提高鋁合金薄壁閥芯互換性的制造技術(shù)

李政銀

航天江南集團(tuán)有限公司 貴州貴陽 550009

1 序言

鋁合金薄壁閥芯廣泛應(yīng)用于液壓控制閥類零件中，具有質(zhì)量輕、體積小及換擋靈敏等特點(diǎn)，其表面經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化處理后，可有效增強(qiáng)零件的耐磨性，延長其使用壽命。該類產(chǎn)品在軌道交通、軍用車輛等特殊裝備的自動控制閥中得到了較好的應(yīng)用。但是，鋁合金閥芯在硬質(zhì)陽極氧化處理過程中，氧化層厚度常受槽液濃度、溫度和電流等因素的影響，產(chǎn)品一致性差，互換性不好，不利于企業(yè)降本增效。

傳統(tǒng)工藝常在零件硬質(zhì)陽極氧化處理后，根據(jù)閥孔內(nèi)徑尺寸進(jìn)行單配，即檢驗(yàn)員測量閥孔尺寸并填寫配磨表，對閥芯外圓進(jìn)行精磨，以滿足閥孔與閥芯的裝配間隙要求，確保自動控制閥的換擋品質(zhì)。精磨閥芯外圓對磨床精度、操作人員技能、砂輪及切削液的選用要求甚高，且閥芯單配閥孔工藝流程長、成本高，不利于批量生產(chǎn)，嚴(yán)重制約企業(yè)規(guī)?；l(fā)展。本文通過對零件結(jié)構(gòu)及工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)專用硬質(zhì)陽極氧化處理設(shè)備，改進(jìn)工藝方法，在提高閥芯互換性的同時，縮短生產(chǎn)周期并降低制造成本。

2 鋁合金薄壁閥芯零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1為硬質(zhì)陽極氧化處理前閥芯的機(jī)械加工要求，φd1為閥芯外圓尺寸，是閥芯與閥孔裝配的重要尺寸，有嚴(yán)格的尺寸精度及幾何公差要求。圖2為加工完成的鋁合金薄壁閥芯結(jié)構(gòu)，φd2為泄油孔直徑。該零件屬薄壁類零件，材料為6A 02-T6，其質(zhì)量輕、體積小，外圓表面需硬質(zhì)陽極化處理以增加零件的耐磨使用壽命。該薄壁盲孔零件結(jié)構(gòu)簡單，主要由內(nèi)孔和外圓組成，生產(chǎn)類型為大批量生產(chǎn)。

圖1 硬質(zhì)陽極氧化處理前閥芯的機(jī)械加工要求

圖2 鋁合金薄壁閥芯結(jié)構(gòu)

φd1外圓尺寸精度及幾何公差精度要求高，且加工過程中極易變形，是制約鋁合金薄壁閥芯提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的瓶頸。傳統(tǒng)工藝常通過預(yù)留加工余量后半精車外圓，然后進(jìn)行表面硬質(zhì)陽極氧化處理，再使用定心彈性膨脹夾具反撐內(nèi)孔精磨外圓，以滿足較高的外圓加工精度要求。

3 鋁合金薄壁閥芯加工工藝分析

鋁合金薄壁閥芯外圓尺寸為φd1-0-0.005mm，幾何公差要求控制在5μm內(nèi)，以滿足設(shè)計(jì)要求。較高的閥芯外圓尺寸精度及幾何公差要求是實(shí)現(xiàn)自動控制閥可靠、平順換擋的保證。閥芯與閥孔的裝配間隙要求0.02～0.03mm，閥芯成品的外圓尺寸及精度要求需根據(jù)與其裝配的閥孔尺寸進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，以滿足裝配間隙要求。在傳統(tǒng)工藝中，硬質(zhì)陽極氧化層厚度因受工藝水平限制，一般在0.02～0.04mm，一致性不好且易產(chǎn)生錐度，閥芯在陽極氧化處理過程中因燒蝕而報(bào)廢的情況時有發(fā)生，產(chǎn)品合格率較低。另外，傳統(tǒng)工藝常采用精磨外圓單配閥孔的工藝滿足裝配間隙要求，但硬質(zhì)陽極氧化層厚度小，精磨后，閥芯外圓的耐磨氧化層更是少之甚少，導(dǎo)致閥芯的耐磨使用壽命較短，難以滿足設(shè)計(jì)要求。因此，亟須攻關(guān)解決既能增加閥芯氧化層厚度，又能保證閥芯外徑尺寸和公差的加工難題，以增強(qiáng)閥芯的耐磨性和互換性，解決企業(yè)大批量生產(chǎn)、高質(zhì)量發(fā)展的難題。

