電動氣閥副閥體環(huán)形槽的加工

董悅，黑愛卿

西安航天發(fā)動機有限公司 陜西西安 710100

1 序言

作為姿軌控發(fā)動機可靠工作的重要組成部分，電動氣閥以電磁鐵為驅(qū)動元件，直接或間接地驅(qū)動閥芯運動來實現(xiàn)液體或氣體的接通、關(guān)斷。副閥體是電動氣閥控制氣路部分線圈組件的主體結(jié)構(gòu)件，是為電磁閥提供可靠密封、靈活運動的關(guān)鍵零件，其尺寸及幾何精度要求高，材料特殊，工藝性復(fù)雜，特別是軸向環(huán)形槽的加工難度很大。副閥體加工質(zhì)量的好壞直接影響著電動氣閥的性能。本文將對兩種不同的加工方法進行對比，選取最優(yōu)方法，從而實現(xiàn)副閥體的高質(zhì)量、高效率加工。

2 副閥體環(huán)形槽結(jié)構(gòu)

圖1 為電動氣閥副閥體結(jié)構(gòu)，其外形為典型的軸盤結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有環(huán)形槽和活門座。環(huán)形槽外徑為5.7mm，內(nèi)徑為3.5mm，深度9.4mm。此種結(jié)構(gòu)環(huán)形槽有明顯的加工難點，即槽窄小，槽寬僅1.1mm，深度較深，在加工環(huán)形槽時還需考慮不能傷到活門座部位。

圖1 電動氣閥副閥體結(jié)構(gòu)

3 副閥體環(huán)形槽加工難點分析

在副閥體環(huán)形槽端口有一活門座，選擇加工方法時，既要保證尺寸合格，也要保證加工過程中不損傷活門座，其加工難點分析如下。

（1）原材料冷加工性能差 副閥體材料為高飽和磁感應(yīng)強度鐵鈷合金1J116，即耐蝕軟磁合金，具有較高的飽和磁感和居里溫度，在高濕度的活性介質(zhì)中具有高的耐蝕性，適用于無保護層工作的各種電磁鐵的磁導(dǎo)體、風(fēng)動閥和液壓閥磁導(dǎo)體，是液體火箭發(fā)動機各類閥體的常用材料之一。耐蝕軟磁合金材料相對較軟，內(nèi)部存在著有序結(jié)構(gòu)，冷加工時容易脆裂，同時因其合金中存在碳、氮和氧等原子，這些原子聚集在晶界處，使得軟磁合金的脆性增加，所以冷加工時，在轉(zhuǎn)速較低的情況下易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，導(dǎo)致零件表面粗糙。在刀具及加工參數(shù)不合理的情況下，零件薄壁處易出現(xiàn)裂紋。

（2）環(huán)形槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜 環(huán)形槽深度為9.4mm，從端面到槽底的深度為36mm，要求冷加工時刀具的刀桿足夠長。長的刀桿會造成加工時刀尖的擺動量變大，振動量級變大。環(huán)形槽槽寬只有1.1mm，中心為φ1.8mm的通孔，端面還存在起密封作用的活門座。在冷加工時，刀具的設(shè)計，加工參數(shù)的確定，切削液、加工方式的選擇以及切屑的排出等，均是需要解決的難點問題。

根據(jù)環(huán)形槽結(jié)構(gòu)特點，選擇兩種不同的加工方法即電火花加工和機械加工進行研究，通過對兩種方法進行對比，得出合理的加工參數(shù)及合適的加工方法。

4 電火花加工

電火花加工工藝是環(huán)形槽結(jié)構(gòu)加工的常用方法，與傳統(tǒng)機械加工方法相比，具有以下優(yōu)點：①在加工過程中無機械力，可加工剛性較差的薄壁、深孔及復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)腔。②加工時采用電極及工件間隙放電方式進行，可實現(xiàn)任何高硬度的導(dǎo)電材料產(chǎn)品加工。③無復(fù)雜的切削運動，可加工形狀復(fù)雜零件，易于提高自動化程度。

（1）電極材料的選擇 電火花加工常用的電極材料有石墨、Cu或W等單金屬、Cu或W基合金、聚合物復(fù)合材料和金剛石等，選擇電極材料時，應(yīng)考慮電極的可制造性及加工成本。在普通應(yīng)用場合，宜選用廉價的純銅材料；在環(huán)形槽寬度較小時，環(huán)形電極壁厚δ≤0.5mm，宜采用不變形的石墨材料；對于精度要求高的產(chǎn)品，可采用抗損耗能力強的銅鎢或銀鎢合金電極材料。因電動氣閥副閥體產(chǎn)品符合一般使用條件，所以電極采用純銅材料（T2）。

