1 序言
液壓控制系統(tǒng)的控制精度直接影響產(chǎn)品性能。閥套是液壓控制系統(tǒng)中伺服閥的核心零件，其加工精度直接影響伺服系統(tǒng)的控制性能[1]。閥套中內(nèi)環(huán)槽的主要作用是控制伺服閥的流量等參數(shù)，由于零件材料硬，環(huán)槽精度高，因此加工難度大。通過對精密內(nèi)環(huán)槽加工工藝進(jìn)行分析，找出影響加工精度的因素并制定具體的工藝方案，解決了精密內(nèi)環(huán)槽加工難題。
2 精密內(nèi)環(huán)槽零件工藝分析
圖1所示為精密內(nèi)環(huán)槽零件，材料為馬氏體不銹鋼，硬度≥55HRC。外形有環(huán)槽，內(nèi)孔Φ7.8mm，長度＞70mm，內(nèi)壁四環(huán)槽。環(huán)槽尺寸2.2－0－0.1m m×Φ9.5 ＋0.1＋0mm ，位置尺寸（30±0.03）mm 、（20±0.03）mm，相對R軸向圓跳動0.004mm，表面粗糙度值Ra =0.4μm，槽與內(nèi)孔相交處尖邊Rmax=0.01mm。
根據(jù)圖1要求，分析零件內(nèi)環(huán)槽加工難點有幾何公差、表面粗糙度及位置尺寸。為了保證零件能夠穩(wěn)定高效地加工，必須找出影響零件加工的主要因素，分析原因并制定方案來解決精密內(nèi)環(huán)槽加工難題。
影響因素分析如下：
1）材料熱處理后硬度≥55HRC，難切削，傳統(tǒng)加工方式難以保證加工要求。
2）工藝系統(tǒng)剛性差。零件長度＞70mm、內(nèi)孔直徑7.8mm，刀桿細(xì)長，剛性不足，加工時易出現(xiàn)振動、扭曲及斷裂等現(xiàn)象。
3）切削過程中排屑和散熱難。切削路徑長，排屑空間小，切削過程中切屑難于排出，容易與內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，劃傷內(nèi)孔壁。同時也容易發(fā)生切屑阻塞，導(dǎo)致刀具損壞，零件報廢。
4）零件精度是微米級，檢測也是重要因素。通過對零件工藝分析得出，高硬度材料加工、工藝系統(tǒng)剛性、排屑、散熱和檢測方法是影響內(nèi)環(huán)槽加工的主要因素。本次提出采用電火花加工工藝，可以解決高硬度材料加工、工藝系統(tǒng)剛性差、加工排屑和散熱問題，實現(xiàn)精密內(nèi)環(huán)槽的加工。
3 工藝方案制定
工藝路線合理程度對內(nèi)環(huán)槽加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。零件內(nèi)環(huán)槽位置基準(zhǔn)、跳動基準(zhǔn)分別是兩端面和外圓，由于它們的加工基準(zhǔn)又轉(zhuǎn)化到內(nèi)孔，所以內(nèi)孔加工精度必須嚴(yán)格控制。
制定工藝方案如下：下料→調(diào)質(zhì)→粗加工→真空淬火（硬度≥55HRC）→半精加工內(nèi)孔→半精加工外圓、總長→時效→精加工內(nèi)孔→精加工外圓、總長→電火花精加工內(nèi)環(huán)槽→鉗工去毛刺。方案中先粗加工內(nèi)環(huán)槽，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)精加工外圓和兩端面，利用外圓和端面定位電火花精加工內(nèi)環(huán)槽。優(yōu)點是環(huán)槽加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，缺點是加工工序多、周期長、效率低以及成本高。
4 加工過程控制
為了保證精密內(nèi)環(huán)槽精加工質(zhì)量，精加工前零件外圓、內(nèi)孔、總長和粗加工環(huán)槽必須嚴(yán)格控制，具體要求如下。
4.1 內(nèi)環(huán)槽粗加工質(zhì)量控制
