圍繞解決航空閥體中一處密封閥孔的孔底端面高精度加工難題，開展自主研究，采用可調(diào)壓/穩(wěn)壓、帶精密導(dǎo)向的副、球面配合，傳動(dòng)定位誤差補(bǔ)償?shù)臋C(jī)動(dòng)研磨端面裝置（ZL201820823098.4）工藝新技術(shù)，成功解決了深孔孔底端面高精度要求的平面度、表面粗糙度、基于導(dǎo)向孔軸線的垂直度等工藝技術(shù)難題，拓展了深孔孔底端面的高精度加工工藝，具有夾具實(shí)用性強(qiáng)、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。
1 序言
某伺服閥類產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一處特殊結(jié)構(gòu)，在閥體零件的一處φ15H7深94mm孔內(nèi)裝有活門零件，活門外徑與閥孔內(nèi)徑之間為滑閥耦合密封（見圖1）。當(dāng)活門零件受力運(yùn)動(dòng)處在不同位置時(shí)實(shí)現(xiàn)油路切換[1]。常閉時(shí)，該閥孔的底端平面也同為密封面，其平面度、表面粗糙度，以及與孔軸線的垂直度等精度等級(jí)高達(dá)IT7級(jí)及以上，其底面結(jié)構(gòu)及特性值如圖2所示。
a）開啟時(shí)B和C孔相通活門位置
b）常閉時(shí)A和B孔相通活門位置
圖1 滑閥耦合密封示意
圖2 閥孔底端面及閥孔結(jié)構(gòu)示意
本技術(shù)成果若成功實(shí)施，必須依據(jù)平面研磨原理，研制出一種帶精密導(dǎo)向、低壓作用力且穩(wěn)定可控的深孔孔底端面研磨裝置，實(shí)現(xiàn)孔底端面精密加工。由于國(guó)外航空技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖，難以獲取相關(guān)的研磨技術(shù)，而現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)孔底端平面的研磨，一般采用磁性磨料磁力研磨技術(shù)[2]，對(duì)復(fù)雜曲面的光整加工有優(yōu)勢(shì)，表面粗糙度值下降且效率較高，但改變或提升被研磨平面的平面度等幾何精度的能力較差，因此通用性較差?，F(xiàn)有技術(shù)中也有采用具有端平面的研磨棒對(duì)孔底端平面進(jìn)行研磨的方式，如：在CN201361804Y專利文件中公開了一種數(shù)控鏜銑床用深孔孔底研磨工具，但是這種研磨組件未能兼顧被研磨端面與基準(zhǔn)孔軸線的垂直度要求，而且在實(shí)際操作過程中，對(duì)不同孔深的孔底端平面進(jìn)行研磨時(shí)，需要將開口銷拔出，再將研磨棒與傳動(dòng)桿分離，才能更換對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的研磨棒。同時(shí)，加工深孔和開槽的結(jié)構(gòu)比較麻煩，在實(shí)際制造過程中效率較低，且安裝不便[3]。
本技術(shù)成果自主研制的研磨組件（專利號(hào)ZL201820823098.4），不僅可兼顧孔底端面的平面度、表面粗糙度及相對(duì)基準(zhǔn)孔軸線的垂直度等質(zhì)量要求，而且針對(duì)不同孔深的平面研磨時(shí)，能夠直接停機(jī)，將對(duì)應(yīng)的研磨棒取下更換，操作比較方便，可進(jìn)一步提高研磨效率。
現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)已全部解決，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不僅達(dá)到了設(shè)計(jì)質(zhì)量要求，而且達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。該技術(shù)成果已成功推廣應(yīng)用到多種國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)配套的伺服閥產(chǎn)品閥體零件生產(chǎn)中，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
2 研究思路
2.1 工藝難點(diǎn)分析
對(duì)深孔加工而言，平底加工是傳統(tǒng)加工難點(diǎn)。尤其是本項(xiàng)目中的閥孔，孔深與孔徑比超過6∶1，屬于深孔加工。因?yàn)榈毒邉傂圆睿竦?、讓刀?yán)重，傳統(tǒng)車、鏜工藝方法對(duì)于高精度深孔孔底表面粗糙度、平面度及與基準(zhǔn)孔的垂直度很難同時(shí)保證。而現(xiàn)有的研磨拋光技術(shù)也未能兼顧本項(xiàng)目的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，故需開展孔底端面研磨等技術(shù)研究。
此外，本項(xiàng)目中關(guān)鍵特性，孔底端面平面度0.01mm及孔底端面與活門配合孔軸線的垂直度0.03mm可以用三坐標(biāo)直接檢測(cè)，但孔底端面表面粗糙度值Ra=0.1μm，由于孔較深，表面粗糙度儀無(wú)法進(jìn)行直接檢測(cè)，需要尋求可靠的間接測(cè)量方法。
2.2 總體思路
