王熙杰

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412006；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心，湖南 株洲 412006）

1 研究現狀中存在的問題

雙密封結構電磁閥是軌姿控發(fā)動機重要控制組件，為了滿足客戶某型號小型化的要求，該電磁閥采用單線圈、單閥芯結構對氧化劑路和燃料路同步控制，主要由基體、閥芯等組成。

雙密封結構電磁閥一處為活門座非金屬端面密封，另外一處為錐面非金屬棱邊密封。為了實現雙密封同時密封成功，需要閥芯較高精度的形位公差，且閥芯雙密封尺寸和基體的雙密封尺寸具備高匹配性，否則就會導致雙密封失敗。問題主要有：（1）單閥芯雙密封過程中對閥芯的形位公差要求均在0.01mm 以內，而閥芯理論上為細長軸結構，加工過程中易受力變形，研制過程中閥芯形位公差合格率僅為60%；（2）合格的閥芯零件裝入基體后，由于雙密封尺寸匹配性較差，雙重密封性難以保證，兩處氣密無法同時滿足要求，只能通過不斷返修閥芯上下密封端面保證密封性能，裝配工藝性差，研制過程中氣密合格率僅為30%。

2 細長軸雙密封閥芯精密磨削研究現狀及解決方案

解決單閥芯雙密封結構電磁閥研制過程中存在的問題，保證閥芯磨削過程中形位公差并提高其氣密合格率。雙密封閥芯磨削屬于成形磨削的一種，成形磨削是一種高效率、高精度的精加工方法，但是在磨削過程中不能完全消除加工誤差。劉豐林等建立了磨削時的工件坐標系，提出了基于誤差補償的磨削砂輪截面算法，對誤差進行控制[1]。康念輝等建立了基于多體系統(tǒng)理論的非球面磨削誤差模型并對磨削誤差進行補償[2]。所以，對磨削成形過程中磨削誤差的研究主要是根據工件形狀和特點建立磨削誤差模型或算法，形成誤差補償方法減小誤差。

雙密封結構電磁閥結構較為新穎，對雙密封副尺寸匹配性的研究較少，研制過程中未對該閥門雙密封副進行系統(tǒng)地理論研究，設計對雙密封匹配尺寸也是基于研制過程中的工程經驗而來。

根據單閥芯雙密封結構電磁閥研制中存在的問題及研究現狀，本文對細長軸閥芯精密磨削質量穩(wěn)定性進行研究，提出基于參考坐標的閥芯磨削控制參數，解決閥芯磨削過程中變形和形位關鍵尺寸超差的問題，為控制密封尺寸提供基礎（細長軸雙密封精密磨削工藝解決方案如圖1 所示）。

圖1 細長軸雙密封精密磨削工藝解決方案

3 細長軸閥芯精密磨削穩(wěn)定性研究

雙密封結構電磁閥閥芯示意圖如圖2 所示，? B 和?C 均為導向配合面，要求 ?A 和 ?C 對于 ?B 的同軸度為0.01mm。在歷史批次閥芯加工過程中，? A和?C 對于?B 的同軸度極易超差，從而影響雙密封配合面密封。所以，保證?A 和 ?C 對于?B 的同軸度是保證雙密封合格的關鍵要素。

圖2 閥芯示意圖

在細長軸磨削過程中，工件極易產生形狀變形，嚴重影響工件加工質量。形狀誤差產生機理是復雜的，隨著磨削的進行，砂輪在逐漸磨損，將導致磨削深度的逐漸減小，進而使工件形狀有產生錐形的趨勢。同時，磨削力的作用下，工件會發(fā)生彈性變形。雙密封閥芯屬于細長軸的一種，其形位公差超差主要來自于兩個方面：（1）砂輪磨削過程中擠壓閥芯，導致閥芯產生變形；（2）閥芯裝夾誤差導致的形位公差超差。閥芯磨削過程中的形位公差控制問題是一個亟待解決的問題。