?。?）內(nèi)環(huán)槽粗加工要求 位置尺寸留余量0.12mm，1#和4#槽、2#和3#槽相對軸向中心對稱度≤0.1mm。為了保證加工效率，零件總長公差≤0.04mm，這樣才能避免因為誤差積累而出現(xiàn)零件報廢現(xiàn)象。
?。?）外圓精加工 外圓加工基準(zhǔn)是內(nèi)孔，材料淬火后硬度≥55HRC，需要通過珩磨和研磨后，使精度達(dá)到圓柱度0.003mm、表面粗糙度值Ra=0.4μm以及公差0.01mm。再以內(nèi)孔為基準(zhǔn)磨削外圓，保證與內(nèi)孔同軸度Φ0.01mm、圓柱度0.002mm以及表面粗糙度值Ra=0.4μm。
4.2 內(nèi)環(huán)槽精加工控制
精密內(nèi)環(huán)槽精加工需要考慮加工設(shè)備、零件定位裝夾、工具電極、刀具路徑規(guī)劃、加工參數(shù)和檢測方法等方面，才能保證精密內(nèi)環(huán)槽高質(zhì)量穩(wěn)定加工。
?。?）加工設(shè)備選擇 精密內(nèi)環(huán)槽加工時，由于不僅需要自動找正、三軸聯(lián)動插補加工，還需要主軸高速旋轉(zhuǎn)，所以選用四軸高精度火花機AD30Ls。該機床全行程重復(fù)定位精度0.005mm，主軸最高轉(zhuǎn)速1500r/min，同時能夠完成自動找正、對刀、沖油和抽油等操作，適用于中小尺寸高精度零件加工。
?。?）零件定位裝夾 零件的定位裝夾精度直接影響精密內(nèi)環(huán)槽的加工，選擇合理的定位基準(zhǔn)面和夾緊部位是設(shè)計合理可靠工裝的關(guān)鍵。
零件定位裝夾如圖2所示。定位夾具由磁臺、墊塊、精密V形塊和弓形夾組成。V形塊和墊塊是定位基準(zhǔn)，弓形夾是夾緊機構(gòu)。此夾具是利用零件外圓和端面為基準(zhǔn)定位零件，定位基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)重合，定位精度高。同時，該夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。
圖2 零件定位裝夾
?。?）工具電極設(shè)計 電火花加工原理是基于工具和工件（正、負(fù)電極）之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到對零件尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求[2]。利用圓形工具電極對環(huán)槽持續(xù)放電，完成對精密內(nèi)環(huán)槽的加工。電極的形狀和精度直接影響加工精度。工具電極如圖3所示，外形是帶有喇叭口的圓柱體，圓柱面的作用是找正零件中心，右端面0.2mm平面是保證放電加工時電極處于線接觸，這樣加工的內(nèi)環(huán)槽工作邊跳動才能合格。
圖3 工具電極
電極尺寸確定：電極厚度尺寸B＝（環(huán)槽寬度2.2mm－加工余量0.2mm）－0.05mm。電極直徑D＝（內(nèi)孔直徑7.8mm－間隙0.2mm）－0.05mm，同時還需要兼顧電極直徑D＞環(huán)槽直徑9.6mm－內(nèi)孔直徑7.8mm＋電極桿直徑5mm，保證電極有足夠切削刃。
?。?）加工路徑規(guī)劃 在加工時要先規(guī)劃出工具電極運動軌跡，使電極切削面沿精密內(nèi)環(huán)槽工作邊運動，獲得電極的最佳位置姿態(tài)[3]。只有規(guī)劃出最優(yōu)電極運動軌跡，才能保證精密內(nèi)環(huán)槽加工質(zhì)量和效率。從圖1中可以看出，零件精密內(nèi)環(huán)槽左右對稱，環(huán)槽工作邊1#和3#同向，2#和4#同向，加工時先加工一端，然后調(diào)頭加工另一端。在加工單個精密內(nèi)環(huán)槽時，要實現(xiàn)電極自動定位、空加工時快速移動及插補加工時精確運行。自動定位軌跡如圖4所示，工具電極快速移動和插補加工運動軌跡如圖5所示。電極自動定位時自轉(zhuǎn)速度要保持在100r/min，這樣可保證電極自動定位準(zhǔn)確性。
