震蕩磨削在伺服閥閥套內環槽工作邊加工中的應用

何理論，楊 強，丁忠軍，姜建國

（北京精密機電控制設備研究所，北京100076）

0 引言

環槽是機械設計中常用的密封圈裝填結構，根據不同的應用環境如活塞、柱塞以及密封端面等，環槽表面和棱邊質量要求各不相同。這類環槽大多經過車削加工而成［1-2］，表面常常會殘留鱗片毛刺、微裂紋及加工溝痕等。

在受壓、動密封條件下工作的環槽結構往往采用磨削再拋研的方式加工，以提高形狀精度，降低表面粗糙度和棱邊鋒利度，防止滲漏和密封材料切損。這類型的研究包括：翟萬濤［3］研究了一種精密加工軸承內外圈環槽的成形切入磨削方法。唐照芳等［4］研究了精密零件微小相貫毛刺去除的方法，對棱邊均具有倒鈍作用。為獲得高質量的內外環槽結構，大量研究者另辟蹊徑進行了研究。Liu等［5］提出了一種利用脈沖電化學腐蝕原理的鋸齒狀電機加工微小內環槽的加工方法，該加工方法具有無刀具磨損、無切削力以及較好的表面質量的特點，適用于加工小孔內壁的微溝槽結構。焦安源等［6］提出了一種基于磁力研磨的加工方法，可對內外矩形環槽表面同時進行光整加工，可顯著降低環槽表面粗糙度，去除表面毛刺和表面紋理。Vu等［7］研究了軸承內環槽濕法成形磨削方法，利用氣動探針對砂輪磨損情況進行在線測量，該方法可用于環槽形廓精度和表面質量的在線監測。由于伺服閥滑閥副對環槽棱邊完整性和表面質量要求非常高，傳統的加工方法較難達到要求。安育軍等［8］提出了一種利用成形電極電火花磨削閥套內外環槽的加工方法，采用了電極與工件同時旋轉的方案。高俊麗［9］也提出了利用成形電極電加工伺服閥閥套工作邊的工藝方法，其電極設計成圓形和方形，為保證工作邊棱邊完整性，一個圓電極進加工一個閥套環槽，效率較低，成本高。為提升全開口閥套內環槽生產效率，國內外伺服閥生產廠家常采用硬車環槽工作邊，再對環槽端面和內孔反復研磨實現加工。該方法加工環槽的一致性不好，時常需要返工。

為了更為有效的加工伺服閥閥套全開口工作邊，迫切需要研究一種既能保證精度，又能抑制毛刺和降低粗糙度的方法。超聲振動磨削是近年來發展起來的一種磨削方法［10］，具有砂輪與工件接觸呈斷續的特點，能使工件表面和刀具切削刃處的溫度顯著降低。同樣磨削條件下，超聲振動磨削較普通磨削能增加臨界切削厚度［11］，顯著降低磨削力，對提高表面光潔度和加工精度非常有利。盡管該方法能獲得較好的棱邊和表面質量，但有關的研究主要圍繞平面、端面和內外圓磨削，基本沒有發現用于內環槽的應用實例。經過查閱文獻發現，具有快速進刀、微距往復運動特點的震蕩磨削是一種近似于超聲振動磨削的方法，該概念早在1973年就被提出，但受限于機床設備的技術水平，迄今為止公開的應用實例基本沒有，僅在極少的文獻中一筆帶過［12］。本文通過分析震蕩磨削原理，首次將其應用在伺服閥閥套全開口工作邊的精密加工上，并利用內圓磨床對閥套內環槽工作邊進行了實驗研究。相較于傳統的硬車后修研工作邊的加工方式，該方法所得的環槽工作邊表面光潔度高、毛刺與表面紋理不顯著，閥套在伺服閥性能測試中的一次合格率顯著提升。

1 伺服閥閥套工作邊技術要求

大流量數字式伺服閥功率放大級主要由閥套／閥芯零件構成的滑閥副以及安裝結構件殼體組成。閥套／閥芯零件構成的滑閥副是實現伺服閥流量壓力輸出的關鍵組件，其加工制造精度、偶件運動靈活性等性能對保證伺服閥以至伺服機構動態等性能有直接影響。