1）φ15H7孔與活門微間隙配合，充分利用精密耦合副加工技術(shù)，研制出精密導(dǎo)柱導(dǎo)套工裝，滿足高精度垂直度等要求，再借鑒現(xiàn)有技術(shù)及平面研磨原理和經(jīng)驗(yàn)，研制可調(diào)壓/穩(wěn)壓作用力，且采用球鉸連接和無(wú)極誤差等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]，實(shí)現(xiàn)孔底端面精密加工。
2）研磨屬于精加工工藝，適用于小微加工余量的加工，且研磨工具的自損嚴(yán)重，為提升生產(chǎn)效率，需開發(fā)研磨前孔底加工新工藝方法。
3）針對(duì)孔底表面的表面粗糙度值Ra=0.1μm測(cè)量困難問題，采取首件剖切檢測(cè)的方法解決。
因此，本項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于研發(fā)的研磨工裝工藝裝備，必須同時(shí)滿足保證表面粗糙度、平面度和垂直度要求，且滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率的要求。
2.3 技術(shù)方案
（1）研制研磨裝置臺(tái) 自主研制新型機(jī)動(dòng)孔底端面研磨裝置，為實(shí)現(xiàn)孔底端面高質(zhì)量高效率的研磨加工、達(dá)到產(chǎn)品的最終要求，最重要的就是孔底端面研磨。研磨裝置必須兼顧孔底端面的平面度、表面粗糙度，以及相對(duì)基準(zhǔn)孔軸線的垂直度要求，利用高精度配合孔作為導(dǎo)向，為保證該質(zhì)量要求，項(xiàng)目組自主研制了研磨裝置（研磨組件ZL201820823098.4）。
孔底端平面的研磨加工，不僅要獲得較小的表面粗糙度值，更重要的是想得到較高的平面精度[5]，平面度誤差值越小越好，且需降低（傳統(tǒng)）研磨作業(yè)過程中對(duì)高技能操作人員的依賴，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提升研磨效率。
（2）研磨裝置的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)制造的研磨裝置為機(jī)動(dòng)的孔底端面研磨裝置（見圖3），即借助可無(wú)級(jí)調(diào)速、可限定刀具高度（諸如坐標(biāo)鏜床等設(shè)備）提供可靠的動(dòng)力。該研磨裝置由調(diào)壓/穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)、球頭副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向副及研磨棒4部分組成。調(diào)壓/穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)，可控的彈簧壓縮量實(shí)現(xiàn)研磨面作用力的穩(wěn)定。球頭副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，方便離合操作，球頭的作用為被研磨端面安裝時(shí)與主軸軸線有垂直度誤差時(shí)可找正補(bǔ)償，確保研磨棒作用端面與被研磨端面兩者貼合可靠，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)為銷桿的外圓面要低于球頭的球心。導(dǎo)向副，適用于深孔孔底研磨時(shí)的導(dǎo)向，確保被研磨端面與基準(zhǔn)孔的垂直度要求。若設(shè)計(jì)淺孔孔底端面研磨裝置時(shí)，可不設(shè)計(jì)導(dǎo)向，直接由球頭自動(dòng)找正，使研磨棒作用端面與被研磨端面貼合。研磨棒，自身的制造精度要求較高，如研磨作用端面的平面度及研磨作用端面相對(duì)旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸線的垂直度均要求達(dá)到微米級(jí)別，同時(shí)研磨棒作用端面的紋脈尺寸對(duì)研磨質(zhì)量和效率影響也很大。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證獲得的“井”字槽（槽寬0.25mm，深0.5～1mm、間距1mm并均布）的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在研磨φ15H7深94mm的孔底端面作業(yè)時(shí)，質(zhì)量、效率提升方面的效果較好（見圖4、圖5）。
圖3 研磨裝置結(jié)構(gòu)
圖4 研磨棒端面紋脈
圖5 研磨效果對(duì)比結(jié)果
該裝置的制作要求也非常高。在工藝施工時(shí)，配合間隙要求0.004～0.006mm的耦合件，需要珩磨/研磨加工內(nèi)孔、無(wú)心磨/外圓磨加工外圓精配間隙，滿足定位和導(dǎo)向功能。配合間隙要求0.03mm的組合件，采取鉸孔/車等加工工藝，滿足裝配要求即可（見圖6）。
圖6 工裝實(shí)物
工裝實(shí)操步驟如下所述。
1）依據(jù)彈簧彈力確定彈簧壓縮量（見圖7），在導(dǎo)桿外圓面上作標(biāo)記線（紅色記號(hào)筆即可），并預(yù)緊頂絲固定。
圖7 彈簧壓縮量
