沉孔底面超精密加工工藝研究

□ 吳文斌 □ 李 強(qiáng) □ 張貴虎 □ 向健利

重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司 重慶 402162

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對環(huán)保的要求越來越高,國家對污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)要求也逐步提高。為了滿足排放標(biāo)準(zhǔn),高壓共軌噴射系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,傳統(tǒng)的機(jī)械式噴射系統(tǒng)正在逐漸被新型高壓共軌噴射系統(tǒng)所替代[1]。

高壓共軌噴射系統(tǒng)的柱塞偶件柱塞套結(jié)構(gòu)中，沉孔底面用作密封面。這一柱塞套沉孔底面在140 MPa～200 MPa的超高壓力情況下不允許出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象[2],因此沉孔底面的平面度具有較高的精度要求,必須達(dá)到0.9 μm。傳統(tǒng)柱塞套的密封面為外露端面,加工時(shí)在平面磨床上精磨后,直接在平面研磨機(jī)上研磨,再用平板進(jìn)行超精拋光即可。高壓共軌噴射系統(tǒng)柱塞套的密封面為沉孔底面,對于這樣的高壓沉孔底面,傳統(tǒng)的研磨加工工藝手段已經(jīng)無法保證加工質(zhì)量,因此只有在精密磨削方面探索新的方法。

筆者通過對柱塞套沉孔底面超精密加工工藝方法進(jìn)行研究，取得了部分經(jīng)驗(yàn)和成果。

2 沉孔底面技術(shù)要求

高壓共軌噴射系統(tǒng)柱塞套沉孔底面精度要求如圖1所示。這種高精度沉孔底面已不能使用常規(guī)的平面磨、平面研磨，以及拋光的加工工藝，加工難度很大。

▲圖1 柱塞套沉孔底面精度要求

3 磨削加工可行性

由磨削和研磨的基本知識可知,磨削和研磨都能達(dá)到較高的精度,如激光陀螺平面反射鏡的平面度誤差要求小于0.05 μm,這一零件可以通過磨削達(dá)到精度要求[3]?？梢姡ハ骷庸ぞ哂羞_(dá)到柱塞套沉孔底面平面度精度要求的可行性。

對柱塞套沉孔底面設(shè)計(jì)了三種加工工藝方案,以確定最佳加工工藝方案，確保柱塞套沉孔底面的加工精度要求。

第一種加工工藝方案，在數(shù)控精密內(nèi)圓磨床上直接使用砂輪前端面對沉孔底面進(jìn)行磨削,然后使用專用的研磨工具,采用行星法進(jìn)行研磨。

第二種加工工藝方案，在數(shù)控精密內(nèi)圓磨床上使砂輪軸偏角度,使用砂輪前端面邊緣,采用周邊振蕩磨削法進(jìn)行加工。

第三種加工工藝方案，在數(shù)控精密內(nèi)圓磨床上先用一個(gè)砂輪前端面對沉孔底面進(jìn)行磨削,然后使用另一個(gè)砂輪,采用斜置內(nèi)圓磨頭和周邊振蕩磨削法進(jìn)行加工,以提高沉孔底面的平面度精度。

從磨削和研磨的加工原理進(jìn)行分析,由于沉孔底面研磨的空間受限,要達(dá)到沉孔底面平面度精度要求的可能性較低,因此應(yīng)以磨削攻關(guān)為主。平面磨削主要有兩種方式:端面磨削和周邊磨削[4],需要結(jié)合兩種方式進(jìn)行研究,兼顧對研磨方案進(jìn)行試驗(yàn)，以得到最佳的加工工藝方案。

4 加工難點(diǎn)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)普通柱塞套密封面精度要求如圖2所示,一般采用三道工序進(jìn)行加工，主要工藝流程為平面磨床磨削、平面研磨機(jī)研磨、拋光板拋光，工藝流程長，加工難度大，需要通過多工序的加工工藝來保證加工精度。并且在研磨過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)因研磨不當(dāng)造成塌邊現(xiàn)象進(jìn)而返工的情況[5-6]。

▲圖2 普通柱塞套密封面精度要求

針對新型高壓共軌噴射系統(tǒng)中柱塞套的沉孔底面,傳統(tǒng)加工工藝方案已不適用,而且還存在三個(gè)加工難點(diǎn):

(1) 沉孔底面平面度精度要求高,0.9 μm是目前公司設(shè)計(jì)圖紙中的最高平面度要求,原來只有凸出密封平面才有此精度要求,沉孔底面作為密封面提出如此高的要求還是首次。因?yàn)槌量椎酌娉苣ハ髟疽咽掷щy,所以如此高的平面度加工精度更是一個(gè)加工難題。

(2) 沉孔磨削深為7 mm,且沉孔根部的退刀槽尺寸較小,在磨削時(shí)容易和砂輪產(chǎn)生干涉,限制砂輪參數(shù)的調(diào)整。同時(shí)沉孔的空間小,自定位研磨加工十分困難,無法發(fā)揮研磨的優(yōu)勢,而且在小空間中研磨反而會破壞平面自身的精度。

(3) 沉孔底面處于應(yīng)力集中區(qū)域,空間小,散熱不良,在磨削時(shí)極容易產(chǎn)生裂紋[7-8]。由于精度要求很高,磨削進(jìn)給量、走刀量參數(shù)勢必減小,導(dǎo)致沉孔底面加工效率降低。

