電動(dòng)氣閥副閥體環(huán)形槽的加工

1序言作為姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作的重要組成部分，電動(dòng)氣閥以電磁鐵為驅(qū)動(dòng)元件，直接或間接地驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)液體或氣體的接通、關(guān)斷。副閥體是電動(dòng)氣閥控制氣路部分線圈組件的主體結(jié)構(gòu)件，是為電磁閥提供可靠密封、靈活運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵零件，其尺寸及幾何精度要求高，材料特殊，工藝性復(fù)雜，特別是軸向環(huán)形槽的加工難度很大。副閥體加工質(zhì)量的好壞直接影響著電動(dòng)氣閥的性能。本文將對(duì)兩種不同的加工方法進(jìn)行對(duì)比，選取最優(yōu)方法，從而實(shí)現(xiàn)副閥體的高質(zhì)量、高效率加工。2副閥體環(huán)形槽結(jié)構(gòu)圖1為電動(dòng)氣閥副閥體結(jié)構(gòu)，其外形為典型的軸盤結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有環(huán)形槽和活門座。環(huán)形槽外徑為5.7mm，內(nèi)徑為3.5mm，深度9.4mm。此種結(jié)構(gòu)環(huán)形槽有明顯的加工難點(diǎn)，即槽窄小，槽寬僅1.1mm，深度較深，在加工環(huán)形槽時(shí)還需考慮不能傷到活門座部位。圖1電動(dòng)氣閥副閥體結(jié)構(gòu)3副閥體環(huán)形槽加工難點(diǎn)分析在副閥體環(huán)形槽端口有一活門座，選擇加工方法時(shí)，既要保證尺寸合格，也要保證加工過(guò)程中不損傷活門座，其加工難點(diǎn)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(yīng)強(qiáng)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(zhì)中具有高的耐蝕性，適用于無(wú)保護(hù)層工作的各種電磁鐵的磁導(dǎo)體、風(fēng)動(dòng)閥和液壓閥磁導(dǎo)體，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各類閥體的常用材料之一。耐蝕軟磁合金材料相對(duì)較軟，內(nèi)部存在著有序結(jié)構(gòu)，冷加工時(shí)容易脆裂，同時(shí)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(shí)，在轉(zhuǎn)速較低的情況下易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，導(dǎo)致零件表面粗糙。在刀具及加工參數(shù)不合理的情況下，零件薄壁處易出現(xiàn)裂紋。（2）環(huán)形槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)形槽深度為9.4mm，從端面到槽底的深度為36mm，要求冷加工時(shí)刀具的刀桿足夠長(zhǎng)。長(zhǎng)的刀桿會(huì)造成加工時(shí)刀尖的擺動(dòng)量變大，振動(dòng)量級(jí)變大。環(huán)形槽槽寬只有1.1mm，中心為f1.8mm的通孔，端面還存在起密封作用的活門座。在冷加工時(shí)，刀具的設(shè)計(jì)，加工參數(shù)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(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)環(huán)形槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇兩種不同的加工方法即電火花加工和機(jī)械加工進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比，得出合理的加工參數(shù)及合適的加工方法。4電火花加工電火花加工工藝是環(huán)形槽結(jié)構(gòu)加工的常用方法，與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在加工過(guò)程中無(wú)機(jī)械力，可加工剛性較差的薄壁、深孔及復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)腔。②加工時(shí)采用電極及工件間隙放電方式進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)任何高硬度的導(dǎo)電材料產(chǎn)品加工。③無(wú)復(fù)雜的切削運(yùn)動(dòng)，可加工形狀復(fù)雜零件，易于提高自動(dòng)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(fù)合材料和金剛石等，選擇電極材料時(shí)，應(yīng)考慮電極的可制造性及加工成本。在普通應(yīng)用場(chǎng)合，宜選用廉價(jià)的純銅材料；在環(huán)形槽寬度較小時(shí)，環(huán)形電極壁厚δ≤0.5mm，宜采用不變形的石墨材料；對(duì)于精度要求高的產(chǎn)品，可采用抗損耗能力強(qiáng)的銅鎢或銀鎢合金電極材料。因電動(dòng)氣閥副閥體產(chǎn)品符合一般使用條件，所以電極采用純銅材料（T2）。（2）電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)形槽加工分為粗加工和精加工，兩道工序所用電極結(jié)構(gòu)相同，均由夾持部位、排氣孔和加工面3部分組成。電極結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖2所示，其中設(shè)置排氣孔的主要目的是防止拉弧等放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，排氣孔直徑一般為1～2mm。電極內(nèi)外加工面均勻放縮（δ1=δ2），且放縮量與理論環(huán)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(huán)形電極加工面部分（f內(nèi)、f外）的加工精度應(yīng)控制在±0.01mm。a）結(jié)構(gòu)b）尺寸c）實(shí)物圖2電極結(jié)構(gòu)及實(shí)物（3）加工方式環(huán)形槽粗加工采用無(wú)搖動(dòng)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(dòng)進(jìn)入的加工方式，微小抬刀。（4）加工設(shè)備在AM45Ls電火花放電加工設(shè)備上進(jìn)行加工，產(chǎn)品實(shí)物如圖3所示。圖3電火花加工產(chǎn)品實(shí)物（5）電火花加工存在的問(wèn)題①加工效率低，單件閥體電火花加工時(shí)間為2.5～3.0h。②電加工后閥體密封部位如圖4所示，環(huán)形槽端面密封唇出現(xiàn)損傷。此缺陷產(chǎn)生的機(jī)理為電火花加工過(guò)程中，在加工區(qū)產(chǎn)生大量的蝕除物，其中部分蝕除物在電極進(jìn)入過(guò)程中沿f3.5mm圓柱面經(jīng)密封唇部位向槽外運(yùn)動(dòng)，受到密封唇的阻擋而逐漸形成聚集，當(dāng)聚集到一定程度后，部分聚集物與電極接觸發(fā)生放電，經(jīng)聚集物傳遞后，電加工蝕除物結(jié)合到基體上或在基體表面形成放電坑點(diǎn)。③電極損耗導(dǎo)致部分產(chǎn)品底部斷面凸起，形貌如圖5所示。此問(wèn)題是由于電極在放電過(guò)程中損耗導(dǎo)致電極與產(chǎn)品放電不均勻所致。環(huán)形槽為彈簧安裝配合部位，底部斷面凸起會(huì)導(dǎo)致彈簧偏斜，影響其彈力的有效值，從而影響閥芯的靈活運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)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(huán)形槽底部斷面凸起形貌為解決電火花加工過(guò)程中存在的問(wèn)題，考慮采用機(jī)械加工方法完成此類結(jié)構(gòu)的加工。5機(jī)械加工采用機(jī)械加工方法加工副閥體深窄環(huán)形槽的主要難點(diǎn)在于刀具的合理設(shè)計(jì)，并制定合理的加工工藝參數(shù)。5.1

