01
序言
液壓系統(tǒng)具有傳遞功率大、系統(tǒng)布局靈活及控制方便等優(yōu)點，廣泛應用于各類機械工程的各個領域。液壓系統(tǒng)中，使用各類閥鎖元件來控制液壓油的壓力、流量和方向等。閥鎖元件中，大多是利用閥套和閥芯的配合，來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種控制功能。閥套和閥芯之間的配合間隙必須保持在合理的范圍之內(nèi)，既能保證閥芯動作靈活，還要保證閥套與閥芯之間的密封性能，不至于使液壓油在壓力的作用下發(fā)生泄漏。在實際加工中，對閥套和閥芯的加工精度提出了較高要求。對于閥芯來說，由于其外圓為開放式加工，加工精度相對容易保證，而閥套和閥體的內(nèi)孔加工處于半封閉狀態(tài)，采取通常的加工手段不易得到較高的加工精度。
圖1、圖2分別為典型閥套類、閥塊類零件，在產(chǎn)品液壓系統(tǒng)中廣泛應用，這類零件的主要結(jié)構(gòu)為高精度內(nèi)孔，其工作原理就是利用閥芯與這些內(nèi)孔精密配合，既能在多個工作位置之間靈活滑動，利用滑閥機能完成各項功能的轉(zhuǎn)換；又能保證各個位置之間的相對密封性，不至于發(fā)生泄漏，以保持系統(tǒng)工作壓力的穩(wěn)定。這類零件的內(nèi)孔應具有足夠的尺寸精度及低的表面粗糙度值，使其在系統(tǒng)的運行中保持良好的性能。
圖1 典型閥套類零件
圖2 典型閥塊類零件
02
加工現(xiàn)狀及存在的問題
實際生產(chǎn)中，此類高精度內(nèi)孔通常采取車削或鏜削等機械加工手段，留余量后，再由人工研磨來保證其尺寸精度和表面粗糙度要求[1]。研磨是利用專用的研棒，配合調(diào)和好的研磨劑，對零件內(nèi)孔進行精密加工的一種方法，其加工原理如圖3所示，這種加工工藝基本是由手工操作完成，要求操作人員具有較高的技能水平。盡管使用研磨工藝可以實現(xiàn)內(nèi)孔的精密加工，但在實際生產(chǎn)中，仍存在以下兩方面問題。
圖3 研磨原理
1）對操作人員的技能水平依賴性強，加工質(zhì)量的重復性和一致性較差，在操作過程中易出現(xiàn)孔口直徑變大超差的現(xiàn)象，俗稱“喇叭口”。研磨誤差產(chǎn)生的原因如圖4所示。
圖4 研磨誤差產(chǎn)生的原因
2）因為研磨加工主要以手工完成，所以其加工效率較低。
由于存在以上問題，研磨工藝多用于單件或小批量加工。而在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到較大批量的高精度內(nèi)孔加工，使用研磨工藝就有些力不從心。
較差的質(zhì)量一致性將導致返修率和廢品率增加，再加上較低的加工效率，這些不利因素直接導致零件加工成本大幅上升。針對批量較大高精度內(nèi)孔的加工，需采取加工質(zhì)量穩(wěn)定、加工效率高的加工手段。
03
珩磨加工技術特點
珩磨是另一種高精度內(nèi)孔的加工方法，屬于特殊的磨削光整加工。使用專用的珩磨機床驅(qū)動珩磨頭來進行內(nèi)孔加工，具有很高的加工效率，在大批量零件的加工中，能大幅降低加工成本[2]。珩磨是一種用于高精度內(nèi)孔的精整加工方法，其使用的 加工工具稱為珩磨頭，珩磨頭結(jié)構(gòu)如圖5所示，主體為圓柱形，在其圓周面上軸向分布著多條油石砂條。珩磨頭內(nèi)部裝有脹開機構(gòu)，加工過程中，在彈簧力或液壓力的作用下，可以驅(qū)動砂條沿徑向伸出，與被加工內(nèi)孔的孔壁以一定的壓力接觸，在驅(qū)動力作用下進行磨削加工。珩磨的加工過程是利用珩磨機床主軸驅(qū)動珩磨頭進行旋轉(zhuǎn)，同時帶動珩磨頭沿軸向作往復運動，對工件內(nèi)孔進行加工。
圖5 珩磨頭結(jié)構(gòu)
珩磨加工不同于其他的磨削加工，其具有一些獨特的特點。珩磨通常采取的是一種浮動加工方式，珩磨頭與機床主軸之間為浮動聯(lián)接，加工過程中珩磨頭可以利用被加工內(nèi)孔的孔壁作為導向，對于被加工內(nèi)孔與主軸的微量徑向誤差和軸向傾斜誤差，具有一定的補償作用，使工件的加工精度基本不受機床精度的影響。在某些加工狀態(tài)下，也可以采取珩磨頭與主軸固定聯(lián)接，而工件利用浮動夾具安裝的加工方式。