為了解決上述加工難點(diǎn)，保證柱塞套沉孔底面加工精度要求,研究了新的加工工藝方案。

5 加工工藝方案

第一種加工工藝方案先采用端面磨削法加工去除大部分余量,然后進(jìn)行研磨，提高加工表面的平面度。根據(jù)以往加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)砂輪、砂輪桿和研磨器。

在數(shù)控精密內(nèi)圈磨床上對沉孔底面進(jìn)行磨削，然后將磨削后的柱塞套夾持在橫研機(jī)上進(jìn)行研磨試驗(yàn)。采用研磨器加5號剛玉類研磨膏對沉孔底面作徑向擺動(dòng)研磨后,再采用拋光紙加氧化鉻對沉孔底面進(jìn)行拋光。在研磨前后采用白光干涉儀分別對兩件柱塞套沉孔底面的平面度進(jìn)行檢測,結(jié)果見表1。

表1 柱塞套沉孔底面研磨前后平面度檢測結(jié)果

在調(diào)整加工參數(shù)和研磨方法后，又加工了幾件柱塞套沉孔底面，檢測得到的結(jié)果與表1比較接近,磨削后沉孔底面平面度為2.0 μm左右時(shí),研磨后的平面度無明顯提高。主要原因在于沉孔底面在磨削加工時(shí)受砂輪精度的影響,研磨空間有限,兩邊研磨膏堆積不均勻,導(dǎo)致研磨無法達(dá)到較高的精度?？梢姷谝环N加工工藝方案未達(dá)到柱塞套沉孔底面的加工精度要求。

第二種加工工藝方案采用周邊振蕩磨削法加工。根據(jù)加工原理，周邊振蕩磨削法相比端面磨削法，磨削精度高，但效率低[9]。為了保證柱塞套沉孔底面的加工精度,暫時(shí)先不考慮加工效率,直接采用周邊振蕩磨削法加工。若要達(dá)到較高的加工精度,則需要對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

周邊振蕩磨削法加工如圖3所示。使砂輪軸心線與沉孔軸心線成2°夾角,使砂輪端面與沉孔底面形成線狀接觸,并且砂輪在徑向來回振蕩,保證沉孔底面加工表面呈環(huán)形磨削紋理,同時(shí)可以避免砂輪自身形狀精度影響沉孔底面的平面度。周邊振蕩磨削法加工的精度完全取決于機(jī)床自身精度和振蕩頻率，經(jīng)過對加工參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn),得到周邊振蕩磨削法加工參數(shù)，見表2。

采用表2中參數(shù)加工的沉孔底面，平面度在80%以上達(dá)到要求,同時(shí)存在兩個(gè)缺點(diǎn)。第一是加工時(shí)間長。由于加工余量較大,為了保證形位公差,加工參數(shù)設(shè)置比較保守,因此磨削時(shí)間較長，約為50 min。第二是磨削面有產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。由于光磨次數(shù)達(dá)到20次,在冷卻過程中出現(xiàn)任何異常都將會導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

第三種加工工藝方案如圖4所示，參數(shù)見表3。這一加工工藝方案具有三個(gè)特點(diǎn)。

▲圖3 周邊振蕩磨削法加工

表2 周邊振蕩磨削法加工參數(shù)

▲圖4 第三種加工工藝方案

表3 第三種加工工藝方案參數(shù)

(1) 效率高。端面磨削加振蕩磨削等方法提高了加工效率,減小了單純振蕩磨削法加工時(shí)的磨削余量。

(2) 合格率高。采用周邊振蕩磨削加微進(jìn)給的加工工藝,提高了磨削部位的平面度。微進(jìn)給的主要作用是替代部分光磨，提高平面度[10],并且減少光磨次數(shù),降低磨削裂紋風(fēng)險(xiǎn),提高合格率。根據(jù)現(xiàn)場跟蹤檢測，沉孔底面一次合格率高于95%。

(3) 質(zhì)量穩(wěn)定。光磨次數(shù)減少,磨削裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)大幅降低,一次性加工合格率較高。采用偏置砂輪磨削,可以減小磨削面,使熱量不易聚集,不易產(chǎn)生裂紋。

由表3可知,第三種加工工藝方案粗磨時(shí)間只需約4 min,最終磨削余量為0.008 mm，先采用周邊振蕩磨削，再進(jìn)行微進(jìn)給磨削，最后進(jìn)行光磨。第三種加工工藝方案通過優(yōu)化加工參數(shù),調(diào)整相關(guān)磨削余量的分配,提高了加工效率和質(zhì)量,并且降低了裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過試生產(chǎn)加工后，采用白光干涉儀檢測第三種加工工藝方案柱塞套沉孔底面，平面度為0.6～0.8 μm,均滿足柱塞套的技術(shù)要求，驗(yàn)證了第三種加工工藝方案的可行性。由此最終確定第三種加工工藝方案為高壓共軌噴射系統(tǒng)中柱塞套沉孔底面的加工工藝方案。

6 結(jié)束語

通過對沉孔底面超精密加工工藝進(jìn)行研究，將兩種磨削方法相結(jié)合，保證了沉孔底面的平面度精度要求。雖然攻克了沉孔底面的加工難點(diǎn),但是超精密磨削還有很多方面可以去研究,筆者后續(xù)將對第三種加工工藝方案作進(jìn)一步優(yōu)化完善。