擠壓研磨技術(shù)應(yīng)用于電磁閥閥芯去毛刺工藝

劉 翔，曹飛龍，李旭光，李 波

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

電磁閥是液體火箭發(fā)動機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，飛行試驗時根據(jù)系統(tǒng)指令進(jìn)行打開、關(guān)閉動作，為推力室提供氧化劑和燃料，控制推力室的啟動及關(guān)機。閥芯作為電磁閥重要關(guān)鍵運動零件之一，其內(nèi)部相交孔為發(fā)動機介質(zhì)的流通流道，塑料面為電磁閥的重要密封面，若閥門工作過程中閥芯相交孔處存在與木材脫落的毛刺或形成多余物，會造成電磁閥密封失效或電磁閥卡滯，目前航天發(fā)動機多余物的防控主要集中在成品檢測環(huán)節(jié)，預(yù)先防控不足。國內(nèi)學(xué)者提出利用磨料流去除閥芯相交孔毛刺，并對磨料流的切削理論和技術(shù)進(jìn)行了概述，但未對電磁閥閥芯的去除工藝方法進(jìn)行研究。隨著液體動力向小型化發(fā)展的趨勢,電磁閥零件設(shè)計特征尺寸也快速向小型化轉(zhuǎn)變，1 mm及1 mm以下的相交孔大量出現(xiàn)在電磁閥零件上，同時電磁閥閥芯材料為具備強度低、黏性大特點的耐蝕軟磁合金，加工后小孔相交處毛刺不易從母材上去除。本文提出使用擠壓研磨技術(shù)去除閥芯相交小孔及排氣孔孔口毛刺，并對電磁閥閥芯制造過程中的多余物進(jìn)行控制，提高了閥芯相交孔毛刺去除的一次合格率，同時提高了電磁閥工作可靠性。

1 電磁閥閥芯現(xiàn)有制造流程中多余物控制的局限性

1.1 電磁閥閥芯多余物產(chǎn)生位置識別

電磁閥閥芯為典型的非金屬塑料壓裝入金屬閥芯基體的結(jié)構(gòu)，金屬閥芯基體上1 mm及1 mm以下小孔均采用鉆削方式加工，鉆削完成后須在20倍顯微鏡下進(jìn)行毛刺手工刮除，然后采用熱能去毛刺方法進(jìn)行毛刺去除。閥芯基體加工完成后與非金屬塑料塊壓裝形成閥芯，塑料密封槽小孔因塑料壓裝形成半封閉結(jié)構(gòu)，易存儲微細(xì)多余物，因此閥芯加工后需在30倍放大鏡下對盲小孔內(nèi)多余物進(jìn)行去除。閥芯制造過程如圖1所示，閥芯制造過程中多余物產(chǎn)生位置如圖2所示。閥芯斜孔和塑料密封槽小孔相交部位，因孔徑較小且深度較大，容易造成毛刺等多余物殘留。

圖1 電磁閥閥芯制造過程Fig.1 Manufacturing process of solenoid valve spool

圖2 電磁閥閥芯制造過程中多余物產(chǎn)生位置Fig.2 Position of surplus material in manufacturing process of solenoid valve spool

1.2 現(xiàn)有制造流程中多余物控制的局限性

現(xiàn)有閥芯相交小孔去毛刺的方式是首先操作者使用工具對存在毛刺的部位直接進(jìn)行機械去除，隨后采用熱能去毛刺方式對內(nèi)孔微觀纖維毛刺進(jìn)行去除。

閥芯上多為1 mm及1 mm以下的相交孔結(jié)構(gòu)，且位于零件深腔，受空間位置影響,小型工具去除毛刺軌跡無法完全沿內(nèi)孔相貫棱邊進(jìn)行切削，去除毛刺效果差，且對已加工表面造成二次劃傷，去除過程中需要反復(fù)多次使用內(nèi)窺鏡、放大鏡檢查，因此手工去毛刺效率低下且加工一致性差。手工去毛刺效果如圖3所示。

