在精密磨床S21上磨削时使用在线测量系统MOVMATIC ES124监测磨削尺寸，如能达到配套要求就直接保证配套尺寸，如不达能到配套要求时允许在配套尺寸基础上加大适当余量，最后采用精密配研方法保证配套要求。
2. 研究工作
2.1 测量系统起用与调试
用于阀芯零件精密配套磨削的S21数控外圆磨床仅配置有轴向在线测量功能，无径向在线测量功能，而阀芯精密配磨必须要将轴向测量功能改为径向在线测量功能，通过控制系统MOVMATIC ES124控制測具CR100实现对阀芯配套外径的准确测量。为此，我们反复与设备供应商协调咨询其可行性和改造方案，进行了测量系统通道转换改装、输入动作调试及输入控制指令与机床运动响应匹配等技术服务并对操作者及相关人员进行了技术培训，完成了测量系统起用与调试工作。
2.2 零件精密磨削
选取滑阀配套工艺中具有代表性的零件（图1）的配套试验情况进行介绍，组件配套间隙为0.0102～0.0127，其中阀套零件设计图孔尺寸为φ14.275+0.025，阀套内孔标定配套尺寸差为0.0012；阀芯零件，配套尺寸要求按极限尺寸原则计算，即应满足外径尺寸差为0.0012max。下面以该阀芯的配套过程为例对滑阀配套过程中精密磨削加工工艺及配套步骤进行说明。
图1
2.2.1 研磨中心定位孔
精密配磨零件工艺中，中心定位孔的上的缺陷会直接反映到磨削零件外径的形状公差（如圆度）中，所以，中心孔的质量好坏是能否加工出高质量合格零件的关键。通常在车工就要严格保证其内60°锥面不得有椭圆产生而且达到Ra0.8以上的光洁度，磨削加工前应安排研中心孔工序专门在仪表车床上用灰口铸铁锥体研磨器精研中心孔，保证60°内锥面全部研圆且达到Ra0.4以上的光洁度。
2.2.2 磨削砂轮选用
由于阀芯零件材料主要含铬、钼元素的440C高硬不锈钢，经大量试验，单晶刚玉材质的陶瓷结合剂砂轮较适合加工此类材料，加工中切削性能好，不易产生磨削烧伤裂纹。建议使用与Norton合资生产的圣戈班（Saint-Gogain）品牌或进口的Winterthure及Tyrolit品牌砂轮。砂轮粒度方面，半精加工时，建议选用100～120#粒度，加工效率高；精密磨削加工时，需选用180#粒度砂轮，能在去除小余量的同时得到较高的尺寸精度及表面质量。
2.2.3 粗磨外圆去余量
粗磨外圆主要是为精密磨削加工时去除较大的加工余量，消除零件磨削表面跳动、椭圆等对精磨的影响，一般粗磨后留精加工余量0.05左右。
2.2.4 精磨外圆
精密磨削外径工艺分为半精磨削和精密磨削两个阶段。
2.2.4.1 半精磨削加工 半精磨削加工中采用匀速横向（X向）进给和纵向（Z向）冲程进给方式磨削，为了达到较好的切削能力，保证加工的表面质量和精度，此时修整砂轮应采用快速修整方式，纵向走刀为200mm/min，推荐采用加工参数为：砂轮线速度： 35m/s。
经过以上磨削参数加工，留精密加工余量为0.01，此时，零件尺寸精度可达到0.005、表面粗糙度可达到Ra0.2、圆度可达到0.003左右，为下一步精密磨削作好了准备。
2.2.4.2 精密磨削加工
精密磨削加工是在半精磨削加工基础上进一步提高零件精度和表面质量，达到配套要求的各项精度指标。砂轮修整应采用慢速修整方式，具体纵向走刀速度为100mm/min。磨削进给时应采用逐渐递减或分段逐渐递减的方式进给，加工时推荐采用加工参数为：砂轮线速度： 35m/s。
经过以上磨削参数加工，零件尺寸精度可达到0.0012、表面粗糙度可达到Ra0.05、圆度可达到0.0008左右，一般配套间隙公差在0.003左右的组件可以实现配套。
2.3 精密磨削配套效果
2.3.1 配套单要求
以阀套孔尺寸作为基准，按配套间隙0.0102～0.0127要求，计算得出满足配套要求的阀芯尺寸，计算公式为：阀芯max=孔max-轴min；阀芯min=孔min-轴max