圖1為閥芯閥套工作狀態下剖切圖。為滿足大流量要求，其節流邊采用全開口結構（內環槽），閥套零件為Cr12MoV不銹鋼材料，零件內孔孔徑為Φ25mm、長度150mm以上，內環槽節流邊與閥芯零件工作邊軸向相對運動，通過工作邊開合實現流量調節。因此，節流邊質量對產品分辨率等性能有直接影響。為滿足高分辨率要求，要求節流邊的主孔垂直度不大于3μm，工作邊粗糙度低于Ra0.4μm，棱邊保持銳邊（R≤0.002mm）并無毛刺。

2 震蕩磨削原理

圖1 滑閥副搭接及閥套零件技術要求Fig.1 Technical requirements for spool valve overlap and valve sleeve

不同于超聲振動加工利用安裝在工裝或主軸上的振動源驅動刀具與材料之間產生微小振動進行加工，高頻震蕩磨削主要利用機床的快速進刀主軸在較小距離范圍內高速進行往復運動，實現砂輪與工件接觸面的斷續接觸，達到降低磨削力和磨削熱、提高加工表面光潔度的目標。為獲得高質量要求的閥套內環槽工作邊，在工作邊端平面上進行高頻的往復運動，機床震動磨削內環槽的原理如圖2所示。工件頭架上卡爪裝夾閥套外圓，利用機床Z軸實現沿Z方向的直線運動，利用機床X軸實現沿X軸快速往復運動，震蕩磨削加工時C軸發生旋轉運動，內磨頭裝夾內砂輪進行高速旋轉。其中，Z軸直線運動速度用va表示，X軸往復運動速度用vf表示，往復運動振幅用a表示，C軸旋轉速度用nc表示，砂輪旋轉速度用n表示。

圖2 內環槽工作邊震蕩磨削原理Fig.2 Oscillation grinding principle for working edge of inner annular groove

3 實驗構建

3.1 實驗條件

閥套內環槽工作邊精密磨削實驗在數控內外圓磨床S33上進行，如圖3所示。該機床砂輪主軸n的最大轉速為60000r／min，X軸方向進給速度范圍為0.001mm／min～5000mm／min，Z軸方向進給速度范圍為0.001mm／min～10000mm／min，滿足X軸向快速往復運動和Z軸微量進給的要求。閥套工件材料為Cr12MoV，材料在進行工作邊精加工時硬度大于HRC58，因此需要選擇磨削或硬車加工方式，內孔直徑為Φ20mm，環槽寬度為8mm，環槽深度為2mm。

圖3 實驗設備Fig.3 Experiment equipment

3.2 實驗方案

震蕩磨削中影響加工質量的主要有如下幾個參數：工件主軸轉速nc、砂輪主軸轉速n、X向進給速度vf和Z向進給速度va。 全開口伺服閥閥套對流量起主要控制的部位為工作邊，環槽端面并不需要完整加工，故本文將重點置于內環槽工作邊加工。因此，實驗中X向切深設置為0.5mm，Z軸進給量為0.1mm，震蕩振幅a設置為0.5mm。此次實驗僅對兩個工藝參數進行對比，分別是X向進給速度vf和Z向進給速度va，實驗參數如表1所示。該實驗中砂輪直徑為Φ18mm，砂輪線速度設置為30m／s， 工件主軸轉速nc為300r／min。

表1 實驗參數Table 1 Parameters of experiment

由于內環槽工作邊在孔內狹小空間內，為了便于加工質量的檢驗，本文設計了如圖4（a）所示的磨削實驗件，其內孔為Φ20mm，外徑為Φ31mm，長度為50mm。為保證實驗工藝參數適用于閥套加工工況，本文采用適用于磨削閥套工作邊的磨桿和相對應砂輪，如圖4（b）所示。為保證工作邊與閥套內孔軸的垂直度，在進行工作邊磨削實驗前，對實驗工件進行了基準磨削與研磨，保證了內外圓同軸度、端面與軸線之間的垂直度達到開口閥套精加工工作邊時的要求，降低了實驗對刀難度，提升了檢驗的便捷度。

圖4 震蕩磨削實驗工件及磨削方式Fig.4 Workpiece and grinding method in oscillation grinding

4 實驗結果分析

傳統閥套在加工工作邊時，為了獲得較好節流邊銳邊質量和工作邊垂直度，一般采用硬車小去量，然后再用油石精修工作邊。圖5是傳統硬車后的工作邊形貌和毛刺情況。由圖5可知，硬車后的表面紋理明顯，節流邊毛刺較大。這是因為硬車采用的刀片一般為CBN材料，刃口具有倒棱或修圓，加工方式為干切削。由于閥套工作邊硬車去量厚度約 0.1mm～0.2mm，切削深度約0.5mm，該切削厚度與CBN刀片刃口鈍圓或倒棱長度大致相等，其切削機理近似為負前角切削，容易形成翻邊毛刺，且毛刺硬度較硬，后續利用油石精修相對費勁。