圖3 手工去毛刺后示意圖Fig.3 Schematic diagram of manual burr removal

熱能去毛刺技術(shù)是一種常用的特種加工去毛刺技術(shù)，此前已經(jīng)有研究者對鋼、鋁、銅等材料進(jìn)行試驗分析，能夠?qū)⒘慵嘟豢滋幟踢M(jìn)行去除，但加工后針對精加工零件在熱能去毛刺后需進(jìn)行酸洗去除氧化色會影響易加工表面的質(zhì)量。熱能去毛刺技術(shù)的操作方法為采用氫氣和氧氣按照特定比例混合進(jìn)行點火，使用點火后發(fā)生爆炸瞬間產(chǎn)生的熱量進(jìn)行毛刺去除，但因爆炸過程不可控易造成零件過燒的情況且對較大毛刺難以去除，國內(nèi)外未推廣使用熱能去毛刺技術(shù)進(jìn)行閥芯相交孔處的毛刺去除。

2 電磁閥閥芯擠壓研磨去毛刺和多余物控制工藝流程

2.1 擠壓研磨技術(shù)

擠壓研磨技術(shù)也稱磨粒流加工技術(shù)，通過載有磨料的黏彈體軟性磨料介質(zhì)，在壓力作用下流過零件被加工面而實現(xiàn)的表面光整加工，即在零件加工后提高零件內(nèi)部復(fù)雜流道或異形流道的表面質(zhì)量，同時當(dāng)采用流動性好、不易黏附類型的磨料介質(zhì)在特定參數(shù)下亦可實現(xiàn)微量切削從而進(jìn)行微小錐孔的加工?；跀D壓研磨技術(shù)的上述優(yōu)勢，此前研究已將該項技術(shù)應(yīng)用于宏觀零件的棱邊毛刺去除，針對使用磨料流進(jìn)行小型零件內(nèi)部微小相交孔處毛刺去除未進(jìn)行研究。擠壓研磨技術(shù)的主要特點是磨粒受擠壓力作用與產(chǎn)品零件表面接觸后將零件材料進(jìn)行研磨去除，擠壓過程中磨粒隨機方式進(jìn)行排列，在擠壓力作用下按一種方向進(jìn)行流動，加工原理如圖4所示，通過擠壓研磨可將軟性磨料輸送至零件內(nèi)腔的所有部位進(jìn)行研磨加工，因此可用于閥芯零件狹小深腔位置的小尺寸相交孔處毛刺去除。

圖4 擠壓研磨原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of extrusion grinding principle

2.2 擠壓研磨技術(shù)的加工介質(zhì)

擠壓研磨技術(shù)的加工介質(zhì)是具有切割性、柔軟性和黏彈性的半固態(tài)載體高分子材料和磨砂組成的磨料，如圖5所示。高分子碳化硅(SiC)磨料的尺寸在0.005～1.5 mm之間，顯微硬度為2 840～3 320 kg/mm，莫氏硬度9.5級，具備較高內(nèi)聚力和較小附著力的特點，使用過程中不會黏附在工件上二次形成多余物。

圖5 磨粒示意圖Fig.5 Diagram of wear debris

2.3 基于擠壓研磨技術(shù)的閥芯去毛刺和多余物控制工藝流程

閥芯基體1 mm及1 mm以下小孔加工完成后，使用擠壓研磨技術(shù)對兩處小孔進(jìn)行毛刺去除，同時在閥芯塑料進(jìn)行切削加工之前，對半封閉空間進(jìn)行封堵防護(hù)，避免多余物進(jìn)入，具體工藝流程如圖6所示。

圖6 閥芯擠壓研磨技術(shù)多余物控制工藝過程Fig.6 Control process of surplus material in valve spool with extrusion grinding technology

3 電磁閥閥芯擠壓研磨去毛刺和多余物控制工藝設(shè)計

3.1 閥芯擠壓研磨去毛刺工藝方案設(shè)計

基于擠壓研磨技術(shù)的閥芯去毛刺，將閥芯放置在擠壓研磨工藝裝備內(nèi)呈圓形陣列，工藝裝備固定在設(shè)備工作臺上，使磨料閥芯內(nèi)腔往返運動去除閥芯交口相貫部位的毛刺。具體工藝方案如圖7所示。

