高壓氣體電磁閥PEEK閥座加工工藝研究

張文升， 王軍利， 任志貴， 王燕燕， 雷 帥， 李托雷

(陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)是一種性能優(yōu)異的工程塑料，與其他工程塑料相比具有更多顯著優(yōu)勢，如耐高溫、耐腐蝕、耐剝離性、阻燃等，其機械性能優(yōu)異、自潤滑性好，可用于高端機械、核工程及航空科技行業(yè)[1-2]。另外，PEEK塑料還具有良好的韌性和剛性，能夠耐受溫度、濕度等環(huán)境條件的變化，具備可以與合金材料媲美的耐疲勞性，常用于對零件尺寸精度要求較高的產(chǎn)品中[3]。

近年來，隨著航空、航天氣動系統(tǒng)壓力的提高，氣體控制閥的工作壓力也越來越高，目前部分系統(tǒng)產(chǎn)品工作壓力已經(jīng)達到40 MPa以上[4]。隨著系統(tǒng)壓力的提高，常規(guī)氣體控制閥密封座和活門零件采用的普通工程塑料如聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯已不能滿足要求，而具有韌性高、剛性大以及良好的尺寸穩(wěn)定性的PEEK塑料，成為高壓氣體控制閥閥座和活門零件的首選材料。高壓冷氣控制閥的閥座和活門是氣體控制閥的重要功能元件，因此對PEEK塑料的加工工藝進行研究，有助于提高高壓氣體控制閥的性能及生產(chǎn)效率。本文通過對某型號高壓冷氣電磁閥PEEK塑料閥座零件的車削、鉆削、鏜削、研磨工藝研究，為PEEK閥座的加工提供一定的參考依據(jù)。

1 零件結(jié)構(gòu)及材料特性

1.1 零件結(jié)構(gòu)

本文研究的安裝有PEEK塑料閥座的高壓氣體電磁閥結(jié)構(gòu)原理見圖1，職能符號見圖2，閥座零件主要尺寸見圖3。高壓氣體電磁閥主要由電磁鐵、活門桿組件、螺母、上活門、閥座、下活門、下彈簧、壓緊螺母等零、組件組成。該高壓氣體電磁閥為兩位三通電磁換向閥，當(dāng)系統(tǒng)需要高壓氣體時，電磁鐵通電，活門桿組件在電磁力的作用下推動上活門將下活門打開，上活門與閥座之間形成密封，高壓氣體進入系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)需要卸壓時，電磁鐵斷電，下活門在彈簧力的作用下將上活門打開，下活門與閥座之間形成密封，系統(tǒng)卸壓。

圖1 某型高壓氣體電磁閥結(jié)構(gòu)原理圖 圖3 閥座零件主要尺寸圖

1.2 材料特性

由于該氣體電磁閥工作壓力較高，閥座采用的是碳纖維增強的PEEK材料，其性能參數(shù)見表1。

表1 碳纖維增強PEEK性能參數(shù)表

2 加工工藝確定

由氣體電磁閥工作原理和閥座二維工程圖(圖3)可知，電磁閥工作時，閥座零件中間小孔(φ1.4 mm)的兩側(cè)孔口需要與活門的錐面之間形成密封，因此該小孔孔口加工質(zhì)量要求較高，另外由于活門運動時靠兩側(cè)的大孔(φ5 mm)進行導(dǎo)向，因此兩端孔系的同軸度要求較高，所以該閥座零件的加工難點在于中間小孔孔口精度以及兩側(cè)孔系同軸度的保證。

復(fù)合材料在孔加工過程中，常見的加工缺陷有孔口毛刺、分層和撕裂等[5-7]，這些都嚴(yán)重影響氣體控制閥的密封性能。目前，一般小孔零件加工時，常采用鉆、鉸的工藝保證小孔尺寸精度。但是，該閥座零件要求小孔的兩側(cè)孔口“光滑無毛刺”，且該小孔和閥座上的活門配合孔有軸度要求，采用鉆、鉸孔的工藝方法難以保證圖紙要求，另外該小孔尺寸深度較大，鉆孔時極易造成偏斜。因此，該閥座零件孔的加工采用鉆、鏜孔的工藝，加工時，為保證兩端面各自孔系的同軸度要求，兩端的孔系均一次定位加工。最后在產(chǎn)品裝配前，通過專用工裝對小孔孔口進行研磨，最終保證產(chǎn)品密封性。該閥座零件的加工工藝路線見表2。

表2 閥座工藝路線

3 加工工藝參數(shù)確定

3.1 機加工藝參數(shù)確定

采用小巨人馬扎克數(shù)控車床(型號：QUICK TURN NEXUS 100ⅡL)對該閥座零件進行加工。由于PEEK材料在加工過程中容易造成刀具的劇烈磨蝕，會使加工過程中切削力和切削溫度升高；另外該零件的內(nèi)孔尺寸較小，而小孔加工還存在排屑困難、切削熱不易散出等缺點，使加工質(zhì)量和精度都難以保證。經(jīng)過多種刀具材料對比，該閥座零件加工時采用硬質(zhì)合金材料，該種材料具有強度硬度高、韌性較好、成本低等優(yōu)點，在復(fù)合材料加工中被廣泛采用。通過對多個廠家的刀具進行對比分析，鏜刀采用山特維特可樂滿公司(中國)生產(chǎn)的合金鏜刀CXS-04t098-00-0804R 1025、CXS-04t098-10-2209R 1025。鏜刀結(jié)構(gòu)見圖4，詳細參數(shù)見表3。

