震蕩磨削在伺服閥閥套內(nèi)環(huán)槽工作邊加工中的應(yīng)用

何理論，楊 強(qiáng)，丁忠軍，姜建國

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京100076）

0 引言

環(huán)槽是機(jī)械設(shè)計中常用的密封圈裝填結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境如活塞、柱塞以及密封端面等，環(huán)槽表面和棱邊質(zhì)量要求各不相同。這類環(huán)槽大多經(jīng)過車削加工而成［1-2］，表面常常會殘留鱗片毛刺、微裂紋及加工溝痕等。

在受壓、動密封條件下工作的環(huán)槽結(jié)構(gòu)往往采用磨削再拋研的方式加工，以提高形狀精度，降低表面粗糙度和棱邊鋒利度，防止?jié)B漏和密封材料切損。這類型的研究包括：翟萬濤［3］研究了一種精密加工軸承內(nèi)外圈環(huán)槽的成形切入磨削方法。唐照芳等［4］研究了精密零件微小相貫毛刺去除的方法，對棱邊均具有倒鈍作用。為獲得高質(zhì)量的內(nèi)外環(huán)槽結(jié)構(gòu)，大量研究者另辟蹊徑進(jìn)行了研究。Liu等［5］提出了一種利用脈沖電化學(xué)腐蝕原理的鋸齒狀電機(jī)加工微小內(nèi)環(huán)槽的加工方法，該加工方法具有無刀具磨損、無切削力以及較好的表面質(zhì)量的特點，適用于加工小孔內(nèi)壁的微溝槽結(jié)構(gòu)。焦安源等［6］提出了一種基于磁力研磨的加工方法，可對內(nèi)外矩形環(huán)槽表面同時進(jìn)行光整加工，可顯著降低環(huán)槽表面粗糙度，去除表面毛刺和表面紋理。Vu等［7］研究了軸承內(nèi)環(huán)槽濕法成形磨削方法，利用氣動探針對砂輪磨損情況進(jìn)行在線測量，該方法可用于環(huán)槽形廓精度和表面質(zhì)量的在線監(jiān)測。由于伺服閥滑閥副對環(huán)槽棱邊完整性和表面質(zhì)量要求非常高，傳統(tǒng)的加工方法較難達(dá)到要求。安育軍等［8］提出了一種利用成形電極電火花磨削閥套內(nèi)外環(huán)槽的加工方法，采用了電極與工件同時旋轉(zhuǎn)的方案。高俊麗［9］也提出了利用成形電極電加工伺服閥閥套工作邊的工藝方法，其電極設(shè)計成圓形和方形，為保證工作邊棱邊完整性，一個圓電極進(jìn)加工一個閥套環(huán)槽，效率較低，成本高。為提升全開口閥套內(nèi)環(huán)槽生產(chǎn)效率，國內(nèi)外伺服閥生產(chǎn)廠家常采用硬車環(huán)槽工作邊，再對環(huán)槽端面和內(nèi)孔反復(fù)研磨實現(xiàn)加工。該方法加工環(huán)槽的一致性不好，時常需要返工。

為了更為有效的加工伺服閥閥套全開口工作邊，迫切需要研究一種既能保證精度，又能抑制毛刺和降低粗糙度的方法。超聲振動磨削是近年來發(fā)展起來的一種磨削方法［10］，具有砂輪與工件接觸呈斷續(xù)的特點，能使工件表面和刀具切削刃處的溫度顯著降低。同樣磨削條件下，超聲振動磨削較普通磨削能增加臨界切削厚度［11］，顯著降低磨削力，對提高表面光潔度和加工精度非常有利。盡管該方法能獲得較好的棱邊和表面質(zhì)量，但有關(guān)的研究主要圍繞平面、端面和內(nèi)外圓磨削，基本沒有發(fā)現(xiàn)用于內(nèi)環(huán)槽的應(yīng)用實例。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，具有快速進(jìn)刀、微距往復(fù)運動特點的震蕩磨削是一種近似于超聲振動磨削的方法，該概念早在1973年就被提出，但受限于機(jī)床設(shè)備的技術(shù)水平，迄今為止公開的應(yīng)用實例基本沒有，僅在極少的文獻(xiàn)中一筆帶過［12］。本文通過分析震蕩磨削原理，首次將其應(yīng)用在伺服閥閥套全開口工作邊的精密加工上，并利用內(nèi)圓磨床對閥套內(nèi)環(huán)槽工作邊進(jìn)行了實驗研究。相較于傳統(tǒng)的硬車后修研工作邊的加工方式，該方法所得的環(huán)槽工作邊表面光潔度高、毛刺與表面紋理不顯著，閥套在伺服閥性能測試中的一次合格率顯著提升。