（2）電極結(jié)構(gòu)設(shè)計 環(huán)形槽加工分為粗加工和精加工，兩道工序所用電極結(jié)構(gòu)相同，均由夾持部位、排氣孔和加工面3部分組成。電極結(jié)構(gòu)及實物如圖2所示，其中設(shè)置排氣孔的主要目的是防止拉弧等放電不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，排氣孔直徑一般為1～2mm。電極內(nèi)外加工面均勻放縮（δ1=δ2），且放縮量與理論環(huán)形槽距離≥0.30mm，以防高溫的電腐蝕顆粒在活門座部位飛濺黏附。環(huán)形電極加工面部分（φ內(nèi)、φ外）的加工精度應(yīng)控制在±0.01mm。

圖2 電極結(jié)構(gòu)及實物

（3）加工方式 環(huán)形槽粗加工采用無搖動直線加工方式，底端留余量為0.20mm，高速抬刀；精加工采用先直線、后圓形搖動進入的加工方式，微小抬刀。

（4）加工設(shè)備 在AM45Ls電火花放電加工設(shè)備上進行加工，產(chǎn)品實物如圖3所示。

圖3 電火花加工產(chǎn)品實物

（5）電火花加工存在的問題 ①加工效率低，單件閥體電火花加工時間為2.5～3.0h。②電加工后閥體密封部位如圖4所示，環(huán)形槽端面密封唇出現(xiàn)損傷。此缺陷產(chǎn)生的機理為電火花加工過程中，在加工區(qū)產(chǎn)生大量的蝕除物，其中部分蝕除物在電極進入過程中沿φ3.5mm圓柱面經(jīng)密封唇部位向槽外運動，受到密封唇的阻擋而逐漸形成聚集，當聚集到一定程度后，部分聚集物與電極接觸發(fā)生放電，經(jīng)聚集物傳遞后，電加工蝕除物結(jié)合到基體上或在基體表面形成放電坑點。③電極損耗導(dǎo)致部分產(chǎn)品底部斷面凸起，形貌如圖5所示。此問題是由于電極在放電過程中損耗導(dǎo)致電極與產(chǎn)品放電不均勻所致。環(huán)形槽為彈簧安裝配合部位，底部斷面凸起會導(dǎo)致彈簧偏斜，影響其彈力的有效值，從而影響閥芯的靈活運動，嚴重時會導(dǎo)致閥芯卡滯或密封失效。

圖4 電加工后閥體密封部位

圖5 環(huán)形槽底部斷面凸起形貌

為解決電火花加工過程中存在的問題，考慮采用機械加工方法完成此類結(jié)構(gòu)的加工。

5 機械加工

采用機械加工方法加工副閥體深窄環(huán)形槽的主要難點在于刀具的合理設(shè)計，并制定合理的加工工藝參數(shù)。

5.1 專用環(huán)形槽車刀的設(shè)計

對于環(huán)形槽加工，設(shè)計冷加工刀具時必須考慮刀具的剛度、強度及耐磨性。對于常規(guī)的懸臂式刀桿車削加工方法，由于受槽寬的限制，其刀桿結(jié)構(gòu)偏小，刀尖剛度低，易振動，易斷刀，導(dǎo)致產(chǎn)品表面粗糙度和精度達不到要求，且報廢率較高。為解決環(huán)形槽機械加工的問題，需設(shè)計一種特殊的專用刀具。專用刀具的設(shè)計主要考慮以下幾個方面。

（1）原材料的選擇 專用刀具選擇整體硬質(zhì)合金材料。整體硬質(zhì)合金材料具有高硬度、高強度、高彈性模量、較小的熱膨脹系數(shù)、良好的耐磨性和較長的使用壽命，已成為新技術(shù)領(lǐng)域一種非常重要的刀具材料。與高速鋼刀具相比，可大大提高刀具壽命和零件表面加工質(zhì)量。

（2）專用刀具表面涂層處理 表面涂層處理是在較軟的刀具上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜，是解決刀具基體硬度不夠最有效的方法之一。為了滿足使用要求，需對硬質(zhì)合金刀具表面進行涂層處理，選用金剛石涂層，它是sp3雜化的碳-碳共價鍵的原子晶體，具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特性。涂層后的硬質(zhì)合金刀具具有比基體更高的硬度和耐磨性，壽命也比無涂層的硬質(zhì)合金刀具提高了1～3倍。同時，切削速度、進給量及切削深度也可以相應(yīng)地提高，從而提高加工效率，改善表面加工質(zhì)量。

（3）專用刀具尺寸參數(shù) 專用刀具如圖6所示，刀具總長7 0 m m，其刃部寬度為（1.175±0.02）m m，長度約10m m，刀具圓角R0.2mm，刃部兩端直徑分別為5.75mm、3.4mm。在加工時，專用刀具的刀桿需安裝專用刀柄與機床進行裝夾。