3.1 細長軸雙密封閥芯導向面理論模型

3.1.1 細長軸雙密封閥芯的精密磨削擠壓變形系統(tǒng)模型

細長軸雙密封閥芯的精密磨削擠壓變形系統(tǒng)模型，如圖3 所示。當把閥芯由左端夾罐夾住在磨床上進行磨削時，磨床、閥芯、砂輪構成了一個彈性系統(tǒng)。當砂輪與工件表面接觸時，X 向的磨削力Fn使閥芯在接觸面的X 軸負方向上產生彈性變形，致使加工后的工件產生形位誤差。由于砂輪在X 軸負方向產生的力比閥芯懸臂的重力和Y 軸方向的力大的多，故忽略不計。

圖3 雙密封閥芯的磨削擠壓變形系統(tǒng)模型

其中，Fn為磨削過程擠壓產生的X軸負方向的集中載荷，L 為閥芯總長度，b 為閥芯磨削過程中任意一點的位置尺寸。所以，Fn在閥芯Y 軸方向任意位置X 處的曲率方程為:

式中，E 為閥芯的彈性模量，I 工件的轉動慣量，δ 為閥芯的變形量。將式（1）積分二次得：

式中，C 和D 為積分常數。

由公式（3）可知，在閥芯磨削過程中，磨削擠壓力Fn越小，閥芯變形量δn小。而外圓磨削力[3]為：

其中，r 為工件半徑，為常數，γ 為磨粒圓錐半頂角，ap為磨削深度，w 為有效磨粒間隔，vs為砂輪圓周速度，R 為砂輪半徑，e=0.2～0.5，vf為縱向進給速度，vw為工件速度。則:

圖6 基于參考坐標閥芯磨削方法參數驗證試驗

所以，細長軸閥芯磨削過程中，為了減小變形量帶來的形位誤差，應對磨削過程中的擠壓力進行控制。在外圓磨削過程中，砂輪圓周速度vs一般為恒定，則擠壓力Fn是與ap、vf，、vw，相關的函數。

3.1.2 細長軸閥芯裝夾形位誤差系統(tǒng)模型

雙密封閥芯的同軸度、垂直度為閥芯的重要參數，設計要求必須保證在0.015mm 以內。閥芯磨削裝夾后，懸臂部分的長度相對較長，而關鍵的塑料密封面則位于閥芯裝夾的最遠處，裝夾時若夾罐出現偏差或跳動，則在閥芯塑料密封面處的偏差會形成一定比例的放大，導致形位公差超出設計要求值。根據該閥芯的歷史研制經驗，閥芯裝夾外圓找正在0.01mm 范圍內時，閥芯塑料端的形位公差較大甚至超差；將閥芯裝夾精度找正在0.005mm 范圍內時，會對機床精度、裝夾精度、砂輪精度和操作人員水平提出更高的要求，同時并不能保證閥芯塑料端的形位公差滿足設計要求。

表1 基于參考坐標的閥芯磨削正交試驗數據

表2 某型號產品應用情況

現加工方案為夾罐裝夾Bφ，砂輪對Aφ外圓進行磨削，然后裝夾Aφ外圓，對Bφ外圓進行磨削，兩次裝夾均存在裝夾誤差。閥芯裝夾形位誤差系統(tǒng)模型如圖4 所示，閥芯總長為L，當閥芯裝夾后行程偏差角度θ時，閥芯Aφ相對于基準外圓Bφ的偏差為（B-A）。

圖4 雙密封閥芯的磨削裝夾形位誤差系統(tǒng)模型

3.2 基于參考坐標系的閥芯精密磨削參數控制研究及實驗驗證

基于參考坐標系的閥芯精密磨削方法研究：

經分析可知，閥芯裝夾形成的形位誤差主要來源于基準的不一致，關鍵在于重新構建磨削過程的參考坐標基準?？紤]到磨床本身的精度較高，通過磨削過程建立參考基準，則精度可達到微米級。

本文提出基于參考坐標系的閥芯磨削方法，通過磨削過程首先建立兩次重復裝夾的參考基準坐標，然后以建立的參考基準為后續(xù)磨削的基準，解決閥芯裝夾導致的形位誤差問題。