圖4 自動定位軌跡
工具電極加工精密內(nèi)環(huán)槽單次運動軌跡為：工具電極先快速移動至環(huán)槽加工位置，直線插補加工環(huán)槽半徑后，圓弧插補加工環(huán)槽，加工完成回X-Y平面原點，重新移至指定深度重復(fù)直線插補和圓弧插補加工，直到滿足工藝要求為止。從單個環(huán)槽加工路徑分析，要完成多個環(huán)槽的加工，需要重復(fù)圖4和圖5所示的定位和插補軌跡，才能完成整個零件所有精密內(nèi)環(huán)槽加工。注意加工2#和4#環(huán)槽時，要調(diào)頭重新裝夾找正零件，才能重復(fù)操作加工精密內(nèi)環(huán)槽。
?。?）電加工參數(shù)確定 單個精密內(nèi)環(huán)槽軸向位置余量0.12mm，需要分粗、精加工。粗加工總余量0.06mm，半精加工總余量0.05mm，精加工總余量0.01mm。粗、精加工切削深度分配，粗加工0.02～0.03mm/次，半精加工切削深度0.01mm/次，精加工切削深度0.005mm/次。經(jīng)過調(diào)試驗證，切削參數(shù)見表1。
表1 切削參數(shù)
表1中，在粗加工、半精加工時選擇正極性，利用窄脈寬、相對大的電流對環(huán)槽進(jìn)行加工，電極損耗低，加工速度快[4]。在精加工時選擇負(fù)極性，利用寬脈沖、小電流加工環(huán)槽，電極損耗低，加工精度高[2]，但是由于加工速度慢，所以精加工余量不能太大，否則加工時間很長。
?。?）檢測方法 精密內(nèi)環(huán)槽需要檢測的關(guān)鍵參數(shù)有槽位尺寸、表面粗糙度、工作邊軸向圓跳動和尖邊尺寸，其中表面粗糙度是電加工參數(shù)保證，而槽位尺寸、工作邊軸向圓跳動和尖邊尺寸，則需要利用專用檢測設(shè)備進(jìn)行檢測。由于零件精度高，檢測部位在零件內(nèi)部，經(jīng)過對比分析，選擇萬能工具顯微鏡進(jìn)行檢測，設(shè)備X、Y坐標(biāo)行程為200mm和100mm，分辨率為0.0002mm，可滿足測量要求。檢測裝夾如圖6所示。
圖6 檢測裝夾
在萬能工具顯微鏡上使用30倍目鏡找正精密V形塊，并夾緊固定，檢測時將零件放置于V形塊上，小燈泡從右端放入檢測環(huán)槽處，調(diào)整顯微鏡目鏡，通過漏油孔檢測環(huán)槽相關(guān)尺寸。內(nèi)環(huán)槽檢測順序為：①檢測環(huán)槽工作邊軸向圓跳動0.004mm和工作邊尖邊尺寸。②檢測環(huán)槽位置尺寸和槽寬。
?。?）試驗結(jié)果及分析 根據(jù)以上分析進(jìn)行試加工（見圖7），對100個零件進(jìn)行試驗驗證，經(jīng)測量，環(huán)槽寬度2.2－0－0.1mm、位置尺寸（20±0.03）mm、（30±0.03）mm及表面粗糙度值Ra=0.4μm合格率100%，環(huán)槽軸向圓跳動0.004mm和工作邊尖邊Rmax=0.01mm合格率95%。
a）環(huán)槽加工中
b）加工后的環(huán)槽
圖7 環(huán)槽加工
5 結(jié)束語
本文對典型精密內(nèi)環(huán)槽零件進(jìn)行工藝分析后，確定了影響環(huán)槽加工的關(guān)鍵因素，分析原因并制定針對性解決措施。通過對電火花加工設(shè)備、工具電極、夾具、加工路徑規(guī)劃和電加工參數(shù)等一系列優(yōu)化設(shè)計，圓滿解決了高精度內(nèi)環(huán)槽的加工問題。通過試驗驗證，滿足批量生產(chǎn)條件。同時也對其他類似產(chǎn)品的加工提供了參考思路。