2.3.2 零件检测结果
经对配套磨削的21件阀芯进行检测，尺寸标定，根据检测结果，零件的圆度、直线度、粗糙度指标都达到了要求，单个零件外径极限尺寸差大部份控制在0.0015max范围内。
配套情况
2.3.3 原因分析及措施
从零件加工质量本身可以看出，零件的形状精度（包括圆度、直线度、锥度）及表面质量均合格，要求配套直径尺寸的尺寸差异满足0.0012max，只是大小范围没有刚好与要求的尺寸相吻合而配不上套。
a. 所加工零件的形状精度（包括圆度、直线度、锥度）及表面质量均合格，圆度可以保证在0.0008内，综合考虑到锥度等因素影响，尺寸差异可以保证在0.0012内，是满足配套要求的。可以说明配磨加工中的调整、加工操作方法及加工参数的选用是较为合理的。
b. 实际配磨尺寸大小不能刚好相吻合，尺寸不稳定而配不上套，主要是配套要求尺寸精度高，零件的形状公差基本挤占完了配套尺寸公差的空间，使尺寸加工公差几乎为零。STUER S21作为顶级精密磨床，圆度可以保证0.0004，由控制执行系统控制的砂轮X向进给重复定位误差约为0.0004，磨削零件时反应在直径方向尺寸有0.0008的尺寸不确定变动范围，而机床可控制的尺寸范围必须大于形状精度和尺寸精度的和，也就是说如果阀芯配套尺寸差范围超过0.002时尺寸就可控，配磨加工的配套合格率就会很高。
c. 由于系统定位精度不能满足需要，在加工中虽然将基准尺寸值作为参考正确地输入了加工余量（电讯号脉冲值），但磨头可能在直径方向0.0008范围内不确定变动到任一随机位置停下，不一定真实进给到指定位置，配套率的高低主要由落到配套尺寸范围内的随机机率而定。
鉴于上述原因，综合论证分析认为，在小批量组织生产而滑阀配套间隙公差小于0.003时，阀芯外圆配套尺寸的加工不适宜直接采用外圆磨削作为最终配套工艺方法。可以考虑在配磨的基础上，将不能配套成功的零件采用研磨配套等其它方法进行配套。
2.4 外圆研配配套
对于配磨后不能成功配套的零件，我们采用研修配套的方法进行补充加工配套，根据试验的结果，直接配磨不能配套的零件应严格控制研修余量。根据S21磨削加工的可控尺寸精度为0.002～0.003的特点，将需要研配零件的尺寸在精密配磨时控制在加大0.003max左右为宜。
研磨操作方法及步骤：
a.研磨膏选用：金刚石微粉W5研磨膏，光度可达Ra0.04
b.研磨套的選择：研磨套长一般长短搭配选择，长的为2倍直径长左右，短的一般为直径的80～130%。
c.研磨套的修整：修研研磨套的质量是加工合格零件的关键，一般使用已正常使用过的长内孔研磨套进行，最好用研磨该配套阀套正在使用的内孔研磨套修研。
d.研磨零件：研磨零件时，零件转速控制在200～300rpm，使用机油稀释研磨膏。
通过配研后的尺寸再次配套合格9套。
3. 效果评估及执行方案
阀芯H10366603按上述方案采用精密配磨加精密研磨工艺方法配套，共进行配套21件组件，实际配套成功17件（80.9%），其中直接磨削配成8件，配套成功38.09%；未配上的13件采用研配方法配套成功9件，占总配套数的42.8%（为13件中的69.2%）。
采用此配套方法对另一相似组件进行配套，组件配套间隙与上述相似，为0.0140～0.0165（配套间隙公差为0.0025）。
阀芯按上述方案采用精密配磨加精密研磨工艺方法配套，共进行配套24件组件，实际配套成功20件（83.3%），其中直接磨削配成9件，配套成功37.5%；未配上的15件采用研配方法配套成功11件，占总配套数的45.8%（为15件中的73.3%）。
4. 结论
通过对滑阀配套精密磨削配套及研修配套的大量工艺试验，获取了大量的精密配磨工艺参数，如砂轮的磨料、结合剂、粒度对磨削的影响；磨削中余量的控制、磨削参数（进刀量、冲程速度）对磨削质量的影响以及在线测量系统系统Movomatic ES124的应用等；在配研过程中结合外圆磨床控制精度对配磨不能直接配套而需使用研磨补充加工