基于參考坐標系的閥芯磨削方法如圖5 所示，包含以下步驟：

圖5 基于參考坐標系的閥芯磨削方法示意圖

（1）建立參考坐標基準：裝夾B?外圓，對閥芯A 位置、B 位置同時走刀進行磨削，使閥芯在砂輪A 位置形成了新的坐標系（XA，YA），在砂輪B 位置形成了新的坐標系（XB，YB），由于砂輪A 位置和砂輪B 位置是同一次加工而成，則OA、和OB位于同一軸線上且磨床的重復定位精度0.002mm。

（2）磨削Aφ外圓:在參考坐標基準建立的基礎上，對A?外圓進行磨削，則構建砂輪A 位置、砂輪B 位置和Aφ外圓剩余部分三處形成的軸線。由于Aφ外圓剩余部分和砂輪B 位置在同-軸線上，參考步驟（1）中的結論，則Aφ外圓剩余部分形成的軸線位于砂輪A 位置、砂輪B 位置形成軸線的延長線上。

（3）磨削Bφ外圓:重新裝夾Aφ外圓，由于Aφ外圓經過上述步驟后精度非常高，則找正砂輪A 的位置，對Bφ外圓進行磨削，即可保證Bφ外圓外圓剩余部分形成的軸線與已經形成的軸線共軸。

在基于參考坐標系閥芯磨削方法應用在基礎上，研究縱向進給速度vf、切削深度pa、工件轉速vw對閥芯變形的影響關系，建立三因素正交試驗[4]。砂輪的縱向進給速度選擇0.5mm/min、0.3mm/min、0.1mm/min；切削深度選擇0.1mm、0.05mm、0.03mm；工件轉速選擇500r/min、300r/min、100r/min。對磨削后的閥芯進行計量得到實驗數據如表1 所示。通過極差的計算可知，縱向進給速度對閥芯形位公差的影響最大，其次是工件轉速，切削深度對閥芯磨削后形位公差影響較小。

通過分析基于參考坐標的閥芯磨削正交試驗數據可知，第9 組試驗的閥芯塑料端同軸度計量實測值最優(yōu)。由于縱向進給速度對閥芯磨削的影響最大，其參數盡可能降低。所以，選擇第9組試驗的磨削參數作為最終的磨削參數指標。

以砂輪的縱向進給速度選擇0.1 mm/min、切削深度選擇0.03mm、工件轉速選擇300r/min 為閥芯磨削參數，并將基于參考坐標的閥芯磨削方法進行應用，對10 件閥芯進行磨削，對10 件閥芯的塑料端同軸度進行計量。如圖6 所示，閥芯塑料端同軸度最大值為0.01mm，最小值為0.006mm，滿足設計要求。

3.3 產品應用情況

為了保證雙密封形位公差滿足設計要求，通過基于參考坐標系的閥芯磨削參數優(yōu)化和實驗驗證，雙密封閥芯磨削時采用基于參考坐標系的磨削方法，并將磨削參數設置為縱向進給速度選擇0.1mm/min、切削深度選擇0.03mm、工件轉速選擇300r/min。經過某型號02 批閥芯的應用情況如表2 所示，投產閥芯共480 件，閥芯塑料端同軸度經計量后僅超差9 件，極大地提高了閥芯形位公差的合格率。

4 產品應用

通過基于參考坐標的細長軸雙密封閥芯精密磨削參數控制方法，某型號批次閥芯的形位公差合格率提高到97%，遠遠超出了產品研制時的水平。本文建立了閥芯精密磨削過程中的擠壓變形系統(tǒng)模型和裝夾形位誤差系統(tǒng)模型，提出了基于參考坐標的閥芯磨削參數控制方法并通過實驗和產品進行驗證，效果顯著提高。本文研究方案通過在某批次產品生產制造過程中進行應用，取得了良好的效果，具有一定的理論意義和工程應用價值。