圖5 硬車后工作邊形貌與毛刺情況Fig.5 Surface topography and burr of working edge in hard turning

從傳統磨削現象看，對硬度較高的材料進行端面靠磨非常容易產生磨削裂紋，靠磨速度vf大于一定值后將不同程度出現徑向磨削裂紋。采用震蕩磨削后，由于Z軸方向靠磨的同時，X軸方向砂輪與工件在進行間歇性接觸和分離，單位時間接觸弧長發生變化，生成磨削熱減少， 冷卻充分。從圖6的震蕩磨削后工件端面可知，端面紋理與傳統靠磨的切向放射狀紋理不同，呈現弧線交織網紋。不同Z向進給速度下，多次磨削結果均沒有出現磨削裂紋，端面粗糙度較好，毛刺相對較小，棱邊極少出現崩邊現象。

圖6 實驗工件va取100mm／min時端面震蕩磨削結果（×100）Fig.6 Surface topography and burr of working edge in oscillation grinding when va＝100mm／min

按照表1給出的工藝參數進行了實驗，利用Keyence激光顯微鏡對端面粗糙度和毛刺高度進行了測量，如表2所示。端面粗糙度采用框選方式進行，選取3～5個選區的平均值。毛刺高度采用激光掃略功能，截取3D截面進行大致毛刺高度測量。

表2 實驗結果Table 2 Results of experiment

震蕩磨削過程參與運動的各個主軸均為瞬時變量，由上述選定工藝參數可知：若計算每秒的狀態，工件以300r／min定速旋轉（1s旋轉約5圈），當X向進給速度vf為0.05mm／min、Z向進給速度va為 100mm／min時，每秒時間內端面切深為0.8μm，砂輪在Z方向上0.5mm振幅震蕩約1.6次。顯然va越大，砂輪在Z方向振動頻次越多，端面紋理越均勻，其形成的表面光潔度越高。從表2的Ra值變化可知，若vf不變，va越大，獲得的表面粗糙度值越低，符合上述分析。而vf值越大，單位時間內端面切削厚度越大，其對應的毛刺將越大，這一規律也符合表2的測試結果。

根據表2所測結果進行主效應方差分析，如圖7所示。Z軸和X軸進給量對表面粗糙度和毛刺高度的影響相對一致，va越大、vf越小，對應的表面粗糙度越低、毛刺高度越小。因此，最優組合為va取200mm／min，vf取 0.02mm／min。 從檢測結果看，上述工藝選值加工后的結構基本均滿足設計要求?？紤]到生產效率，決定選取va＝100mm／min、vf＝0.05mm／min為閥套工作邊磨削參數。上述參數實驗后的測試結果如圖8所示，放大200倍結果的表面粗糙度和工作邊質量均良好。

圖7 粗糙度和毛刺高度的均值主效應圖Fig.7 Main effect diagram of mean for surface roughness and burr

圖8 環槽工件震蕩磨削后切片檢測結果Fig.8 Experiment results of work edge of valve sleeve in oscillation grinding

5 結論

閥芯閥套重疊處閥口工作邊棱邊質量決定了伺服閥的工作性能，因此閥芯閥套的工作邊加工一直是伺服閥工藝研究的重點。特別是閥套，其工作邊屬于半封閉結構，加工和檢測均受到限制，長期以來針對閥套內環槽工作邊的高精度加工的成功案例較少。本文通過分析震蕩磨削原理，首次將其應用在伺服閥閥套全開口工作邊的精密加工上，并利用內圓磨床對閥套內環槽工作邊進行了實驗研究，構建了震蕩磨削正交實驗，利用數學工具分析了不同加工參數對工作邊表面粗糙度和毛刺生成的影響。實驗結果表明，Z軸和X軸進給速度對表面粗糙度和毛刺高度的影響相對一致，va越大、vf越小，對應的表面粗糙度越低、毛刺高度越小。最后，利用優選工藝參數，采取震蕩磨削方式進行全開口閥套工作邊的磨削，實驗結果滿足閥套設計要求。與原有硬車后研磨工序加工的閥套相比，其表面粗糙度、表面紋理和毛刺均得到較大改善。經過裝機性能測試，通過震蕩磨削加工的伺服閥組件性能穩定性更高，流量曲線更好，產品一次合格率高。