1 伺服閥閥套工作邊技術(shù)要求

大流量數(shù)字式伺服閥功率放大級主要由閥套／閥芯零件構(gòu)成的滑閥副以及安裝結(jié)構(gòu)件殼體組成。閥套／閥芯零件構(gòu)成的滑閥副是實現(xiàn)伺服閥流量壓力輸出的關(guān)鍵組件，其加工制造精度、偶件運動靈活性等性能對保證伺服閥以至伺服機(jī)構(gòu)動態(tài)等性能有直接影響。

圖1為閥芯閥套工作狀態(tài)下剖切圖。為滿足大流量要求，其節(jié)流邊采用全開口結(jié)構(gòu)（內(nèi)環(huán)槽），閥套零件為Cr12MoV不銹鋼材料，零件內(nèi)孔孔徑為Φ25mm、長度150mm以上，內(nèi)環(huán)槽節(jié)流邊與閥芯零件工作邊軸向相對運動，通過工作邊開合實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。因此，節(jié)流邊質(zhì)量對產(chǎn)品分辨率等性能有直接影響。為滿足高分辨率要求，要求節(jié)流邊的主孔垂直度不大于3μm，工作邊粗糙度低于Ra0.4μm，棱邊保持銳邊（R≤0.002mm）并無毛刺。

2 震蕩磨削原理

圖1 滑閥副搭接及閥套零件技術(shù)要求Fig.1 Technical requirements for spool valve overlap and valve sleeve

不同于超聲振動加工利用安裝在工裝或主軸上的振動源驅(qū)動刀具與材料之間產(chǎn)生微小振動進(jìn)行加工，高頻震蕩磨削主要利用機(jī)床的快速進(jìn)刀主軸在較小距離范圍內(nèi)高速進(jìn)行往復(fù)運動，實現(xiàn)砂輪與工件接觸面的斷續(xù)接觸，達(dá)到降低磨削力和磨削熱、提高加工表面光潔度的目標(biāo)。為獲得高質(zhì)量要求的閥套內(nèi)環(huán)槽工作邊，在工作邊端平面上進(jìn)行高頻的往復(fù)運動，機(jī)床震動磨削內(nèi)環(huán)槽的原理如圖2所示。工件頭架上卡爪裝夾閥套外圓，利用機(jī)床Z軸實現(xiàn)沿Z方向的直線運動，利用機(jī)床X軸實現(xiàn)沿X軸快速往復(fù)運動，震蕩磨削加工時C軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，內(nèi)磨頭裝夾內(nèi)砂輪進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。其中，Z軸直線運動速度用va表示，X軸往復(fù)運動速度用vf表示，往復(fù)運動振幅用a表示，C軸旋轉(zhuǎn)速度用nc表示，砂輪旋轉(zhuǎn)速度用n表示。

圖2 內(nèi)環(huán)槽工作邊震蕩磨削原理Fig.2 Oscillation grinding principle for working edge of inner annular groove

3 實驗構(gòu)建

3.1 實驗條件

閥套內(nèi)環(huán)槽工作邊精密磨削實驗在數(shù)控內(nèi)外圓磨床S33上進(jìn)行，如圖3所示。該機(jī)床砂輪主軸n的最大轉(zhuǎn)速為60000r／min，X軸方向進(jìn)給速度范圍為0.001mm／min～5000mm／min，Z軸方向進(jìn)給速度范圍為0.001mm／min～10000mm／min，滿足X軸向快速往復(fù)運動和Z軸微量進(jìn)給的要求。閥套工件材料為Cr12MoV，材料在進(jìn)行工作邊精加工時硬度大于HRC58，因此需要選擇磨削或硬車加工方式，內(nèi)孔直徑為Φ20mm，環(huán)槽寬度為8mm，環(huán)槽深度為2mm。