專用環(huán)形槽車刀的設(shè)計(jì)

對(duì)于環(huán)形槽加工，設(shè)計(jì)冷加工刀具時(shí)必須考慮刀具的剛度、強(qiáng)度及耐磨性。對(duì)于常規(guī)的懸臂式刀桿車削加工方法，由于受槽寬的限制，其刀桿結(jié)構(gòu)偏小，刀尖剛度低，易振動(dòng)，易斷刀，導(dǎo)致產(chǎn)品表面粗糙度和精度達(dá)不到要求，且報(bào)廢率較高。為解決環(huán)形槽機(jī)械加工的問(wèn)題，需設(shè)計(jì)一種特殊的專用刀具。專用刀具的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面。

（1）原材料的選擇專用刀具選擇整體硬質(zhì)合金材料。整體硬質(zhì)合金材料具有高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量、較小的熱膨脹系數(shù)、良好的耐磨性和較長(zhǎng)的使用壽命，已成為新技術(shù)領(lǐng)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(zhì)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(duì)硬質(zhì)合金刀具表面進(jìn)行涂層處理，選用金剛石涂層，它是sp3雜化的碳-碳共價(jià)鍵的原子晶體，具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特性。涂層后的硬質(zhì)合金刀具具有比基體更高的硬度和耐磨性，壽命也比無(wú)涂層的硬質(zhì)合金刀具提高了1～3倍。同時(shí)，切削速度、進(jìn)給量及切削深度也可以相應(yīng)地提高，從而提高加工效率，改善表面加工質(zhì)量。