為降低鋁合金薄壁閥芯的生產(chǎn)制造成本，提高產(chǎn)品的互換性和效益，需設(shè)計(jì)制造一種鋁合金閥芯硬質(zhì)陽極氧化處理設(shè)備，并通過改進(jìn)工藝方法，嚴(yán)格控制薄壁閥芯零件的變形量，經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化處理后，使鋁合金薄壁閥芯外圓尺寸精度、幾何公差均滿足設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后的生產(chǎn)工藝能保證閥芯外圓表面的硬質(zhì)陽極氧化層厚度均勻，且產(chǎn)品一致性好，閥芯互換性及耐磨使用壽命可得到有效提升。

4 高品質(zhì)互換性閥芯的制造工藝方法

高品質(zhì)互換性鋁合金薄壁閥芯外圓尺寸及幾何公差一致性較好，閥芯外圓不必精磨單配便可滿足與閥孔裝配后間隙要求，保證自動控制閥良好的換擋品質(zhì)。具體加工工藝方法如下。

（1）備料 選用高性能鋁合金材料并擠壓成形的6A 02-T6棒料，并將棒料切割成段，每段可加工兩個閥芯。

（3）熱處理 去應(yīng)力退火，在（150±5）℃環(huán)境下保溫4h，保溫結(jié)束后室內(nèi)自然冷卻至室溫。

（4）二次車加工 二次車工件兩側(cè)60°錐面和外圓，保證工件圓柱度e和同軸度φf達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（5）低溫冷卻 將工件置于冷柜中，并在－25～－22℃下冷卻22h（對于薄壁閥芯具有較好的變形量控制效果）。

（6）熱處理 去應(yīng)力退火，（150±5）℃保溫4h，爐冷。

（7）表面處理 使用專制設(shè)備按鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝進(jìn)行表面處理，保證處理后工件表面氧化層厚度為φd1max＋（0.040～0.045）mm，硬度≥500HV，并保證工件圓柱度e1和e2。

（8）三次車加工 裝夾工件一端外圓φd1，從工件中間割斷，一分為二。

（9）鉗加工 鉆通孔φd2，修清零件毛刺，并將銳邊倒鈍R0.04～R0.07mm。

（10）檢驗(yàn)入庫 按設(shè)計(jì)圖樣要求檢驗(yàn)零件，達(dá)標(biāo)后對零件采取防護(hù)措施后封存。

5 高品質(zhì)互換性閥芯硬質(zhì)陽極氧化裝置

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化處理裝置主要是為了保證薄壁閥芯在經(jīng)過表面處理后，閥芯外圓表面硬質(zhì)陽極氧化層厚度均勻、可控，能滿足產(chǎn)品使用壽命要求，且具有良好的互換性，不需傳統(tǒng)工藝的閥芯外圓精磨單配便能滿足裝配間隙要求，保證自動控制閥的高可靠性換擋[1]。