圖3 實驗設(shè)備Fig.3 Experiment equipment

3.2 實驗方案

震蕩磨削中影響加工質(zhì)量的主要有如下幾個參數(shù)：工件主軸轉(zhuǎn)速nc、砂輪主軸轉(zhuǎn)速n、X向進(jìn)給速度vf和Z向進(jìn)給速度va。 全開口伺服閥閥套對流量起主要控制的部位為工作邊，環(huán)槽端面并不需要完整加工，故本文將重點置于內(nèi)環(huán)槽工作邊加工。因此，實驗中X向切深設(shè)置為0.5mm，Z軸進(jìn)給量為0.1mm，震蕩振幅a設(shè)置為0.5mm。此次實驗僅對兩個工藝參數(shù)進(jìn)行對比，分別是X向進(jìn)給速度vf和Z向進(jìn)給速度va，實驗參數(shù)如表1所示。該實驗中砂輪直徑為Φ18mm，砂輪線速度設(shè)置為30m／s， 工件主軸轉(zhuǎn)速nc為300r／min。

表1 實驗參數(shù)Table 1 Parameters of experiment

由于內(nèi)環(huán)槽工作邊在孔內(nèi)狹小空間內(nèi)，為了便于加工質(zhì)量的檢驗，本文設(shè)計了如圖4（a）所示的磨削實驗件，其內(nèi)孔為Φ20mm，外徑為Φ31mm，長度為50mm。為保證實驗工藝參數(shù)適用于閥套加工工況，本文采用適用于磨削閥套工作邊的磨桿和相對應(yīng)砂輪，如圖4（b）所示。為保證工作邊與閥套內(nèi)孔軸的垂直度，在進(jìn)行工作邊磨削實驗前，對實驗工件進(jìn)行了基準(zhǔn)磨削與研磨，保證了內(nèi)外圓同軸度、端面與軸線之間的垂直度達(dá)到開口閥套精加工工作邊時的要求，降低了實驗對刀難度，提升了檢驗的便捷度。

圖4 震蕩磨削實驗工件及磨削方式Fig.4 Workpiece and grinding method in oscillation grinding

4 實驗結(jié)果分析

傳統(tǒng)閥套在加工工作邊時，為了獲得較好節(jié)流邊銳邊質(zhì)量和工作邊垂直度，一般采用硬車小去量，然后再用油石精修工作邊。圖5是傳統(tǒng)硬車后的工作邊形貌和毛刺情況。由圖5可知，硬車后的表面紋理明顯，節(jié)流邊毛刺較大。這是因為硬車采用的刀片一般為CBN材料，刃口具有倒棱或修圓，加工方式為干切削。由于閥套工作邊硬車去量厚度約 0.1mm～0.2mm，切削深度約0.5mm，該切削厚度與CBN刀片刃口鈍圓或倒棱長度大致相等，其切削機(jī)理近似為負(fù)前角切削，容易形成翻邊毛刺，且毛刺硬度較硬，后續(xù)利用油石精修相對費勁。

圖5 硬車后工作邊形貌與毛刺情況Fig.5 Surface topography and burr of working edge in hard turning

從傳統(tǒng)磨削現(xiàn)象看，對硬度較高的材料進(jìn)行端面靠磨非常容易產(chǎn)生磨削裂紋，靠磨速度vf大于一定值后將不同程度出現(xiàn)徑向磨削裂紋。采用震蕩磨削后，由于Z軸方向靠磨的同時，X軸方向砂輪與工件在進(jìn)行間歇性接觸和分離，單位時間接觸弧長發(fā)生變化，生成磨削熱減少， 冷卻充分。從圖6的震蕩磨削后工件端面可知，端面紋理與傳統(tǒng)靠磨的切向放射狀紋理不同，呈現(xiàn)弧線交織網(wǎng)紋。不同Z向進(jìn)給速度下，多次磨削結(jié)果均沒有出現(xiàn)磨削裂紋，端面粗糙度較好，毛刺相對較小，棱邊極少出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象。