2）機(jī)床夾頭夾持住調(diào)壓/穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)，如圖8所示。
圖8 工裝試驗(yàn)
3）將零件正確放置或通過夾具固定，使其滿足被研磨平面處于水平狀態(tài)。
4）調(diào)整機(jī)床或零件，使導(dǎo)桿的凹球面與研磨棒的凸球面貼合，并通過擰松頂絲查看，確認(rèn)安裝是否到位。
5）在研磨棒的研磨作用端面上涂抹均勻厚度的研磨膏，并將研磨棒放入相應(yīng)的孔內(nèi)，手動(dòng)確認(rèn)安裝到位即可。
6）將銷桿插入研磨棒的球頭對(duì)應(yīng)的孔里，使銷桿兩端露出的長(zhǎng)度大致相等，手動(dòng)確認(rèn)連接可靠。
7）設(shè)定機(jī)床參數(shù)，開動(dòng)機(jī)床進(jìn)行研磨作業(yè)，直至研磨單次持續(xù)時(shí)間后停機(jī)。
進(jìn)入下一個(gè)操作循環(huán)，直至被研磨端面的質(zhì)量合格。需要注意的是，每一次研磨循環(huán)后取出研磨棒時(shí)應(yīng)用水砂紙清理周邊毛刺。
該裝置滿足連續(xù)、穩(wěn)定研磨作業(yè)的生產(chǎn)需求，不僅使研磨面的質(zhì)量能夠滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量要求，而且使研磨效率較傳統(tǒng)手動(dòng)研磨提高5倍以上，尤其對(duì)操作人員的技能水平要求大大降低，不需要指定鉗工技師及以上技能水平的人員來(lái)操作（會(huì)操作設(shè)備即可），大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
圖9為研磨試驗(yàn)，通過多次試驗(yàn)獲得經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。φ15mm研磨面經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)1：主軸轉(zhuǎn)速60r/min，彈簧彈力4.6N·mm，涂裝W5研磨膏膜厚約0.2mm、研磨持續(xù)時(shí)間15s/次。φ15mm研磨面經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)2：主軸轉(zhuǎn)速60r/min，彈簧彈力4.6N·mm，涂裝M5研磨膏膜厚約0.4mm、研磨持續(xù)時(shí)間2.5s/次。需要注意的是，不論哪種方式，若超時(shí)過多均存在研磨劃傷的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)做到及時(shí)更換涂研磨膏進(jìn)行周期循環(huán)作業(yè)，直至零件合格。
a）試件展示
b）試驗(yàn)操作
圖9 研磨試驗(yàn)
使用該工裝并利用上述摸索參數(shù)及設(shè)備，首先在樣件上進(jìn)行加工，測(cè)量數(shù)據(jù)合格，摸索出加工經(jīng)驗(yàn)后對(duì)零件進(jìn)行加工，并剖切零件。首件測(cè)量數(shù)據(jù)符合質(zhì)量要求后批產(chǎn)加工。實(shí)操過程及測(cè)試記錄如圖10～圖12所示。
圖10 研磨樣件
圖11 研磨零件
圖12 零件測(cè)量結(jié)果
本技術(shù)成果主項(xiàng)目零件主要技術(shù)指標(biāo)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的檢測(cè)對(duì)比結(jié)果見表1。
表1 主項(xiàng)目零件主要技術(shù)指標(biāo)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比
經(jīng)測(cè)試，本成果各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全部滿足設(shè)計(jì)要求。安裝到產(chǎn)品后，工作可靠，性能穩(wěn)定。
3 結(jié)束語(yǔ)
該技術(shù)成功解決了深孔孔底端面高精度要求的平面度、表面粗糙度及基于導(dǎo)向孔軸線的垂直度等工藝技術(shù)難題，且生產(chǎn)過程高效及質(zhì)量穩(wěn)定一致，保證了國(guó)家某重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)配套伺服閥產(chǎn)品的順利交付。
本技術(shù)的研磨組件，其穩(wěn)壓/調(diào)壓裝置部位通用性強(qiáng)，不僅可調(diào)節(jié)研磨作用力大小，而且適配于球面?zhèn)鲃?dòng)連接的研磨棒或拋光桿結(jié)構(gòu)；其精密導(dǎo)套/導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造中使用性強(qiáng)，已被推廣到機(jī)動(dòng)拋光裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。該研磨組件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)突出，在孔底端面研磨和孔底端面凸起R型面密封結(jié)構(gòu)的拋光作業(yè)中應(yīng)用的前景廣闊。
