張永武，豆海峰，李志豪，馬紹華

成都飛機工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1 引言

液壓接頭是飛機液壓系統(tǒng)的主要管路連接件，主要用于改變管路方向，傳遞液壓油和燃油等介質(zhì)，起到分流、合流和限流等作用。飛機液壓接頭的加工質(zhì)量直接影響液壓系統(tǒng)(甚至是全機)的安全性，隨著飛機性能和液壓系統(tǒng)壓力的提高，對液壓接頭精密面的表面質(zhì)量要求更高。

飛機液壓接頭工作區(qū)域廣泛，結(jié)構(gòu)形式多樣，其常見結(jié)構(gòu)見圖1。飛機液壓接頭中的旋轉(zhuǎn)面同時起密封作用，加工要求較高，加工難度大，其表面粗糙度要求Ra0.2，用于密封的錐面粗糙度要求Ra0.4，部分用于安裝密封膠圈的環(huán)形槽底和側(cè)面粗糙度也必須達(dá)到Ra0.8。

目前常見的機械加工方法難以經(jīng)濟實惠地實現(xiàn)液壓接頭高表面質(zhì)量的加工要求，產(chǎn)品超差率較高，因此急需研究一種能提升液壓接頭密封錐面和精密轉(zhuǎn)動面表面質(zhì)量的加工方法，以解決產(chǎn)品加工難題，并積累加工經(jīng)驗。

2 產(chǎn)品分析及問題描述

2.1 產(chǎn)品分析

飛機液壓接頭多采用30CrMnSiA材料，在熱處理至σb=1175MPa±100MPa狀態(tài)后進(jìn)行精加工。如圖1所示，轉(zhuǎn)動液壓接頭基本包含了飛機液壓接頭中的大部分精密特征及難加工要素，屬于異性結(jié)構(gòu)，需要工裝保證加工外圓或錐面與車床軸線同心。

圖1 飛機液壓接頭類型

2.2 問題描述

如圖2所示，轉(zhuǎn)動液壓接頭的安裝面φ12f9和密封膠圈安裝槽φ18h8經(jīng)車削、磨削和拋光后，其安裝面、槽底面和槽側(cè)面的粗糙度分別可達(dá)Ra0.8和Ra1.6。目前錐面1和錐面2的加工方式基本采用數(shù)控車加工，難以滿足Ra0.4的要求，在現(xiàn)場隨機挑選20件已加工液壓接頭零件，對錐面粗糙度進(jìn)行實測統(tǒng)計，實測結(jié)果如圖3所示。錐面粗糙度基本在Ra0.4～0.8之間，其中Ra0.6～0.8的零件居多，僅有個別零件的粗糙度優(yōu)于Ra0.4。密封外圓φ22g6經(jīng)車削、磨削和拋光后，目前僅能達(dá)到Ra0.25～0.35，無法滿足Ra0.2的要求。

由于密封錐面和精密外圓的傳統(tǒng)加工僅停留在車削、磨削、砂光和拋光方面，加工方案較為落后，效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，報廢率較高，無法保證產(chǎn)品的穩(wěn)定交付。

圖2 轉(zhuǎn)動液壓接頭

圖3 數(shù)控車削錐面粗糙度實測值

3 加工方案設(shè)計

3.1 試驗件設(shè)計

鑒于目前存在的問題，結(jié)合各機型液壓接頭材料(90%以上選擇30CrMnSiA)情況，試驗件根據(jù)以下要求設(shè)計：選擇30CrMnSiA(退火，GJB1951)φ35的棒材材料，依據(jù)圖4的粗加工尺寸熱處理至σb=1175MPa±100MPa狀態(tài)；熱處理后，據(jù)圖5所示結(jié)構(gòu)加工試驗件，并對試驗件的內(nèi)外錐面和外圓進(jìn)行加工試驗。

圖4 粗加工尺寸

圖5 試驗件尺寸

3.2 確定加工方案

梳理目前液壓接頭錐面的加工方法，采用如圖6所示的四種方案來提升液壓接頭錐面和外圓的表面粗糙度，并從中確定一種高效穩(wěn)定的加工方法，以指導(dǎo)實際產(chǎn)品加工。

圖6 錐面粗糙度提升方案

(1)方案一

數(shù)控車削后，研磨錐面和外圓面的粗糙度(Ra0.3～0.5)較車削有所提升，而且會出現(xiàn)變暗發(fā)烏的情況，且錐面研磨工具在加工幾件試驗件后出現(xiàn)配合面局部磨損，其磨損情況見圖7。后續(xù)采用自制的錐形毛氈進(jìn)行修光，以解決研磨后變暗發(fā)烏的問題，但錐面和外圓均會產(chǎn)生細(xì)微劃痕，因此不適合采用研磨加工方法。