（3）專用刀具尺寸參數(shù)專用刀具如圖６所示，刀具總長(zhǎng)70mm，其刃部寬度為（1.175±0.02）mm，長(zhǎng)度約10mm，刀具圓角R0.2mm，刃部?jī)啥酥睆椒謩e為5.75mm、3.4mm。在加工時(shí)，專用刀具的刀桿需安裝專用刀柄與機(jī)床進(jìn)行裝夾。a）實(shí)物b）加工示意圖6專用刀具5.2加工方案的確定根據(jù)環(huán)形槽及硬質(zhì)合金專用刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)環(huán)形槽加工設(shè)備、進(jìn)給方式、加工參數(shù)和切削液進(jìn)行選擇如下。（1）設(shè)備的選擇選擇數(shù)控車床進(jìn)行加工。數(shù)控車床必須具備較高的精度以及良好的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)選擇精密數(shù)控車床R51來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)形槽的加工。（2）進(jìn)給方式由于環(huán)形槽結(jié)構(gòu)窄而深，傳統(tǒng)成形刀具很難完成加工，容易產(chǎn)生斷刀現(xiàn)象，所以使用專用刀具，采用“進(jìn)刀加工一定尺寸→退刀排切屑→再次進(jìn)給加工”的循環(huán)進(jìn)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(xiàn)象。（3）加工參數(shù)的選擇針對(duì)刀具刀頭結(jié)構(gòu)單薄、穩(wěn)定性較差，以及易出現(xiàn)刀具根部折斷的情況，通過(guò)試驗(yàn)，確定了具體的加工參數(shù)：開始進(jìn)給時(shí)，每刀切削深度0.05mm后退刀，排出碎小切屑，再次進(jìn)給切削0.05mm深后退刀，排出碎小切屑，不斷地循環(huán)，加工深度為4mm；再次加工時(shí)，改變進(jìn)給參數(shù)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(guò)程中轉(zhuǎn)速n均為2000r/min，進(jìn)給量f=0.005mm/r。（4）切削液的選擇專用刀具重復(fù)進(jìn)給加工的過(guò)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(jìn)給。因環(huán)形槽結(jié)構(gòu)的限制，切削液只能實(shí)現(xiàn)外表面的冷卻，故在刀具退出環(huán)形槽后，可通過(guò)在刀具前端不斷涂抹豬油的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的冷卻和潤(rùn)滑。5.3試驗(yàn)結(jié)果（1）加工時(shí)間和刀具壽命在設(shè)備、進(jìn)給方式、加工參數(shù)及切削液確定后，進(jìn)行了環(huán)形槽結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工，加工1件產(chǎn)品的時(shí)間為15～20min。經(jīng)對(duì)環(huán)形槽各相關(guān)尺寸測(cè)量，結(jié)果均合格，滿足圖樣要求。1把刀具可加工產(chǎn)品的數(shù)量為25件左右。（2）性能測(cè)試為驗(yàn)證機(jī)械加工后副閥體的性能，采用同樣的加工參數(shù)，加工了一小批副閥體。采用這批副閥體共裝配電動(dòng)氣閥產(chǎn)品19臺(tái)，經(jīng)行程檢查、電性能檢查，以及4.3MPa、2.7MPa氣密性檢查，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足要求。隨后抽取3臺(tái)進(jìn)行濕度、低溫、高溫、壽命及氣密試驗(yàn)，結(jié)果均滿足性能和使用要求。6兩種加工方法對(duì)比兩種加工方法均能完成環(huán)形槽的加工。電火花加工受零件結(jié)構(gòu)的限制相對(duì)小一些，只需要準(zhǔn)確選定工藝參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)環(huán)形槽的加工，但存在加工效率低、對(duì)零件已加工面污染大等缺點(diǎn)；機(jī)械加工可有效解決電火花加工存在的問(wèn)題，不僅能提高加工效率，還能提高環(huán)形槽表面質(zhì)量的一致性。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，相比于電火花加工，機(jī)械加工的效率提高了5倍。圖7為深窄環(huán)形槽表面質(zhì)量對(duì)比，可以看出，機(jī)械加工的表面質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于電火花加工，且更有利于保證活門座的表面質(zhì)量。a）電火花加工

b）機(jī)械加工圖7深窄環(huán)形槽表面質(zhì)量對(duì)比7結(jié)束語(yǔ)針對(duì)副閥體環(huán)形槽的特殊結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了電火花加工和機(jī)械加工方案研究，得出以下結(jié)論。1）通過(guò)設(shè)計(jì)合理的電