配套的零件的留研余量进行了优化，要求可预留0.003max余量进行最后研配，解决了由于研磨余量大，研磨可能产生塌边缺陷，加工劳动强度大效率低的问题。外圆精密配磨加外圆精密修研的偶件配套方法大量经过试验和批生产的考验，证明是可行、可靠的中小批量生产精密偶件配套方法，达到了减少重复磨削工作，提高配套率，降低了配磨配套不成功零件积压库存量的目标。现已将该工艺方法纳入GE公司产品的工艺规程中，在外贸滑阀生产中推广使用，随着此配套工艺方法的推广使用，外贸将会普遍采用这种配套方法，长期困扰滑阀配套率低，库存大量积压待配套零件的难题将会得到明显改善。
作者简介：廖翔，1978年出生，女，汉族，湖南涟源，机械工程师，贵州红林机械有限公司 本科，精密液压滑阀类零件的加工工艺。
关键词：阀套零件；阀芯外径；精密液压滑阀偶件；圆磨床；磨削；研磨
1. 技术方案的调研与论证
精密液压滑阀偶件是航空燃油和控制系统的关键零件，在系统工作中作为运动部件，要求运动灵活具有较高的可靠性，除单个零件要保证较高的精度外，保证配套精度是最为关键的环节。经调研咨询，常用配套的工艺主要有以下几种方式。
1. 1 互换性配套
即将孔、轴分别控制在某一尺寸范围内，配套时不用核对零件编号和尺寸，任意将孔轴零件组合就能实现配套保证配套间隙。一般应用在大批量生产，专用加工设备精度较高、检测自动化的民用行业，如汽车、工程机械等行业，
1.2选配配套
无法实现互换性配套精密偶件，将孔、轴尺寸分别控制在某一尺寸范围内，配套时根据测量数据进行一对一的配套方法，配套成功后偶件间的所属零件不得相互串混，必须保持原有配套关系不变。一般应用在大批量生产，如汽车、燃机中的喷油器偶件等。
1.3配磨配套
采用以孔尺寸作为基础，根据孔尺寸计算出需要配套芯的外径尺寸，采用精密配磨工艺配磨阀芯外径实现配套，这种工艺方法，配套间隙公差为0.004左右时配套合格率较高，间隙公差小于0.003后合格率较低，其主要原因是受机床摩擦力、爬行现象影响机床实际进给值与输入指令会存在或多或少的差异（如S21的X向重复定位误差约为0.0004）及加工、测量环境等诸多因素的影响造成加工出的零件不是需要的尺寸。
1.4配研配套
与配磨配套工艺相似，采用以孔尺寸作为基础，阀芯外径预留一定的加工余量，再根据配套尺寸采用研磨磨工艺研磨阀芯外径实现配套，这种工艺方法，可以实现较高的配套精度，常应用于单件或中小批量生产时的精密或超精密配套或产品明确要求阀芯表面必须为压应力状态的配套，缺点是效率低、劳动强度大，而且对加工者的技能要求相对较高。
结合目前我厂滑阀产品配套精度较高，属于中小批量生产的特点，根据实践经验，认为使用以上某种单一配套工艺方法都不太适合，最后决定采用精密磨削加配研两种方法组合的配套工艺方法，即在精密磨床S21上磨削时使用在线测量系统MOVMATIC ES124监测磨削尺寸，如能达到配套要求就直接保证配套尺寸，如不达能到配套要求时允许在配套尺寸基础上加大适当余量，最后采用精密配研方法保证配套要求。
2. 研究工作
2.1 测量系统起用与调试
用于阀芯零件精密配套磨削的S21数控外圆磨床仅配置有轴向在线测量功能，无径向在线测量功能，而阀芯精密配磨必须要将轴向测量功能改为径向在线测量功能，通过控制系统MOVMATIC ES124控制測具CR100实现对阀芯配套外径的准确测量。为此，我们反复与设备供应商协调咨询其可行性和改造方案，进行了测量系统通道转换改装、输入动作调试及输入控制指令与机床运动响应匹配等技术服务并对操作者及相关人员进行了技术培训，完成了测量系统起用与调试工作。
2.2 零件精密磨削