該裝置最核心的部件是鋁合金硬質(zhì)陽極氧化處理精確控制系統(tǒng)，主要由微型計(jì)算機(jī)控制器、整流設(shè)備、冷凍機(jī)組、空壓機(jī)、槽液調(diào)配器和陽極氧化槽組成，鋁合金閥芯硬質(zhì)陽極氧化裝置控制系統(tǒng)如圖3所示。整流設(shè)備由微型計(jì)算機(jī)控制器控制，給陽極氧化槽提供大電流脈沖電源，對零件氧化過程進(jìn)行電流、電壓的有效控制；冷凍機(jī)組根據(jù)微型計(jì)算機(jī)控制器指令對陽極氧化槽液進(jìn)行溫度控制，微型計(jì)算機(jī)控制器可根據(jù)槽液溫度反饋信息進(jìn)行恒溫調(diào)控；空壓機(jī)按微型計(jì)算機(jī)控制器程序進(jìn)行槽液攪拌，確保鋁合金閥芯表面陽極氧化層的一致性；槽液調(diào)配器由微型計(jì)算機(jī)控制器控制，根據(jù)槽液濃度反饋信息進(jìn)行自動分析并調(diào)配所需槽液；陽極氧化槽采用雙層結(jié)構(gòu)，外層為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)槽采用鉛板制造，陽極氧化槽設(shè)計(jì)尺寸為500mm×330mm×1500mm，槽內(nèi)設(shè)置冷凍管、壓縮空氣攪拌管[2]。

圖3 鋁合金閥芯硬質(zhì)陽極氧化裝置控制系統(tǒng)

6 硬質(zhì)陽極氧化處理工藝

硬質(zhì)陽極氧化處理屬特殊工藝過程，對于僅作防腐蝕的表面處理零件來說，陽極氧化處理工藝控制要求并不高，但對于鋁合金薄壁閥芯類零件來說，處理過程的控制要求極高。對槽液的配制濃度、溫度、電流和電壓等參數(shù)的控制至關(guān)重要，它們是影響鋁合金薄壁閥芯零件硬質(zhì)陽極氧化層厚度及均勻一致性的重要因素。實(shí)施處理過程精細(xì)化控制，可有效保證閥芯外圓尺寸精度、幾何公差和表面質(zhì)量要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、一致性好，可直接與精鏜后的閥孔裝配，減少傳統(tǒng)工藝的閥芯精磨單配工序，可進(jìn)一步縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

硬質(zhì)陽極氧化表面處理過程：鋁合金薄壁閥芯用銅絲固定并與陽極氧化槽的電極連接，表面處理過程中，微型計(jì)算機(jī)控制器通過分析槽液濃度消耗情況的反饋信息，向槽液調(diào)配器發(fā)出指令后，槽液調(diào)配器向陽極氧化槽補(bǔ)充槽液，槽液濃度控制在200～220g/L，同時，微型計(jì)算機(jī)控制器根據(jù)槽液溫度對冷凍機(jī)組進(jìn)行調(diào)控，使槽液溫度控制在－4℃，空壓機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)Σ垡哼M(jìn)行攪拌，使工件各表面得以均勻氧化。電流密度設(shè)定為3A/dm3，電壓設(shè)定為70V。

注意事項(xiàng)：閥芯在使用專用設(shè)備后，硬質(zhì)陽極氧化層厚度可增加0.06mm（試驗(yàn)最大值可達(dá)0.08mm），但最佳厚度在0.04mm（實(shí)踐證明已能滿足設(shè)計(jì)使用要求），且能耗較低。如再持續(xù)增加厚度，則會消耗較多的槽液和能源，制造成本急劇上升。如閥芯表面氧化層厚度不足0.02mm，則會影響閥芯使用壽命，不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，根據(jù)試驗(yàn)及自動控制閥售后質(zhì)量調(diào)研檢測，閥芯表面硬質(zhì)陽極氧化層厚度一般設(shè)計(jì)為0.030～0.045mm。

7 結(jié)束語

實(shí)踐證明，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用合理的加工策略，研制實(shí)用的專用工裝或設(shè)備，并實(shí)施精細(xì)化的工藝控制，鋁合金薄壁閥芯的質(zhì)量穩(wěn)定有保證，且互換性高，以致產(chǎn)品的可靠性和維修性得以改進(jìn)、提升。同時，在安排零件的加工工藝路線時，必須結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)形狀、加工精度和生產(chǎn)類型認(rèn)真分析研究，合理設(shè)計(jì)并制定可行的制造工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。硬質(zhì)陽極氧化處理設(shè)備及槽液的精細(xì)化控制方法，可推廣運(yùn)用于需硬質(zhì)陽極氧化處理的類似換擋閥芯，產(chǎn)品具有耐磨使用壽命長、互換性好的高品質(zhì)。