珩磨加工的另一特點是其被加工表面具有創(chuàng)制形成的特點。珩磨過程中，珩磨頭旋轉(zhuǎn)并作往復運動，在被加工表面形成互相交叉螺旋的網(wǎng)形紋路（見圖6）。在設備系統(tǒng)的控制下，珩磨頭在每分鐘的往復運動次數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)之比不是整數(shù)，使被加工表面的加工網(wǎng)紋在每兩次往復運動之間都不重復，避免出現(xiàn)被加工表面上某些部位重復加工，而另一些部位加工不足的現(xiàn)象。這種不重復的加工軌跡，可以使被加工表面與油石砂條的切削面不斷產(chǎn)生新的高點并被磨去，油石砂條和被加工表面的接觸面積不斷增加，使被加工內(nèi)孔的圓度和圓柱度等精度不斷提高，直至達到要求。
圖6 珩磨被加工表面網(wǎng)形紋路
因為珩磨加工具有以上特點，所以利用珩磨加工工藝能使被加工內(nèi)孔得到較高的尺寸精度、形狀精度及表面質(zhì)量。采用合理的加工參數(shù)，珩磨加工能達到的尺寸精度為0.01mm，圓度、圓柱度可達0.005mm。選用合適的油石砂條，表面粗糙度值Ra可控制在0.04～0.4μm。同時，珩磨還具有較大的加工范圍，根據(jù)所用設備規(guī)格不同，可以加工直徑為5～500mm的內(nèi)孔。
04
以珩代研工藝
珩磨具有較高的加工精度，由于其屬于大面積多刃切削加工，所以還具有較高的加工效率。在實際生產(chǎn)中，對于大批量的高精度內(nèi)孔加工，可以考慮使用珩磨來代替人工研磨，在保證加工質(zhì)量穩(wěn)定的同時，提高加工效率，達到降低加工成本的目的。
4.1 工藝參數(shù)選擇
高精度內(nèi)孔的珩磨加工應從油石砂條的選擇和珩磨用量的選用兩方面考慮[3]。
1）珩磨加工本質(zhì)上還是屬于磨削加工，珩磨頭是其實現(xiàn)磨削加工的主要工具，而珩磨頭上安裝的油石砂條，就相當于刀片，在加工過程中起到主要的去除材料的作用。正確地選用油石砂條，是保證加工質(zhì)量和效率的前提。
油石砂條由磨料和黏結(jié)劑構(gòu)成，其中主要起切削作用的是磨料，磨料的粒度直接關系著被加工表面的表面粗糙度和加工效率，而磨料的種類則決定珩磨所能加工的材料。珩磨用油石砂條常用的磨料有白剛玉、棕剛玉、黑色碳化硅、綠色碳化硅、立方氮化硼及人造金剛石等。其中立方氮化硼磨料具有硬度高、熱穩(wěn)定性好的特點，且其與黑色金屬之間具有較好的化學穩(wěn)定性，切削時具有優(yōu)良的自銳性。因為閥套、閥體大多為合金鋼材料，所以立方氮化硼磨料的油石砂條成為首選。對于一些有色金屬材料的閥體內(nèi)孔，可以采用黑色碳化硅（用于粗珩）和綠色碳化硅（用于精珩）磨料的油石砂條進行珩磨加工。
磨料粒度一般根據(jù)被加工表面的表面粗糙度來選擇，同時應考慮加工效率。在保證加工表面質(zhì)量的前提下，盡量選用較粗的磨料粒度。實際生產(chǎn)中，一般粗珩選用120#左右的磨料粒度；精珩選用W28～W40的磨料粒度。
2）珩磨用量主要包含切削速度、油石砂條工作壓力和珩磨前加工余量等。
因為珩磨的切削運動包含珩磨頭的旋轉(zhuǎn)和往復運動兩部分，所以其切削速度為珩磨頭旋轉(zhuǎn)的圓周速度和往復運動速度的合成速度（見圖7）。在一次往復運動中，同一磨粒的加工軌跡是兩條成一定角度交叉的螺旋線，兩條線之間的夾角稱為切削交叉角。珩磨的切削速度由珩磨頭圓周速度、往復速度及交叉角3個參數(shù)有機地統(tǒng)一起來，共同影響著珩磨的加工質(zhì)量和效率。應根據(jù)加工零件的材料及精度要求來合理選用切削速度。在珩磨頭轉(zhuǎn)速一定的情況下，粗珩時適當增大往復速度，增大交叉角，以獲得較高的效率；精珩時，降低往復速度，減小交叉角，以獲得較低的表面粗糙度值。實際生產(chǎn)中，粗珩時珩磨頭圓周速度取20m/min左右，往復速度取20m/min左右，交叉角45°左右；精珩時珩磨頭圓周速度取26m/min，往復速度取10m/min，交叉角25°左右。