选取滑阀配套工艺中具有代表性的零件（图1）的配套试验情况进行介绍，组件配套间隙为0.0102～0.0127，其中阀套零件设计图孔尺寸为φ14.275+0.025，阀套内孔标定配套尺寸差为0.0012；阀芯零件，配套尺寸要求按极限尺寸原则计算，即应满足外径尺寸差为0.0012max。下面以该阀芯的配套过程为例对滑阀配套过程中精密磨削加工工艺及配套步骤进行说明。
图1
2.2.1 研磨中心定位孔
精密配磨零件工艺中，中心定位孔的上的缺陷会直接反映到磨削零件外径的形状公差（如圆度）中，所以，中心孔的质量好坏是能否加工出高质量合格零件的关键。通常在车工就要严格保证其内60°锥面不得有椭圆产生而且达到Ra0.8以上的光洁度，磨削加工前应安排研中心孔工序专门在仪表车床上用灰口铸铁锥体研磨器精研中心孔，保证60°内锥面全部研圆且达到Ra0.4以上的光洁度。
2.2.2 磨削砂轮选用
由于阀芯零件材料主要含铬、钼元素的440C高硬不锈钢，经大量试验，单晶刚玉材质的陶瓷结合剂砂轮较适合加工此类材料，加工中切削性能好，不易产生磨削烧伤裂纹。建议使用与Norton合资生产的圣戈班（Saint-Gogain）品牌或进口的Winterthure及Tyrolit品牌砂轮。砂轮粒度方面，半精加工时，建议选用100～120#粒度，加工效率高；精密磨削加工时，需选用180#粒度砂轮，能在去除小余量的同时得到较高的尺寸精度及表面质量。
2.2.3 粗磨外圆去余量
粗磨外圆主要是为精密磨削加工时去除较大的加工余量，消除零件磨削表面跳动、椭圆等对精磨的影响，一般粗磨后留精加工余量0.05左右。
2.2.4 精磨外圆
精密磨削外径工艺分为半精磨削和精密磨削两个阶段。
2.2.4.1 半精磨削加工 半精磨削加工中采用匀速横向（X向）进给和纵向（Z向）冲程进给方式磨削，为了达到较好的切削能力，保证加工的表面质量和精度，此时修整砂轮应采用快速修整方式，纵向走刀为200mm/min，推荐采用加工参数为：砂轮线速度： 35m/s。
经过以上磨削参数加工，留精密加工余量为0.01，此时，零件尺寸精度可达到0.005、表面粗糙度可达到Ra0.2、圆度可达到0.003左右，为下一步精密磨削作好了准备。
2.2.4.2 精密磨削加工
精密磨削加工是在半精磨削加工基础上进一步提高零件精度和表面质量，达到配套要求的各项精度指标。砂轮修整应采用慢速修整方式，具体纵向走刀速度为100mm/min。磨削进给时应采用逐渐递减或分段逐渐递减的方式进给，加工时推荐采用加工参数为：砂轮线速度： 35m/s。
经过以上磨削参数加工，零件尺寸精度可达到0.0012、表面粗糙度可达到Ra0.05、圆度可达到0.0008左右，一般配套间隙公差在0.003左右的组件可以实现配套。
2.3 精密磨削配套效果
2.3.1 配套单要求
以阀套孔尺寸作为基准，按配套间隙0.0102～0.0127要求，计算得出满足配套要求的阀芯尺寸，计算公式为：阀芯max=孔max-轴min；阀芯min=孔min-轴max
2.3.2 零件检测结果
经对配套磨削的21件阀芯进行检测，尺寸标定，根据检测结果，零件的圆度、直线度、粗糙度指标都达到了要求，单个零件外径极限尺寸差大部份控制在0.0015max范围内。
配套情况
2.3.3 原因分析及措施
从零件加工质量本身可以看出，零件的形状精度（包括圆度、直线度、锥度）及表面质量均合格，要求配套直径尺寸的尺寸差异满足0.0012max，只是大小范围没有刚好与要求的尺寸相吻合而配不上套。
a. 所加工零件的形状精度（包括圆度、直线度、锥度）及表面质量均合格，圆度可以保证在0.0008内，综合考虑到锥度等因素影响，尺寸差异可以保证在0.0012内，是满足配套要求的。可以说明配磨加工中的调整、加工操作方法及加工参数的选用是较为合理的。
