某型号集成阀440C阀芯加工工艺的研究

郭 辉，马艳萍，陈 冲，戴金耀

(中航飞机起落架有限责任公司，陕西 汉中 723000)

阀芯为某型号集成阀核心零部件，材料为440C不锈钢。440C(高强度刃具钢)钢材是一种马氏体型不锈钢，碳含量为1.0%，铬含量为16%～18%，抗锈能力强，具有耐腐耐高温特性，经热处理后可以获得较高的屈服强度，硬度可达到58 HRC以上，在国内不锈钢牌号中属于最硬的不锈钢之一。该材料在起落架上为首次应用，无对应的机械冷加工工艺标准。阀芯零件的总长为174.5 mm，最小直径为6 mm，长径比>20∶1，是典型细长杆件零件[1-2]。

1 加工难点分析

阀芯材料440C为中航飞机起落架有限责任公司首次接触的高强度不锈钢，机械加工方面缺少相关的工艺参数和加工经验，且阀芯(见图1)每节端面跳动量相对外圆均≤0.01 mm，尺寸、几何公差要求特别高。如何选用工件加工的刀具、设备及工艺方法，成为主要技术难题。为探究阀芯合理的加工方法，制取了一组(3件)440C不锈钢工艺试件，在粗、精加工过程中，均采用一夹一顶装夹方式进行外圆加工。热处理前，采用整体硬质合金刀车削去除工艺试件(3件)大部分余量。热处理后，零件挠度变形为0.3～0.5 mm。一件工艺试件在采用整体硬质合金刀车削外圆时，出现刀具吃屑困难，刀尖烧伤现象。刀具需要选用切削性能更优的材质，如CBN材质的刀具。另一件工艺试件在加工中心采用φ2 mm硬质合金立铣刀铣削加工径向槽时，按切削深度(单边)0.05～0.1 mm，刀具转速4 000 r/min，出现刀具频繁折断的问题，推断加工设备应更换为转速更高、刀具夹持动平衡更好的数控机床。

图1 阀芯

2 试件加工

借鉴赵丕芬[3]和梁良华[4]的研究成果，热处理后对最后一件工艺试件选用CBN材质刀具按表1切削参数进行外圆半精、精加工，表面粗糙度可达Ra0.8 μm，切削性能良好。

表1 CBN刀具切削参数

热处理后，对工艺试件采用磨削精加工到研磨前状态。参照强度相似材料A100企业规范可知：磨削工艺试件外圆、内孔的砂轮可选择为单晶刚玉、棕刚玉或白刚玉，磨削参数可按表2选取。即磨削外圆、外圆槽的砂轮转速：574～1 337 r/min，零件转速：112～679 r/min；磨削内孔的砂轮转速：574～1 337 r/min，零件转速：180～1 214 r/min。工艺试件采用单晶刚玉砂轮磨削加工后的外圆表面粗糙度可达Ra0.32 μm，切削性能良好[5-6]。

表2 不锈钢磨削参数

3 阀芯工艺流程

根据试加工方案分析及信息反馈，阀芯工艺流程确定为：领料→分光→车工→车工→热处理→校直→磨工→磨工→坐标磨→去毛刺→回火……→成检→防护入库。

1)热处理前。

热处理前零件几何尺寸如图2所示。车削加工时，机床主轴转速为500～800 r/min，刀具材质、几何角度及切削参数见表3和表4，一夹一顶加工外圆尺寸，除M6螺纹端面预留工艺夹头外，外圆、端面预留加工余量0.5 mm。

图2 热处理前零件几何尺寸

表3 刀具参数

表4 切削参数

2)热处理后。

a.校直零件外圆，控制挠度在0.1 mm内；研磨两端中心孔；两顶粗磨、精磨外圆、环形槽至研磨前尺寸及表面粗糙度(见图3)。砂轮采用单晶刚玉材质，磨削后表面粗糙度可至Ra0.32 μm。磨削参数见表5。

图3 精磨后的产品样件

表5 磨削参数

b.采用车削方式加工零件V型槽(见图4)，刀具选用MJ螺纹刀片，切削速度为0.2 mm/s，主轴转速为200 r/min。

图4 阀芯V型槽尺寸

c.采用S45数控坐标磨加工径向微小槽。零件径向微小槽由R1和R2相衔接构成(见图5)，空间结构相对简单，但表面质量要求高，受材料≥58 HRC影响，一般加工中心很难满足精度、质量要求。本公司现有S45数控坐标磨床具有高速铣削功能，最高转速达160 000 r/min，可利用其高转速、高进给速度特点，实现径向微小槽铣削加工。S45数控坐标磨床为五轴高精密设备，机床附件有数控分度盘、尾座、电动和气动磨头、4 500～80 000 r/min电动磨头、100 000～160 000 r/min气动磨头。S45数控坐标磨床为连续轨迹数控设备，可实现任意五轴联动功能，其坐标系与普通数控设备相同，遵循右手笛卡尔定则：直线坐标为X轴、Y轴、Z轴；旋转坐标为A轴；附加坐标为U轴、W轴(见图6)。加工时，采用该设备高转速及X、Y、Z轴的联动功能，先将机床主轴与行星轮机构偏距设置为0，并锁死主轴，将工件夹持在工作台上(见图7)，铣刀直接装于电动磨头锥柄内，用φ2 mm硬质合金立铣刀进行铣削加工，刀具转速调至9 000 r/min，每次切削深度为0.1 mm[7-11]。

图5 零件径向微小槽尺寸

图6 机床坐标轴示意图

借助CAM软件直接生成三轴NC程序，在程序中设置铣削加工循环开始与结束指令G140及M140、行星随动功能指令G42.1后，方可实现刀具高速铣削加工(也可根据S45数控坐标磨床编程说明书定制开发能直接上机使用的后处理)。

零件在周转过程中，应采用自由吊挂方式，防止变形。机械加工完工后，采用线切割去除螺纹端工艺夹头，研磨外圆至成品尺寸。

4 结语

本文针对440C不锈钢阀芯开展了工艺研究，参照相似强度材料A100选用了切削参数，并通过工艺试件对切削刀具材质、切削参数及砂轮材质、磨削参数进行了进一步的验证和优化。在热处理后，采用校直与预留工艺余量的方法，有效控制了大长径比(26∶1)加工变形问题。根据工艺试件加工方案分析及信息反馈，制定了合理的工艺流程，对试加工过程中出现的问题，给出了相应的解决措施。440C机械冷加工工艺参数的确定，不仅丰富了企业不锈钢工艺标准，还为其他材料性能的研究提供了一种思路。