(a) 示意圖

(b) 尺寸圖

型號參數(shù)主偏角切入角l1/mml2/mmf/mmD/mmCXS-04t098-00-0804R 102598°-8°27.240.350.8CXS-04t098-10-2209R 102598°-8°26.290.952.2

為確定PEEK閥座加工時的機床轉(zhuǎn)速，分別采用3種轉(zhuǎn)速(見表4)進行加工。

表4 閥座加工參數(shù)表

閥座零件加工完成后，采用SVM光學(xué)影像測量機對加工后的零件小孔孔口的形貌進行觀測檢查，詳見圖5。由于氣體電磁閥密封時主要靠活門密封錐面與閥體密封孔口形成密封，因此要求閥座密封孔口應(yīng)光滑無毛刺。經(jīng)過觀測發(fā)現(xiàn)采用工藝參數(shù)2加工的孔口質(zhì)量較好，采用工藝參數(shù)1和工藝參數(shù)3加工的零件孔口均有不同程度的毛刺，且轉(zhuǎn)速越高，毛刺越大。

(a) 工藝參數(shù)1 (b) 工藝參數(shù)2 (c) 工藝參數(shù)3 圖5 采用不同轉(zhuǎn)速機加工后的密封孔口形貌

3.2 冷卻介質(zhì)的選擇

為了得到冷卻介質(zhì)對PEEK零件加工質(zhì)量的影響，分別采用走心式數(shù)控車床(型號：TSUGAMI BO266-Ⅱ)和小巨人馬扎克數(shù)控車床(型號：QUICK TURN NEXUS 100ⅡL)對該閥座進行加工，其中走心機冷卻液體采用的為冷卻油，小巨人馬扎克數(shù)控車床冷卻液體采用的為乳化液。

由于冷卻油的粘度較大，加工時加劇了排屑困難，且積屑易粘在鏜刀表面，因此對加工精度造成較大影響(加工后的形貌與圖5(a)相似)。乳化液由于其粘度小，流動性好，容易將加工過程中的切屑及時排掉，所以提高了零件的加工精度。

4 研磨工藝參數(shù)確定

為保證氣體閥的密封性和壽命，要求閥座密封孔口棱邊尺寸為R0.3 mm(光滑無毛刺)，而該閥座材料為增強碳纖維的PEEK塑料，通過機械加工很難達到要求，因此該類閥座裝配前一般均需對閥座密封孔口進行研磨，去除孔口機械加工時產(chǎn)生的微小毛刺。

研磨工裝材料通常選用鑄鐵材料，該材料具有良好的減震性能、抗壓性能及耐磨性能，研磨介質(zhì)一般采用研磨膏或液壓油。由于PEEK材料相對于金屬硬度較低，研磨時添加研磨膏后，容易使密封處倒角增大，因此采用液壓油進行研磨，研磨時為減小發(fā)熱對零件的影響，轉(zhuǎn)速選擇300 r/min。采用研磨膏和液壓油研磨后的孔口形貌見圖6、圖7。

圖6 采用研磨膏研磨后的孔口形貌 圖7 采用液壓油研磨后的孔口形貌

閥座研磨后進行產(chǎn)品裝配及試驗驗證，具體要求及試驗結(jié)果見表5。

表5 密封性試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

本文通過對某型高壓冷氣電磁閥PEEK閥座的加工工藝進行研究，得到了PEEK閥座適宜的切削參數(shù)、切削刀具、冷卻介質(zhì)以及研磨參數(shù)。通過產(chǎn)品的密封性試驗，加工的PEEK閥座與金屬活門之間密封良好，經(jīng)過8000次耐久性試驗考核后，產(chǎn)品密封性能仍能夠滿足要求，結(jié)論如下：

(1)PEEK材料閥座等零件孔加工時，為提高孔口精度和孔系同軸度，宜采用鉆、鏜的工藝，鏜孔時主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min，進給速度φ1.4 mm左右小孔選擇F0.01 mm/r，φ5 mm左右小孔選擇F0.05 mm/r；

(2)對PEEK材料零件的孔進行加工時，冷卻介質(zhì)宜采用粘度較低的乳化液等進行冷卻，防止在加工時切屑粘結(jié)造成排屑困難，影響加工精度；

(3)在對PEEK材料閥座類零件的密封孔孔口進行研磨時，轉(zhuǎn)速不易過高，300 r/min左右即可，且研磨時不易添加研磨膏，添加液壓油或儀表油即可達到精度要求。