b. 实际配磨尺寸大小不能刚好相吻合，尺寸不稳定而配不上套，主要是配套要求尺寸精度高，零件的形状公差基本挤占完了配套尺寸公差的空间，使尺寸加工公差几乎为零。STUER S21作为顶级精密磨床，圆度可以保证0.0004，由控制执行系统控制的砂轮X向进给重复定位误差约为0.0004，磨削零件时反应在直径方向尺寸有0.0008的尺寸不确定变动范围，而机床可控制的尺寸范围必须大于形状精度和尺寸精度的和，也就是说如果阀芯配套尺寸差范围超过0.002时尺寸就可控，配磨加工的配套合格率就会很高。
c. 由于系统定位精度不能满足需要，在加工中虽然将基准尺寸值作为参考正确地输入了加工余量（电讯号脉冲值），但磨头可能在直径方向0.0008范围内不确定变动到任一随机位置停下，不一定真实进给到指定位置，配套率的高低主要由落到配套尺寸范围内的随机机率而定。
鉴于上述原因，综合论证分析认为，在小批量组织生产而滑阀配套间隙公差小于0.003时，阀芯外圆配套尺寸的加工不适宜直接采用外圆磨削作为最终配套工艺方法。可以考虑在配磨的基础上，将不能配套成功的零件采用研磨配套等其它方法进行配套。
2.4 外圆研配配套
对于配磨后不能成功配套的零件，我们采用研修配套的方法进行补充加工配套，根据试验的结果，直接配磨不能配套的零件应严格控制研修余量。根据S21磨削加工的可控尺寸精度为0.002～0.003的特点，将需要研配零件的尺寸在精密配磨时控制在加大0.003max左右为宜。
研磨操作方法及步骤：
a.研磨膏选用：金刚石微粉W5研磨膏，光度可达Ra0.04
b.研磨套的選择：研磨套长一般长短搭配选择，长的为2倍直径长左右，短的一般为直径的80～130%。
c.研磨套的修整：修研研磨套的质量是加工合格零件的关键，一般使用已正常使用过的长内孔研磨套进行，最好用研磨该配套阀套正在使用的内孔研磨套修研。
d.研磨零件：研磨零件时，零件转速控制在200～300rpm，使用机油稀释研磨膏。
通过配研后的尺寸再次配套合格9套。
3. 效果评估及执行方案
阀芯H10366603按上述方案采用精密配磨加精密研磨工艺方法配套，共进行配套21件组件，实际配套成功17件（80.9%），其中直接磨削配成8件，配套成功38.09%；未配上的13件采用研配方法配套成功9件，占总配套数的42.8%（为13件中的69.2%）。
采用此配套方法对另一相似组件进行配套，组件配套间隙与上述相似，为0.0140～0.0165（配套间隙公差为0.0025）。
阀芯按上述方案采用精密配磨加精密研磨工艺方法配套，共进行配套24件组件，实际配套成功20件（83.3%），其中直接磨削配成9件，配套成功37.5%；未配上的15件采用研配方法配套成功11件，占总配套数的45.8%（为15件中的73.3%）。
4. 结论
通过对滑阀配套精密磨削配套及研修配套的大量工艺试验，获取了大量的精密配磨工艺参数，如砂轮的磨料、结合剂、粒度对磨削的影响；磨削中余量的控制、磨削参数（进刀量、冲程速度）对磨削质量的影响以及在线测量系统系统Movomatic ES124的应用等；在配研过程中结合外圆磨床控制精度对配磨不能直接配套而需使用研磨补充加工
配套的零件的留研余量进行了优化，要求可预留0.003max余量进行最后研配，解决了由于研磨余量大，研磨可能产生塌边缺陷，加工劳动强度大效率低的问题。外圆精密配磨加外圆精密修研的偶件配套方法大量经过试验和批生产的考验，证明是可行、可靠的中小批量生产精密偶件配套方法，达到了减少重复磨削工作，提高配套率，降低了配磨配套不成功零件积压库存量的目标。现已将该工艺方法纳入GE公司产品的工艺规程中，在外贸滑阀生产中推广使用，随着此配套工艺方法的推广使用，外贸将会普遍采用这种配套方法，长期困扰滑阀配套率低，库存大量积压待配套零件的难题将会得到明显改善。
作者简介：廖翔，1978年出生，女，汉族，湖南涟源，机械工程师，贵州红林机械有限公司 本科，精密液压滑阀类零件的加工工艺。