(2)方案二

在問題描述部分已說明，采用數(shù)控車、磨削、拋光方法目前尚不能滿足密封錐面和精密外圓面的表面質(zhì)量要求，但錐面采用數(shù)控車、拋光結(jié)合，外圓采用數(shù)控車、磨削和拋光結(jié)合是目前較高效的加工方法之一。對該方法無法達(dá)到粗糙度的主要因素進(jìn)行分析，結(jié)合以往液壓接頭的加工經(jīng)驗，通過調(diào)整切削轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和精加工余量，同時結(jié)合國產(chǎn)化帶修光刃數(shù)控刀具在飛機系統(tǒng)零件加工中的應(yīng)用經(jīng)驗進(jìn)行切削試驗：錐面留0.1～0.4mm余量，車削轉(zhuǎn)速為1800～2500r/min，進(jìn)給速度為0.03～0.05mm/r，加工后的表面粗糙度能基本穩(wěn)定在Ra0.4～0.6，再采用水砂紙/綢布拋光，表面粗糙度能保證在Ra0.3～0.5；外圓留0.1～0.3mm余量，在轉(zhuǎn)速2500～3000r/min，進(jìn)給速度0.04～0.05mm/r的條件下，表面粗糙度能基本穩(wěn)定在Ra0.35～0.45，再經(jīng)過磨削和拋光，其表面粗糙度能保證在Ra0.2～0.35。圖8為加工后的實物，但由于此方案仍然不能完全滿足產(chǎn)品要求，故不適用大批量產(chǎn)品實際加工。

圖7 研磨實物 圖8 數(shù)控車削試件實物

(3)方案三

對于滾壓光整加工，采用專用的滾壓工具對被加工零件表面進(jìn)行表面紋路光整和強化，使零件表面金屬發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到表面光整和強化的效果，提高零件表面粗糙度。采用金剛石滾光刀對液壓接頭試驗件的錐面和外圓面進(jìn)行滾光試加工。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000～2500r/min，進(jìn)給速度0.05～0.1mm/r，精加工余量為0.04～0.1mm時，錐面和外圓面的粗糙度均可達(dá)到Ra0.125，滾光后試驗件如圖9所示。

圖9 滾壓光整試件實物

采用滾壓光整法加工液壓接頭可以實現(xiàn)錐面Ra0.4和外圓Ra0.2的加工質(zhì)量要求，滾光加工后的錐面粗糙度基本保持在Ra0.1～0.3之間，外圓面粗糙度基本保持在Ra0.1～0.18之間，對刀完成后單件產(chǎn)品的滾光加工時間僅約30s，此方案能夠滿足高效、高質(zhì)量加工，因此可行。

(4)方案四

DLC物理氣相沉積是指在真空條件下采用低電壓、高電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)，并使被蒸發(fā)靶材和氣體都發(fā)生電離，利用電場的加速作用，使電離后的反應(yīng)物沉積在工件上。DLC涂層表面質(zhì)量高，屬于微米級工藝，在涂層涂覆前必須采用光整加工技術(shù)才能發(fā)揮其優(yōu)異特性。

在外部廠家進(jìn)行DLC處理，提高液壓接頭錐面粗糙度。對三個液壓接頭試驗件進(jìn)行DLC前置滾磨預(yù)處理光整加工，滾磨加工后錐面和外圓的粗糙度為Ra0.1～0.3，基本滿足液壓接頭錐面粗糙度Ra0.4要求，但外圓表面粗糙度(Ra0.2)難以全部滿足。后續(xù)針對三個已經(jīng)進(jìn)行滾磨預(yù)處理光整加工的液壓接頭進(jìn)行DLC涂層涂覆，涂覆后其錐面表面粗糙度略有降低，降低量約為0.01～0.02μm，可滿足錐面Ra0.4的要求。加工后的試驗件如圖10所示。

圖10 DLC試件實物

滾磨加工技術(shù)和滾壓光整加工相似，DLC涂層涂覆與目前的鍍鋅鍍鎘相似，均能提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前，由于飛機液壓接頭數(shù)量較大，DLC涂層涂覆設(shè)備緊缺，且處理費用較高，使得部分外圓粗糙度無法達(dá)到要求，故該方案不適用實際生產(chǎn)需求，僅作為實現(xiàn)方法進(jìn)行研究。

綜上分析，雖然研磨和數(shù)控車削加工有所改進(jìn)，但仍不能完全保證產(chǎn)品質(zhì)量；DLC物理氣象沉積雖然能基本保證產(chǎn)品質(zhì)量，但受限于設(shè)備資源和價格影響，暫不應(yīng)用；采用滾壓光整加工可以高效、高質(zhì)量保證液壓接頭精密面的要求，故最終選擇滾壓光整技術(shù)解決飛機液壓接頭精密面的加工質(zhì)量問題，表1為幾種加工方式的優(yōu)缺點對比情況。

4 滾壓光整加工原理及性能分析

滾壓光整加工最初應(yīng)用于零件表面強化，近年也被廣泛地應(yīng)用于零件精加工。相比傳統(tǒng)的磨削、珩磨、研磨和流體研磨等加工工藝，滾壓光整加工技術(shù)是一種無屑加工方法，通過專用的滾壓工具對被加工零件表面進(jìn)行表面紋路光整和強化。