圖6 實驗工件va取100mm／min時端面震蕩磨削結(jié)果（×100）Fig.6 Surface topography and burr of working edge in oscillation grinding when va＝100mm／min

按照表1給出的工藝參數(shù)進(jìn)行了實驗，利用Keyence激光顯微鏡對端面粗糙度和毛刺高度進(jìn)行了測量，如表2所示。端面粗糙度采用框選方式進(jìn)行，選取3～5個選區(qū)的平均值。毛刺高度采用激光掃略功能，截取3D截面進(jìn)行大致毛刺高度測量。

表2 實驗結(jié)果Table 2 Results of experiment

震蕩磨削過程參與運動的各個主軸均為瞬時變量，由上述選定工藝參數(shù)可知：若計算每秒的狀態(tài)，工件以300r／min定速旋轉(zhuǎn)（1s旋轉(zhuǎn)約5圈），當(dāng)X向進(jìn)給速度vf為0.05mm／min、Z向進(jìn)給速度va為 100mm／min時，每秒時間內(nèi)端面切深為0.8μm，砂輪在Z方向上0.5mm振幅震蕩約1.6次。顯然va越大，砂輪在Z方向振動頻次越多，端面紋理越均勻，其形成的表面光潔度越高。從表2的Ra值變化可知，若vf不變，va越大，獲得的表面粗糙度值越低，符合上述分析。而vf值越大，單位時間內(nèi)端面切削厚度越大，其對應(yīng)的毛刺將越大，這一規(guī)律也符合表2的測試結(jié)果。

根據(jù)表2所測結(jié)果進(jìn)行主效應(yīng)方差分析，如圖7所示。Z軸和X軸進(jìn)給量對表面粗糙度和毛刺高度的影響相對一致，va越大、vf越小，對應(yīng)的表面粗糙度越低、毛刺高度越小。因此，最優(yōu)組合為va取200mm／min，vf取 0.02mm／min。 從檢測結(jié)果看，上述工藝選值加工后的結(jié)構(gòu)基本均滿足設(shè)計要求?？紤]到生產(chǎn)效率，決定選取va＝100mm／min、vf＝0.05mm／min為閥套工作邊磨削參數(shù)。上述參數(shù)實驗后的測試結(jié)果如圖8所示，放大200倍結(jié)果的表面粗糙度和工作邊質(zhì)量均良好。

圖7 粗糙度和毛刺高度的均值主效應(yīng)圖Fig.7 Main effect diagram of mean for surface roughness and burr

圖8 環(huán)槽工件震蕩磨削后切片檢測結(jié)果Fig.8 Experiment results of work edge of valve sleeve in oscillation grinding

5 結(jié)論

閥芯閥套重疊處閥口工作邊棱邊質(zhì)量決定了伺服閥的工作性能，因此閥芯閥套的工作邊加工一直是伺服閥工藝研究的重點。特別是閥套，其工作邊屬于半封閉結(jié)構(gòu)，加工和檢測均受到限制，長期以來針對閥套內(nèi)環(huán)槽工作邊的高精度加工的成功案例較少。本文通過分析震蕩磨削原理，首次將其應(yīng)用在伺服閥閥套全開口工作邊的精密加工上，并利用內(nèi)圓磨床對閥套內(nèi)環(huán)槽工作邊進(jìn)行了實驗研究，構(gòu)建了震蕩磨削正交實驗，利用數(shù)學(xué)工具分析了不同加工參數(shù)對工作邊表面粗糙度和毛刺生成的影響。實驗結(jié)果表明，Z軸和X軸進(jìn)給速度對表面粗糙度和毛刺高度的影響相對一致，va越大、vf越小，對應(yīng)的表面粗糙度越低、毛刺高度越小。最后，利用優(yōu)選工藝參數(shù)，采取震蕩磨削方式進(jìn)行全開口閥套工作邊的磨削，實驗結(jié)果滿足閥套設(shè)計要求。與原有硬車后研磨工序加工的閥套相比，其表面粗糙度、表面紋理和毛刺均得到較大改善。經(jīng)過裝機(jī)性能測試，通過震蕩磨削加工的伺服閥組件性能穩(wěn)定性更高，流量曲線更好，產(chǎn)品一次合格率高。