中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所 馬洪軍 宋永偉

在飛行控制液壓伺服作動系統(tǒng)中，為控制油源進口位置并簡化結構，空間溝通一般采用細長小孔，這樣既可縮短作動器轉換和回中時間，又可提高控制系統(tǒng)靈敏性。細長小孔主要用于過油，相對于功能孔，其對圓柱度不作要求，但若細長小孔孔壁上殘留有污染物，就易導致伺服閥噴嘴或油濾孔堵塞，對整個液壓回路系統(tǒng)造成致命傷害，進而威脅飛行安全，所以降低細長小孔孔壁粗糙度，提高孔內清潔度，進行細長小孔超精密光整加工技術研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 底孔加工方法

細長小孔是指直徑在φ2mm以下，軸徑比在10∶1以上的孔。液壓產(chǎn)品的細長小孔主要用于通油，不需要進行配加工，所以其底孔加工應注重便捷性，宜選用成本低、易操作的機械加工方法。首先利用中心鉆確定孔位，然后在鉆孔過程中注意加工要素策劃和尺寸控制，消除鉆尖產(chǎn)生的盲端，避免后續(xù)加工產(chǎn)生靜壓區(qū)。通過預留余量和參數(shù)控制，對不加工特性進行保護。

2 孔壁光整加工技術

機械加工獲得的底孔孔壁較粗糙，為進一步提高孔壁質量，需對內孔進行光整加工。細長小孔直徑小、軸徑比大，其結構特征決定了工具無法進入被加工孔內，導致傳統(tǒng)方法不適用于其光整加工，尋找非傳統(tǒng)的加工方法是解決此問題的唯一出路。此前，北歐和日本的一些研究機構已經(jīng)利用電化學腐蝕原理實現(xiàn)了部分類型細長小孔的孔壁拋光。但這種光整加工技術需將被加工特性完全浸沒在電解液中，實際應用時電極材料經(jīng)常滿足不了長時間放電的要求，且隨著孔徑的減小，電極制作難度非常大，另外非光整加工特性難以得到有效保護，故此方法在國內尚無應用。液流光整技術利用磨料顆粒對孔壁高點進行磨削，理論上具有實現(xiàn)細長孔高表面質量加工的可能性，但目前國內外沒有公開資料顯示具體應用研究進展到何種程度[1-5]。

在普通光整技術無法實現(xiàn)細長孔內壁光整情況下，本文對液流光整技術進行應用研究。液流光整加工中，介質在外力作用下附帶磨粒一起流動，磨粒在流動過程中實現(xiàn)磨削，具體原理見圖1。

進行孔壁液流光整加工，必須同時確保液流工作系統(tǒng)的密封性與介質在回路系統(tǒng)中的流動性2方面要求，普通的磨粒流技術或擠壓珩磨技術，因無法解決介質流動性問題，不能實現(xiàn)細長小孔光整加工。

圖1 液流光整技術原理Fig.1 Technical principles of finishing machining with liquid flow

2.1 液流光整工作系統(tǒng)

光整加工中零件必須與設備構成一個密封的回路系統(tǒng)，才能使介質按設計的路線流動，其工作原理如圖2所示。在上模3和下模4取下后，將介質和磨料添加到下缸5內，再將工件裝到模具內，合并上下模后，將下缸出口完全蓋住，將上缸2和缸內上活塞1壓在上模上，下活塞6和上活塞1同向上下往復運動，將介質和磨料擠壓入模具并通過模具內的工件，實現(xiàn)光整加工。

圖2 液流光整工作原理Fig.2 Working principle of finishing machining with liquid flow

一般液壓設備工作溫度為20℃～60℃，在系統(tǒng)溫度升高時，介質粘稠度降低，流動性提高，密封回路需滿足在最大工作溫度下被“稀釋”的介質不泄露。該技術要求通過胎具設計進行保證，見圖3。上模和下模胎具的材料均為尼龍1010，具有較好的強度和韌性。上、下模合并后恰好將被加工零件壓在槽內，通過兩定位銷限制兩模徑向自由度。下模通過外沿的環(huán)狀突起卡在上模圓臺外沿，在工作臺上壓緊后，與設備形成閉合回路，滿足系統(tǒng)密封要求。在加工過程中需限定工作壓力范圍，若壓力過小則磨料不工作，而壓力過大則易破壞密封性，甚至損壞胎具。

2.2 液流光整技術參數(shù)

液流光整技術參數(shù)包括基礎參數(shù)和高等參數(shù)2部分?；A參數(shù)是指在利用該技術前必須首先確定的一部分參數(shù)，這些參數(shù)一旦確定，不能輕易修改，否則后續(xù)試驗得出的高等參數(shù)值不具有任何意義。而高等參數(shù)是在具體加工中必須設定或給出的值，該值直接決定加工效果。

2.2.1 基礎參數(shù)

圖3 液流光整胎具Fig.3 Positioners of finishing machining with liquid flow

基礎參數(shù)包括磨料成分、工作模式、介質溶解劑和工作壓力，基礎參數(shù)是通過對參數(shù)功能分析和比對試驗得出的。

（1）磨料。

常用磨料有碳化硅、碳化硼、氧化鋁和鉆石粉等。鉆石粉硬度高、價格昂貴，常用來光整陶瓷、玻璃等；氧化鋁硬度低，常用來光整有色金屬類；碳化硼硬度相對較高，主要用來光整硬質合金、玻璃等；碳化硅是最為常見的磨料，價格便宜，主要用來光整鋼類零件[5-6]。需根據(jù)使用性能和被加工材料合理選擇磨料，當高硬度材料選擇了較低硬度磨料時，被加工孔不能進行有效磨削，介質溫度會迅速升高，對工作系統(tǒng)密封性造成巨大沖擊。反之，會使被加工孔過快磨損，孔徑大小不易控制，長時間使用會加速裝置磨損甚至破壞機床精度。此外，細長小孔的光整要求磨料最大長度不大于10μm，推薦使用最大長度為3～10μm的磨料。

