高精度錐面加工工藝方法研究

喬 麗

（中國航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司，貴州貴陽550009）

0 引言

本文以高壓共軌柴油燃油泵關(guān)重件閥座為例，對高精度錐面加工進(jìn)行研究。閥座質(zhì)量對高壓共軌燃油泵的性能有重大影響，因?yàn)殚y座需在500 MPa高壓下工作，要求密封性完好，無泄漏，所以對起密封作用的關(guān)鍵部位88°錐面的要求非常高。即給出的技術(shù)條件是角度公差±0.5°，錐面粗糙度要求為Ra0.3、圓度≤0.005 mm、直線度≤0.002 mm、跳動(dòng)≤0.008 mm，大批生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，為滿足大批量生產(chǎn)，并使錐孔精度滿足要求且質(zhì)量穩(wěn)定可靠，必須從加工方法、加工設(shè)備、刀具（砂輪）選擇及加工參數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 零件結(jié)構(gòu)簡介

零件材料：M50；熱處理硬度：HRC62～66；零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閥座結(jié)構(gòu)圖

2 錐面加工工藝難點(diǎn)分析

（1）此閥座錐面的主要加工難點(diǎn)在于88°錐面公差只有±0.5°，且錐面長度僅有1.3 mm，錐面較短，加工尺寸不穩(wěn)定；另外，粗糙度要求精度為Ra0.3。由于材料硬度較高，所以普通的車削加工難以保證角度公差及粗糙度要求。

（2）錐面與φ3.5+0.020孔的跳動(dòng)要小于0.008 mm，為保證跳動(dòng)要求，φ3.5+0.020孔必須和錐面一次加工而成，不能分工步加工。

（3）錐面圓度≤0.005 mm，錐面直線度≤0.002 mm，要求錐面的形狀要很好，不能有一絲缺陷及加工不起來的情況。

3 解決措施

3.1 加工路線的確定

因?yàn)榇肆慵F面精度要求高，所以必須分粗精加工，在熱處理前將零件形狀加工完，因熱處理后零件會(huì)產(chǎn)生變形，所以熱處理后留余量精加工零件，因零件屬回轉(zhuǎn)體，粗加工選擇數(shù)控車床進(jìn)行，但考慮到88°錐面精度要求，且熱處理后材料硬度會(huì)達(dá)到HRC62～66，所以在熱處理后選擇數(shù)控車床車錐面是滿足不了加工要求的，故首先考慮到的是選用內(nèi)圓磨床進(jìn)行錐面精加工，加工步驟：車零件外形—熱處理—精磨錐面與內(nèi)孔。

3.2 加工設(shè)備的選擇

車零件外形因?yàn)槭谴旨庸?，選用普通數(shù)控車床就可滿足要求，如需外形一次裝夾加工完成，可選用縱切機(jī)，推薦設(shè)備型號(hào)SPRINT-20，與普通設(shè)備相比，可將零件周邊徑向孔一并加工，提高加工效率。

精磨錐面與內(nèi)孔，因前期此零件在試制過程中使用了多種內(nèi)圓磨床進(jìn)行加工，根據(jù)加工數(shù)據(jù)對比，加工穩(wěn)定性較好的設(shè)備是瑞士磨床S145和CT450。這兩種設(shè)備的精度較高，從加工精度上講可以滿足加工要求。

3.3 裝夾方式

此零件磨內(nèi)孔與錐面裝夾時(shí)用大外圓（φ12），因?yàn)橐ＷC總長尺寸14.3±0.05 mm，所以選擇C端面定位。裝夾方式中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是三爪，三爪選用鏜過的軟爪，軟爪的跳動(dòng)保證在0.01 mm以內(nèi)，這樣才能保證錐面圓度不超差。

3.4 刀具的選擇

因錐面與A孔有跳動(dòng)要求，所以A孔必須與錐面同時(shí)加工，且A孔的加工質(zhì)量好壞也是直接影響跳動(dòng)合格與否的重要原因。刀具（砂輪）的選擇方面，精磨錐面和內(nèi)孔所選用的磨頭至關(guān)重要，此零件在加工前期，由于對磨頭沒有做過多的要求，所使用的磨頭結(jié)構(gòu)不合理。加工直孔的磨頭如圖2所示，其缺點(diǎn)是磨頭桿材質(zhì)為普通不銹鋼，磨頭細(xì)長，剛性差；錐面磨頭如圖3所示，其缺點(diǎn)是磨頭涂層材料選用的是普通金鋼砂，易磨損，磨頭桿是普通不銹鋼材質(zhì)，剛性差。由于以上兩個(gè)磨頭存在的問題，造成錐面和A孔加工后經(jīng)常出現(xiàn)溝痕，且尺寸不穩(wěn)定，無法滿足圖紙要求。