表1 加工方案對比

滾壓工具對被加工零件材料表面進(jìn)行擠壓，使零件表面金屬發(fā)生塑性變形，從而達(dá)到表面光整和強化的效果，提高了零件表面粗糙度。同時，表面的塑性變形造成金屬表面金相組織的改變，使金屬表面產(chǎn)生冷作硬化，提高了零件的表面硬度，滾壓后形成的殘余壓應(yīng)力大大改善了零件的機械性能和使用壽命。通常滾壓工藝可提高表面粗糙度2～4級，耐磨性比磨削后提高3～5倍[1]，工件的使用性能和抗疲勞強度都有明顯提高[2]，其加工原理如圖11所示。

圖11 滾壓光整加工原理[5]

目前，行業(yè)內(nèi)常見的滾壓光整加工刀具分為四種類型：普通滾壓工藝、振動滾壓工藝、超聲波滾壓工藝[3]和磁力滾壓工藝[4]。相比其他滾壓工藝，普通滾壓工藝設(shè)備投入較少，經(jīng)濟效益明顯，可在現(xiàn)有加工設(shè)備上實現(xiàn)精加工，因此行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多。普通滾壓工藝多應(yīng)用于內(nèi)外圓表面和圓弧的滾壓加工，根據(jù)滾壓工具的不同，可將普通滾壓分為滾珠滾壓(見圖12)、滾輪滾壓(見圖13)和滾柱滾壓。

圖12 外圓柱面的滾珠滾壓[5]

圖13 外圓柱面的雙滾輪滾壓[5]

5 滾壓光整加工應(yīng)用及效果

5.1 滾壓光整刀具選擇

常用的錐面滾光刀具有金剛石滾光刀和錐面多輥滾光刀，兩種滾光刀具的優(yōu)缺點如表2所示。

表2 兩種滾光刀具對比

鑒于目前飛機液壓系統(tǒng)液壓接頭的規(guī)格較多，且大部分的管徑均小于φ20，因此選擇金剛石滾光刀進(jìn)行加工。同時，金剛石滾光刀使用靈活，刀柄部分為標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐柄，無需其他輔助工具即可與普通機床或數(shù)控機床配套使用。

5.2 滾壓光整實現(xiàn)過程

金剛石滾光刀具對刀具安裝和調(diào)節(jié)過程的技能要求較高，需要注意滾光刀具的角度，滾光刀具中心與機床軸線同心，對刀時須以刀具的最低點作為對刀點。滾光刀具安裝對刀過程見表3。

表3 滾光刀具安裝及調(diào)節(jié)過程

5.3 加工要求

零件裝夾在主軸上徑向跳動不大于0.005mm，零件加工余量<0.1mm。滾壓光整前的表面粗糙度不低于Ra1.6，滾壓時采用切削液進(jìn)行冷卻，防止?jié)L光過程中出現(xiàn)金屬黏結(jié)或零件被高溫灼傷現(xiàn)象；零件夾持牢靠，防止零件在滾壓過程中脫落；機床主軸功率不小于7.5kW；滾光刀具加工時使用CNC程序控制進(jìn)給速度、滾光軌跡和被加工零件轉(zhuǎn)速，加工余量則由滾光加工前的工序保證。滾壓加工時的各項參數(shù)如表4所示。

5.4 實際應(yīng)用效果

加工完成后對零件的各項指標(biāo)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表5所示，零件加工結(jié)果符合圖紙設(shè)計要求，說明本工藝方案正確和合理，加工效率較高。精密外圓精加工零件φ22g6的時間為3min，滾壓光整加工時間為10s，總加工時間可以控制在4min以內(nèi)。74°錐面均能夠在10s內(nèi)滾壓完成，且粗糙度完全滿足產(chǎn)品要求，加工效率優(yōu)于原先加工方案。零件加工后狀態(tài)見圖14。

表5 實測表面粗糙度值

圖14 滾壓后零件實物

6 結(jié)語

采用滾壓光整加工提升飛機液壓接頭精密面表面質(zhì)量的方法已應(yīng)用到多個機型的實際加工中，同時優(yōu)化了液壓接頭的工藝流程，并形成標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)規(guī)程。

針對目前工業(yè)合作飛機液壓接頭產(chǎn)品，已將相關(guān)加工、檢測要求對協(xié)作廠家進(jìn)行了傳遞，并進(jìn)行了技能幫扶和技術(shù)交流，確保了供應(yīng)商加工的液壓接頭精密面質(zhì)量。

對液壓接頭精密面加工方法進(jìn)行研究，將滾壓光整技術(shù)應(yīng)用在飛機液壓接頭，為航空領(lǐng)域中高精密、高表面質(zhì)量要求的零件加工提供了應(yīng)用研究基礎(chǔ)，同時滾壓光整加工可以強化表面強度，屬于無屑加工，加工過程中無污染物，噪音小，符合綠色環(huán)保的加工要求，是精密面加工推廣的主要方法之一。