圖7 珩磨切削速度合成
3）油石砂條的工作壓力是作用在砂條單位面積上的平均壓力，主要影響金屬去除率、砂條的磨損量，對加工精度也有一定的影響。由于工作壓力加大，金屬去除量增加，同時砂條的磨損量也增加，但是工作壓力超過一定限度時，砂條的磨損將急劇增大，頻繁地更換砂條將會影響加工精度和效率，造成加工成本大幅增加，因此砂條的工作壓力應保持在一定范圍。根據(jù)所加工工件、設備的實際情況，一般粗珩時，工作壓力在0.8～2MPa；精珩時，工作壓力在0.5MPa左右。
4）對珩磨的加工質(zhì)量和效率影響較大的另一因素是被加工表面珩磨前的余量。珩磨的余量應合理，能夠保證珩磨加工完全去除前道工序遺留的加工誤差和缺陷，保證加工精度和表面質(zhì)量。珩磨余量也不能太大，太大的珩磨余量不但影響加工效率，還會使砂條損耗增加，導致加工成本上升。一般對于大批量的高精度內(nèi)孔珩磨，珩磨余量控制在0.05～0.1mm。
4.2 珩磨工藝措施
因為大多數(shù)閥套、閥塊高精度內(nèi)孔的長度均＜500mm，所以采取立式珩磨方式加工。對于大批量高精度內(nèi)孔的珩磨，需要考慮不同形狀零件的裝夾和定位，這對于減少加工輔助時間、提高加工效率尤為重要。實際生產(chǎn)中，根據(jù)所加工零件的尺寸和形狀，采取的裝夾工藝分為3種[4]。
1）對于小型閥套類零件，采取零件浮動裝夾（見圖8）方式，利用浮動工裝進行裝夾定位，珩磨頭與機床主軸為固定聯(lián)接。浮動工裝主要部分為兩個嵌套的圓環(huán)，沿圓環(huán)中心線設計有轉(zhuǎn)軸，外圓環(huán)轉(zhuǎn)軸安裝在工裝基座，內(nèi)圓環(huán)轉(zhuǎn)軸與外圓環(huán)轉(zhuǎn)軸成90°，安裝在外圓環(huán)的內(nèi)圈。被加工零件固定在內(nèi)圓環(huán)內(nèi)，利用內(nèi)、外圓環(huán)的轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)浮動裝夾，使珩磨頭沿著被加工內(nèi)孔孔壁導向。受工裝結(jié)構(gòu)限制，這種裝夾方式適用于較小的圓柱形零件。
圖8 閥套浮動裝夾
2）對于直徑較大的圓柱形零件，則適宜采取自定心卡盤進行裝夾。將自定心卡盤中心與機床主軸找正后，固定在機床工作臺上。珩磨時，利用自定心卡盤的自定心作用將零件定位并夾緊。
3）對于方形閥塊的高精度內(nèi)孔珩磨，采取精密平口鉗裝夾方案。利用精密平口鉗和定位附件，先將閥塊在平口鉗上預定位并夾緊（見圖9），然后將平口鉗安裝在機床工作臺上，找正待加工內(nèi)孔與主軸的中心后，將平口鉗位置固定。
圖9 閥塊零件預定位
如果上述幾種裝夾方式，其裝夾工裝采用具備零點定位的快換系統(tǒng)，將大幅降低更換零件的輔助時間，提高加工效率。同時，具備零點定位快換系統(tǒng)的裝夾方式，可以增加珩磨工藝的柔性，為其并入智能制造生產(chǎn)線提供便利條件。
4.3 以珩代研取得的效果
經(jīng)過對珩磨工藝參數(shù)和裝夾方式等的合理選擇及優(yōu)化，通過對樣件的試加工，取得了較滿意的效果。樣件圓度和圓柱度均保持在0.005mm之內(nèi)，表面粗糙度也取得了較好效果，達到或超過了設計要求。圖10所示為樣件內(nèi)孔珩磨后粗糙度儀檢測結(jié)果，證明以珩代研方案的可行性。
a）使用粗糙度儀測量
b）測量結(jié)果
圖10 珩磨樣件內(nèi)孔表面粗糙度值實測
05
結(jié)束語
以珩代研高精度內(nèi)孔加工方案，是機械加工代替人工操作的典型應用。通過對珩磨工藝參數(shù)和裝夾方式的優(yōu)化選擇，在高精度內(nèi)孔加工方面取得了較好效果。一方面，在保證加工質(zhì)量的同時，加工效率提高10倍左右；另一方面，降低了類似精密加工對操作人員技能的依賴程度，減輕了操作人員的勞動強度。如果采取零點定位快換系統(tǒng)，并增加傳感系統(tǒng)，還可以將高精度內(nèi)孔珩磨并入智能制造生產(chǎn)線，從而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。