圖7 閥芯擠壓研磨去毛刺工藝方案Fig.7 Process plan of extruding grinding for burr removal in valve core

因閥芯斜孔尺寸較大，采取先正向后反向的流動方案，密封槽排氣孔相交處毛刺較小，采取正向的流動方案去除毛刺，其去除時加工介質(zhì)數(shù)量較少，應(yīng)保證加工介質(zhì)不流入閥芯斜孔內(nèi)。

結(jié)合上述工藝方案設(shè)計，電磁閥閥芯擠壓研磨工藝裝備設(shè)計主要采用上、下盤和支撐螺栓組成，保證設(shè)備夾緊力完全作用在支撐螺栓上。一次可放置零件10～18個，上下盤磨料流動的通道孔徑為6 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示，可提高磨料的驅(qū)動壓力，使磨料在閥芯內(nèi)腔中充分、快速地流動，減少磨料滯留時間。

圖8 擠壓研磨工藝裝備Fig.8 Extrusion and grinding equipment

3.2 閥芯擠壓研磨去毛刺主要工藝參數(shù)

將擠壓研磨光整技術(shù)中的磨料顆粒度、磨料壓力、研磨時間加工因素結(jié)合閥芯零件結(jié)構(gòu)特點和材料特性進(jìn)行擠壓研磨去毛刺技術(shù)工藝參數(shù)研究，閥芯材料為耐蝕軟磁合金1J116，布氏硬度約為188,抗拉強度390 N/mm，閥芯斜孔采用高分子碳化硅的磨料(80#)、磨料壓力采用8 MPa進(jìn)行毛刺去除，最終影響毛刺去除效果的工藝參數(shù)主要為正向、反向的去除時間，選取3水平正向時間和3 水平反向時間進(jìn)行正交試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 閥芯斜孔擠壓研磨去毛刺主要工藝參數(shù)工藝試驗Tab.1 Experiment of main technological parameters for burr removal by extrusion grinding in the oblique hole of valve spool

密封槽排氣孔尺寸較小，需要選取顆粒較小的加工介質(zhì)，采用高分子碳化硅的磨料(200#)、磨料壓力采用8 MPa進(jìn)行毛刺去除，其影響毛刺去除的工藝參數(shù)主要為正向去除時間。通過控制擠壓研磨正向6水平單因素試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 密封槽排氣孔擠壓研磨去毛刺主要工藝參數(shù)工藝試驗Tab.2 Experiment of main technological parameters for burr removal by extrusion grinding in the vent hole of seal groove

根據(jù)工藝試驗結(jié)果，閥芯斜孔交口毛刺去除效果良好的方案為正向90 s、反向120 s，密封槽排氣孔交口毛刺去除效果良好的方案為正向100 s，試驗去除的效果如圖9所示。

圖9 零件去除毛刺后示意圖Fig.9 Schematic diagram of parts after burr removal

4 應(yīng)用效果與特性

擠壓研磨去除電磁閥閥芯相交小孔毛刺和多余物控制工藝方法，加工介質(zhì)可充分、規(guī)則地去除相交小孔處連接毛刺和銳邊結(jié)構(gòu)，且對閥芯內(nèi)孔進(jìn)行拋光提高了表面光潔度，閥芯交口毛刺去除的效率大幅度提升。使用該技術(shù)前1件零件去除交口毛刺約10 min，優(yōu)化后一套夾具可對12件零件同時進(jìn)行去毛刺，平均一件零件去除時間約6 min，去毛刺時間縮短40%，提高了現(xiàn)有制造流程的效率，電磁閥閥芯具備高度的設(shè)計一致性，可設(shè)計通用型夾具提高該項技術(shù)的適應(yīng)性。

5 結(jié)語

基于擠壓研磨的閥芯毛刺去除和多余物控制工藝方法，解決了電磁閥閥芯相交小孔手工去除毛刺一致性差、效率低的問題，消除了加工相交處毛刺脫落母材造成多余物的風(fēng)險。該方法適用于具有類似相交小孔結(jié)構(gòu)的小型零件的毛刺去除，對提高產(chǎn)品性能具有參考意義。