圖2 直孔用磨頭

圖3 錐面用磨頭

解決方法：對以上兩個(gè)磨頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。對直孔磨頭，將有效磨削面長度減少，從前期的2 cm更改為1 cm，結(jié)構(gòu)上將磨頭與磨桿直面連接更改為錐面連接，磨頭選用CBN涂層，磨桿選用合金材質(zhì)，更改后的直孔磨頭如圖4所示；對錐面磨頭，縮小磨桿與磨頭的直徑比例，磨頭桿直徑選用5 mm，磨頭直徑選用5.6 mm，單邊鍍層厚度為0.3 mm，磨桿選用合金材質(zhì)，增加剛性，且將磨頭材料由鍍金鋼砂更改為立方氮化硼，更改后的磨頭更耐用，加工尺寸更穩(wěn)定，如圖5所示。

圖4 更改后的直孔磨頭

圖5 更改后的錐面磨頭

3.5 錐面關(guān)鍵加工參數(shù)的設(shè)置

為了確保大批量生產(chǎn)，關(guān)鍵加工參數(shù)設(shè)置很重要，在零件的加工過程中最常見的質(zhì)量問題是88°錐面有加工不起來的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致錐面圓度及跳動(dòng)超差的情況。經(jīng)過分析查找，主要原因是在粗加工零件時(shí)對錐面磨削留的余量太小。

改進(jìn)方法：粗車88°錐面時(shí)對錐面孔口直徑尺寸縮小縮嚴(yán)，由φ6.26±0.1更改為φ6.24±0.08，單邊磨削余量為0.05 mm，如果磨削余量太大，會(huì)造成磨頭磨損加快，加工尺寸不穩(wěn)定。所以經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，0.05 mm是一個(gè)較理想的余量值。

內(nèi)圓磨削加工參數(shù)：經(jīng)過多次試驗(yàn)，將砂輪磨削時(shí)的線速度設(shè)置為16m/s（轉(zhuǎn)速約為56500r/min），零件轉(zhuǎn)速為200r/min。磨頭分三段進(jìn)給，第一段當(dāng)磨頭接近工件后，進(jìn)行磨削位置搜索，此時(shí)進(jìn)給速度設(shè)置為2 mm/min；第二段是當(dāng)磨頭接觸零件后，進(jìn)入磨削，進(jìn)給速度設(shè)置為0.2 mm/min；第三段是光磨，為保證粗糙度要求，磨頭在到達(dá)最終尺寸后光磨，進(jìn)給速度與第二段一致。具體加工參數(shù)如表1所示。在錐孔磨削時(shí)，為了保證磨削質(zhì)量及尺寸穩(wěn)定性，需對磨頭進(jìn)行修磨，推薦修磨頻次為1/10。

表1 磨錐面加工參數(shù)

φ3.5+0.020直孔磨削質(zhì)量是影響跳動(dòng)0.008 mm的關(guān)鍵，所以將直孔磨削關(guān)鍵點(diǎn)和參數(shù)一并加以說明：經(jīng)過多次試驗(yàn)摸索出最佳磨削余量是0.05 mm，單邊余量0.025 mm，磨削方式選震蕩磨削，砂輪線速度設(shè)置為10 m/s（轉(zhuǎn)速約為61 600 r/min），零件轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨削進(jìn)給速度設(shè)置為0.2 mm/min，走刀磨時(shí)的進(jìn)給量為0.002 mm，光磨次數(shù)推薦為10次。

另外需要關(guān)注的一點(diǎn)是，磨削時(shí)，磨削面需得到充分冷卻，建議使用主軸內(nèi)噴和外噴相結(jié)合的方式進(jìn)行磨削液噴淋冷卻，這樣有利于表面粗糙度的提高。

通過以上參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，閥座錐面尺寸、粗糙度、形位公差都能滿足要求，且加工尺寸非常穩(wěn)定，具體尺寸如表2所示。通過對過程能力指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，角度、粗糙度、跳動(dòng)、圓度、直線度CPK值均達(dá)到1.7以上，質(zhì)量穩(wěn)定，滿足客戶要求。

表2 錐面實(shí)際加工值

4 效果及意義

通過對高硬度精密件錐面加工方法的研究及改進(jìn)，大大提高了此類零件批量生產(chǎn)合格率。目前這種方法正用于公司類似零件的生產(chǎn)加工中，它保證了產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率，滿足了客戶需求，從而爭取了更多訂單，為公司帶來了較大的經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)語

本文針對高精度錐面加工方法進(jìn)行了工藝研究，分析了加工高精度錐面時(shí)需要注意的加工事項(xiàng)，并提出了有效的解決措施，進(jìn)行了有針對性、卓有成效的改進(jìn)，取得了較好的成果，為公司后期開發(fā)精密件產(chǎn)品奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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