高精度细长杆控制阀加工技术

李政银

航天江南集团有限公司 贵州贵阳 550009

1 序言

控制阀是机电液控制系统的重要零件之一，主要用来实现控制系统的挡位选择及换挡，广泛应用于矿山机械、油气田开采装备等变速器的换挡控制，其加工制造水平直接关系到变速器各挡位换挡的可靠性和平顺性。控制阀属细长杆零件，其工艺制造涉及大长径比的高精度外圆加工，零件轴向设计有多处油槽，径向设计有不均匀的偏心油孔，油槽与油孔垂直交叉，不对称分布，在车削或磨削精加工外圆过程中，常因刚性不足而产生挠性变形，影响零件的加工精度，产品加工合格率及生产效率极低。

本文通过对零件结构特征进行分析，配制特殊比例的便于重复利用的低熔点合金，对控制阀油道进行浇注填充，并使用大长径比细长杆加工装置增强零件的加工刚性，避免了零件在加工过程中因受切削力影响而产生变形和振动，零件加工合格率及生产效率得以大幅提升。

2 控制阀结构特点

控制阀结构如图1所示，坯料为45钢，在杆件的各段设计有圆弧状油槽，同时设计径向偏心深孔（φd3处的偏孔及φd4孔深度近280mm）与油槽接通，控制阀外圆与阀体内孔装配后需保持一定装配间隙（0.025～0.035mm）[1]，通过控制系统实现液力变速器的各挡位换挡。控制阀在加工过程中因受切削力、切削热和夹紧力的影响，易产生变形和振动。

图1 控制阀结构

控制阀长径比达40∶1以上，属典型的大长径比细长杆零件，且在径向和轴向设计分布不均的油孔和油槽，精加工外圆时，零件加工刚性差，且易产生跳动，零件外圆加工质量不易得到保证。该零件生产类型为小批量生产，其外圆尺寸精度、几何公差和表面质量是影响控制阀实现变速器换挡平顺性和可靠性的关键因素。

3 控制阀外圆精加工工艺分析

控制阀外圆精加工是影响产品加工质量的关键工序，因其长径比大而易产生挠性变形，且受不均布的油孔和油槽影响，高速旋转加工时易产生跳动，加工振动随之加剧，变形较大，产品质量不受控。为解决精加工难题，常考虑对零件进行浇注填充以增强其加工刚性[2]。

零件填充物在机械加工领域常选用石蜡、尿素及低熔点合金等物质。针对控制阀的结构特点，为减少零件质量分布不均的影响，控制阀填充物选择低熔点合金进行浇注填充，近似于铸造，使零件形成一个刚性实体，高速旋转时，减少零件的径向圆跳动，且零件刚性得到加强，不易变形。低熔点合金的配制方法很关键，配制材料成分及比例对控制阀浇注填充的实效性影响较大。

控制阀浇注填充低熔点合金后，其加工刚性得以增强，但该零件长径比较大，如再配合细长杆加工装置（一种避免细长杆零件径向圆跳动的装置）进行精加工，可极大地提高零件的加工刚性，最大程度地减少零件因切削力而产生的振动、挠性变形等不利影响，保证零件的外圆尺寸精度及几何公差要求。具体工艺安排如下。

1）对完成油孔和油槽加工后待精加工外圆的控制阀进行低熔点合金浇注。

2）采用细长杆加工装置对零件外圆开展车削或磨削，保证外圆φd1和φd2的尺寸精度、几何公差精度和表面质量。

3）溶解合金，清除残留在控制阀油孔及油槽表面的合金，清洗工件。

4）钳加工，去除零件精加工产生的锐边毛刺。

4 控制阀外圆精加工工艺

控制阀浇注低熔点合金后，在车床或磨床上使用细长杆加工装置，对外圆φd1和φd2进行精加工，具体加工工艺如下。

1）配制低熔点合金，并校直工件。

2）热处理：待工件油槽和油孔加工后进行低温回火，加热到（150±10）℃保温2h，随炉空冷，消除工件内应力。

3）钳加工：对工件各段系列圆弧状开口油槽进行密封包扎。

4）工件预热：将工件放于烘箱中预热并保温，加热至（110±10）℃，保温30min。

5）熔化合金：合金加热熔解，撇去浮渣及杂物，在230℃进行保温待浇注。

6）浇注合金：测量并控制液态合金温度。用不锈钢料勺盛装合金溶液，并测量其温度，控制在（210±10）℃待浇注，温度偏高时空冷降温。从烘箱中取出工件，进行合金浇注，浇注过程中保证工件油孔和油槽处浇足。