圖6 專用刀具

5.2 加工方案的確定

根據(jù)環(huán)形槽及硬質(zhì)合金專用刀具的結(jié)構(gòu)特點，對環(huán)形槽加工設(shè)備、進給方式、加工參數(shù)和切削液進行選擇如下。

（1）設(shè)備的選擇 選擇數(shù)控車床進行加工。數(shù)控車床必須具備較高的精度以及良好的穩(wěn)定性。本試驗選擇精密數(shù)控車床R51來實現(xiàn)環(huán)形槽的加工。

（2）進給方式 由于環(huán)形槽結(jié)構(gòu)窄而深，傳統(tǒng)成形刀具很難完成加工，容易產(chǎn)生斷刀現(xiàn)象，所以使用專用刀具，采用“進刀加工一定尺寸→退刀排切屑→再次進給加工”的循環(huán)進給加工方式，可以有效地減少因切屑排出不暢而引起的斷刀現(xiàn)象。

（3）加工參數(shù)的選擇 針對刀具刀頭結(jié)構(gòu)單薄、穩(wěn)定性較差，以及易出現(xiàn)刀具根部折斷的情況，通過試驗，確定了具體的加工參數(shù)：開始進給時，每刀切削深度0.05mm后退刀，排出碎小切屑，再次進給切削0.05mm深后退刀，排出碎小切屑，不斷地循環(huán)，加工深度為4mm；再次加工時，改變進給參數(shù)為每刀切削深度0.02mm后退刀，排出切屑，直至加工到深度尺寸9.4mm。加工過程中轉(zhuǎn)速n均為2000r/min，進給量f=0.005mm/r。

（4）切削液的選擇 專用刀具重復(fù)進給加工的過程，需保證副閥體或刀具的充分冷卻，才能保證刀具的順利進給。因環(huán)形槽結(jié)構(gòu)的限制，切削液只能實現(xiàn)外表面的冷卻，故在刀具退出環(huán)形槽后，可通過在刀具前端不斷涂抹豬油的方法實現(xiàn)對刀具的冷卻和潤滑。

5.3 試驗結(jié)果

（1）加工時間和刀具壽命 在設(shè)備、進給方式、加工參數(shù)及切削液確定后，進行了環(huán)形槽結(jié)構(gòu)的機械加工，加工1件產(chǎn)品的時間為15～20min。經(jīng)對環(huán)形槽各相關(guān)尺寸測量，結(jié)果均合格，滿足圖樣要求。1把刀具可加工產(chǎn)品的數(shù)量為25件左右。

（2）性能測試 為驗證機械加工后副閥體的性能，采用同樣的加工參數(shù)，加工了一小批副閥體。采用這批副閥體共裝配電動氣閥產(chǎn)品19臺，經(jīng)行程檢查、電性能檢查，以及4.3MPa、2.7MPa氣密性檢查，各項數(shù)據(jù)均滿足要求。隨后抽取3臺進行濕度、低溫、高溫、壽命及氣密試驗，結(jié)果均滿足性能和使用要求。

6 兩種加工方法對比

兩種加工方法均能完成環(huán)形槽的加工。電火花加工受零件結(jié)構(gòu)的限制相對小一些，只需要準確選定工藝參數(shù)，就能實現(xiàn)環(huán)形槽的加工，但存在加工效率低、對零件已加工面污染大等缺點；機械加工可有效解決電火花加工存在的問題，不僅能提高加工效率，還能提高環(huán)形槽表面質(zhì)量的一致性。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，相比于電火花加工，機械加工的效率提高了5倍。圖7為深窄環(huán)形槽表面質(zhì)量對比，可以看出，機械加工的表面質(zhì)量遠優(yōu)于電火花加工，且更有利于保證活門座的表面質(zhì)量。

圖7 深窄環(huán)形槽表面質(zhì)量對比

7 結(jié)束語

針對副閥體環(huán)形槽的特殊結(jié)構(gòu)，進行了電火花加工和機械加工方案研究，得出以下結(jié)論。

1）通過設(shè)計合理的電極和確定合理的工藝參數(shù)，采用電火花加工方案可以實現(xiàn)副閥體環(huán)形槽的加工，但存在效率和合格率低的問題。

2）通過設(shè)計專用結(jié)構(gòu)刀具和采用“加工進給→退刀排切屑→再次進給”循環(huán)加工的方式，實現(xiàn)了環(huán)形槽的機械加工，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，效率相比電火花加工提高了5倍。

3）本例的深窄環(huán)形槽機械加工方法，可以拓展應(yīng)用到其他類似深窄環(huán)形槽的加工中，通過設(shè)計類似結(jié)構(gòu)的專用刀具來實現(xiàn)環(huán)形槽的機械加工，從而提高效率和質(zhì)量，降低成本。