高精度锥面加工工艺方法研究

2018-06-28乔丽

机电信息 2018年18期

乔丽

（中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵州贵阳550009）

0 引言

本文以高压共轨柴油燃油泵关重件阀座为例，对高精度锥面加工进行研究。阀座质量对高压共轨燃油泵的性能有重大影响，因为阀座需在500 MPa高压下工作，要求密封性完好，无泄漏，所以对起密封作用的关键部位88°锥面的要求非常高。即给出的技术条件是角度公差±0.5°，锥面粗糙度要求为Ra0.3、圆度≤0.005 mm、直线度≤0.002 mm、跳动≤0.008 mm，大批生产质量不稳定。因此，为满足大批量生产，并使锥孔精度满足要求且质量稳定可靠，必须从加工方法、加工设备、刀具（砂轮）选择及加工参数等方面进行优化设计。

1 零件结构简介

零件材料：M50；热处理硬度：HRC62～66；零件结构如图1所示。

图1 阀座结构图

2 锥面加工工艺难点分析

（1）此阀座锥面的主要加工难点在于88°锥面公差只有±0.5°，且锥面长度仅有1.3 mm，锥面较短，加工尺寸不稳定；另外，粗糙度要求精度为Ra0.3。由于材料硬度较高，所以普通的车削加工难以保证角度公差及粗糙度要求。

（2）锥面与φ3.5+0.020孔的跳动要小于0.008 mm，为保证跳动要求，φ3.5+0.020孔必须和锥面一次加工而成，不能分工步加工。

（3）锥面圆度≤0.005 mm，锥面直线度≤0.002 mm，要求锥面的形状要很好，不能有一丝缺陷及加工不起来的情况。

3 解决措施

3.1 加工路线的确定

因为此零件锥面精度要求高，所以必须分粗精加工，在热处理前将零件形状加工完，因热处理后零件会产生变形，所以热处理后留余量精加工零件，因零件属回转体，粗加工选择数控车床进行，但考虑到88°锥面精度要求，且热处理后材料硬度会达到HRC62～66，所以在热处理后选择数控车床车锥面是满足不了加工要求的，故首先考虑到的是选用内圆磨床进行锥面精加工，加工步骤：车零件外形—热处理—精磨锥面与内孔。

3.2 加工设备的选择

车零件外形因为是粗加工，选用普通数控车床就可满足要求，如需外形一次装夹加工完成，可选用纵切机，推荐设备型号SPRINT-20，与普通设备相比，可将零件周边径向孔一并加工，提高加工效率。

精磨锥面与内孔，因前期此零件在试制过程中使用了多种内圆磨床进行加工，根据加工数据对比，加工稳定性较好的设备是瑞士磨床S145和CT450。这两种设备的精度较高，从加工精度上讲可以满足加工要求。

3.3 装夹方式

此零件磨内孔与锥面装夹时用大外圆（φ12），因为要保证总长尺寸14.3±0.05 mm，所以选择C端面定位。装夹方式中最关键的一点就是三爪，三爪选用镗过的软爪，软爪的跳动保证在0.01 mm以内，这样才能保证锥面圆度不超差。

3.4 刀具的选择

因锥面与A孔有跳动要求，所以A孔必须与锥面同时加工，且A孔的加工质量好坏也是直接影响跳动合格与否的重要原因。刀具（砂轮）的选择方面，精磨锥面和内孔所选用的磨头至关重要，此零件在加工前期，由于对磨头没有做过多的要求，所使用的磨头结构不合理。加工直孔的磨头如图2所示，其缺点是磨头杆材质为普通不锈钢，磨头细长，刚性差；锥面磨头如图3所示，其缺点是磨头涂层材料选用的是普通金钢砂，易磨损，磨头杆是普通不锈钢材质，刚性差。由于以上两个磨头存在的问题，造成锥面和A孔加工后经常出现沟痕，且尺寸不稳定，无法满足图纸要求。

图2 直孔用磨头

图3 锥面用磨头

解决方法：对以上两个磨头结构进行重新设计优化。对直孔磨头，将有效磨削面长度减少，从前期的2 cm更改为1 cm，结构上将磨头与磨杆直面连接更改为锥面连接，磨头选用CBN涂层，磨杆选用合金材质，更改后的直孔磨头如图4所示；对锥面磨头，缩小磨杆与磨头的直径比例，磨头杆直径选用5 mm，磨头直径选用5.6 mm，单边镀层厚度为0.3 mm，磨杆选用合金材质，增加刚性，且将磨头材料由镀金钢砂更改为立方氮化硼，更改后的磨头更耐用，加工尺寸更稳定，如图5所示。

图4 更改后的直孔磨头

图5 更改后的锥面磨头

3.5 锥面关键加工参数的设置

为了确保大批量生产，关键加工参数设置很重要，在零件的加工过程中最常见的质量问题是88°锥面有加工不起来的现象，从而导致锥面圆度及跳动超差的情况。经过分析查找，主要原因是在粗加工零件时对锥面磨削留的余量太小。

改进方法：粗车88°锥面时对锥面孔口直径尺寸缩小缩严，由φ6.26±0.1更改为φ6.24±0.08，单边磨削余量为0.05 mm，如果磨削余量太大，会造成磨头磨损加快，加工尺寸不稳定。所以经过多次试验验证，0.05 mm是一个较理想的余量值。

内圆磨削加工参数：经过多次试验，将砂轮磨削时的线速度设置为16m/s（转速约为56500r/min），零件转速为200r/min。磨头分三段进给，第一段当磨头接近工件后，进行磨削位置搜索，此时进给速度设置为2 mm/min；第二段是当磨头接触零件后，进入磨削，进给速度设置为0.2 mm/min；第三段是光磨，为保证粗糙度要求，磨头在到达最终尺寸后光磨，进给速度与第二段一致。具体加工参数如表1所示。在锥孔磨削时，为了保证磨削质量及尺寸稳定性，需对磨头进行修磨，推荐修磨频次为1/10。

表1 磨锥面加工参数

φ3.5+0.020直孔磨削质量是影响跳动0.008 mm的关键，所以将直孔磨削关键点和参数一并加以说明：经过多次试验摸索出最佳磨削余量是0.05 mm，单边余量0.025 mm，磨削方式选震荡磨削，砂轮线速度设置为10 m/s（转速约为61 600 r/min），零件转速为200 r/min，磨削进给速度设置为0.2 mm/min，走刀磨时的进给量为0.002 mm，光磨次数推荐为10次。

另外需要关注的一点是，磨削时，磨削面需得到充分冷却，建议使用主轴内喷和外喷相结合的方式进行磨削液喷淋冷却，这样有利于表面粗糙度的提高。

通过以上参数的优化设计，阀座锥面尺寸、粗糙度、形位公差都能满足要求，且加工尺寸非常稳定，具体尺寸如表2所示。通过对过程能力指数进行计算，角度、粗糙度、跳动、圆度、直线度CPK值均达到1.7以上，质量稳定，满足客户要求。