7）冷却：工件浇注后进行空冷降温，直至合金冷凝为固态。

8）拆卸：拆卸工件上的包扎附属物，用保护套对工件进行保护。

9）对工件进行精加工：使用细长杆精加工装置，将工件夹持于自定心卡盘之上，取下保护套，根据工艺要求，在车床或磨床上对工件进行精加工，保证工件的尺寸要求和几何公差。

10）在金属容器中注入机油，油液深度应能没过工件。

11）溶解合金：把工件放入油液中加热，严控油液温度，使合金充分溶解。

12）清理工件：取出工件，清除残存在细长杆控制阀油孔及油槽表面上的合金，用煤油清洗工件。

13）合金回收：分离金属容器中的合金与机油，保存合金备用。

14）钳加工：清除精加工后工件表面产生的锐边毛刺。

5 低熔点浇注合金的配制方法

细长杆控制阀的浇注合金必须满足浇注填充要求，合金浇注后应具有较低的熔点、良好的刚性、较小的膨胀系数及较好的可结合性和可脱离性[3]，配制的合金必须满足以下几点要求：①具有较低的熔点，但又要避免填充合金因零件在切削加工过程中受到切削热而产生熔化，以便实现填充合金的状态变化，易于完成零件的合金填充，同时减少热变形对零件的影响。合金熔点在110～150℃较为理想。②具有足够的刚度，以控制零件加工时的变形量小于零件尺寸公差的10%。③合金的膨胀系数要小，确保在常温下，零件腔内的填充合金收缩量小于零件尺寸公差的10%。④具备良好的可结合性和可脱离性。可结合性指填充物凝固时与零件间具有较好的结合力；可脱离性指熔化后的填充物不会残留在零件腔内而造成质量问题。

针对控制阀的45钢材料，低熔点合金配制成分主要选用铋、铅、锡和镉4种材料，主要考虑选用材料无毒、无害，符合职业环境健康要求，且所选金属材料常用、易于采购。具体配制方法：以铋金属为主要成分，逐渐加入铅、锡和镉金属元素，并不断改变其含量，严格按照铋50%、铅26.7%、锡13.3%和镉10%的比例进行配制，待各种金属熔解后，搅拌均匀，然后进行冷却凝固，便可配制成低熔点合金。该合金熔点为138.5℃，冷凝时膨胀系数为0.05%。

低熔点合金配制及使用、回收过程要注意以下几点。

1）低熔点合金配制要严格按照金属元素给定比例进行，且在配制时要及时将杂质、金属氧化物清理干净。

2）在使用和回收过程中，应避免合金被污染，及时清理合金溶液中的切屑和杂质。

3）低熔点合金可重复使用，但在回收利用过程中，要定期对低熔点合金的熔点及成分进行检测，避免合金因重复利用导致消耗过大而降低性能。低熔点合金循环使用次数最好不超过4次，多次回收利用会导致一些合金成分发生消耗，造成配制比例发生改变，从而引起合金成分及熔点的变化。

6 控制阀细长杆外圆精加工装置

为增强大长径比控制阀的加工刚性，避免零件在精加工时因切削力作用而产生径向圆跳动，在对控制阀油孔和油槽进行浇注、增强零件加工刚性的同时，使用细长杆加工装置进行精加工，零件加工精度得到了有效保证[4]。细长杆精加工装置结构如图2所示，包括自定心卡盘2和活动顶头4。自定心卡盘2与机床主轴固定联接在一起，用于夹持细长杆工件1，并且在活动顶头4的作用力下保持平稳。活动顶头4与切削刀具3均安装于机床刀座7之上，并且对称地分列于工件1的两侧。机床刀座7之上设置有空槽，空槽以内放置弹性构件5，活动顶头4一端置于机床刀座7以内，并且与弹性构件5的一端活动联接，弹性构件5的另一端与圆柱头螺钉6活动联接。

图2 细长杆精加工装置结构

在车床或磨床上精加工细长杆控制阀的过程中，先用自定心卡盘2装夹细长杆工件1，工件的加工处与机床的切削刀具3相接触，还与活动顶头4相接触，活动顶头4的位置可以通过圆柱头螺钉6调整，拧紧圆柱头螺钉6则弹性构件5受压，活动顶头4被顶出。圆柱头螺钉6根据细长杆直径的大小进行适当的调节，进而调整弹性构件5的力度，防止细长杆出现跳动的现象，从而达到提高细长杆切削加工精度的目的。切削刀具3可以是直杆状车刀，也可以是圆盘形的砂轮。活动顶头4暴露于机床刀座7外部的结构外形与切削刀具的外形形状按照以下两种方式匹配：①切削刀具为直杆状刀具时，活动顶头4暴露于机床刀座7外部的结构外形为圆柱体。②切削刀具为圆盘状刀具时，活动顶头4暴露于机床刀座7外部的结构外形为圆盘形滚轮。

此外，活动顶头4一端设有台阶，台阶端置于机床刀座7的空槽中，圆柱头螺钉6外端面设置内六角盲孔，便于拧紧或松开圆柱头螺钉6。弹性构件5为圆柱螺旋压缩弹簧。

精加工控制阀外圆时，活动顶头与切削刀具对称地分列于工件的两侧，使切削刀具作用于工件上的切削力与活动顶头作用于工件上的作用力保持大小相等、方向相反的状态，两个作用力相互抵消，使工件在切削加工过程中不受外部作用力的干扰，可有效防止工件出现跳动，从而提高了工件的加工精度，提升了产品加工质量。

7 结束语

实践证明，在实际生产过程中，合理的加工工艺方法和加工策略是高精度细长杆控制阀加工质量的保证，也是提高产品合格率和生产效率的关键。在制定零件的加工工艺、配制低熔点合金及设计抗切削力的工装时，必须结合零件的结构形状、加工精度和生产类型认真分析研究，合理设计并制定可行的加工策略，保证产品质量满足设计要求。低熔点合金的配制方法及加工应用，可推广应用于加工难度大且加工精度要求极高的类似细长杆类换挡阀或不锈钢等薄壁零件。