（2）工作模式。

指介質和磨料在孔內的流動方式，即孔被磨削的方式，取決于設備的加工模式和孔的具體結構，宏觀上可以分為單循環(huán)和多循環(huán)。單循環(huán)光整過程易控制，高等參數(shù)易得出，易產(chǎn)生靜壓區(qū)，局部效果不明顯；多循環(huán)分為雙循環(huán)和N循環(huán)（N≥3的整數(shù)），為降低工作裝置設計難度和加工過程不確定因素的數(shù)量，一般多循環(huán)采用固定出口式，利于保護非光整特性。在出口固定的前提下，N由進口數(shù)量決定。多循環(huán)工作模式不易產(chǎn)生靜壓區(qū)，孔各部分光整均勻，效果顯著，高等參數(shù)需要經(jīng)大量試驗才能確定。

（3）介質溶解劑。

為消除介質黏度，需采用介質溶解劑將介質徹底溶解。經(jīng)試驗得出介質溶于有機溶劑，目前常用的有機溶劑有汽油、酒精和丙酮等，可根據(jù)具體條件選用。

（4）工作壓力。

工作壓力不同，加工狀態(tài)不同，最終光整效果差異性非常大。需根據(jù)具體被加工孔的軸徑比和長度，確定工作壓力并設定為常數(shù)，整個加工過程中不能修改?？紤]后續(xù)的清洗效果，該設定值應低于高壓清洗的壓力值。

2.2.2 高等參數(shù)

高等參數(shù)包括介質稀釋度、起始工作溫度、正常工作溫度及工作行程系數(shù)和每行程數(shù)。高等參數(shù)是在基礎參數(shù)確定后通過大量工藝試驗得出的。

（1）介質稀釋度。

反映介質流動性，介質稀釋度越高，流動性越好。要求稀釋劑的物理特性與介質的物理特性相似，黏度均隨著溫度的升高而降低。

將介質稀釋為不同稀釋度的等量份后，分別裝到基礎參數(shù)相同的工作回路里進行試驗，可以發(fā)現(xiàn)，在稀釋度較低的情況下，介質和磨料不能通過細長小孔或進入細長小孔后停在孔里，不能進行循環(huán)。在稀釋度較高的情況下，介質本身的黏度被破壞，易導致磨料在孔內分布不均勻，即使行程數(shù)已很高，孔壁光整質量仍達不到預期效果，甚至會破壞密封裝置。

（2）起始工作溫度。

在加工前滿足工作系統(tǒng)要求所能達到的最低溫度，通過機床無負載預熱實現(xiàn)。該參數(shù)反映的仍然是介質流動性，介質在宏觀稀釋后進入工作系統(tǒng)，通過起始工作溫度進行微調，溫度越高，介質流動性越好，但行程所用時間越短。

（3）正常工作溫度。

當起始工作溫度達到要求后，將裝置和被加工零件安裝到設備上進行光整，光整過程中，工作系統(tǒng)的溫度被稱為正常工作溫度。在設備無負載預熱過程中，介質溫度是逐漸升高的，但進入有負載光整過程后，介質溫度會發(fā)生變化，不再是單純的升高，而是在某個范圍內變化。當正常工作溫度過低時，系統(tǒng)會停止工作。正常工作溫度的控制有2種途徑：一種是在光整過程中，合理有效地控制加工節(jié)奏，盡可能保證設備連續(xù)工作；另一種是在加工前對加工流程和加工參數(shù)設定進行嚴格的控制。

細長小孔橫截面小、深度大，介質在孔內流動的同時伴隨著冷卻過程，在粘附力作用下，介質會停止流動，從而導致系統(tǒng)無法工作。單純增大外力時，由于孔徑小，分得的壓強少，非但無法推動已冷卻的介質流動，反而易造成設備損壞。

根據(jù)上述液流光整技術高等參數(shù)的分析，本研究通過3條途徑提高介質的流動性，解決了細長小孔中介質流動性問題：一是采用特殊稀釋劑微量添加的稀釋法，稀釋劑主要成分是氫化油和酯類，該稀釋劑在溫度變化時，物理特性與介質物理特性相似，會隨著溫度的升高，黏度降低，流動性增強；二是控制并提高起始工作溫度；三是控制正常工作溫度，通過改變加工參數(shù)的辦法，限定工作溫度下限并將溫差控制在10℃以內。

（4）工作行程系數(shù)和每行程數(shù)。

工作行程系數(shù)是指孔系光整過程可構成多少個循環(huán)，當固定出口時，工作行程系數(shù)等于N循環(huán)數(shù)。每行程數(shù)是指每個行程需要循環(huán)的具體次數(shù)。

在單循環(huán)系統(tǒng)中，當加工初期每行程數(shù)小于一定數(shù)值情況下，行程數(shù)越大，加工效果越好；當每行程數(shù)增大到一定值后，加工效果不再隨行程數(shù)的增加而變好，而是越來越差。經(jīng)大量試驗驗證，認為由于被加工表面存在高點和低點，當磨料顆粒磨損嚴重且外形趨向球形后，磨料進入被加工表面的低點進行磨削和擠壓，增大了高點和低點的差距，進而使表面質量變得更差，若繼續(xù)加工，則零件表面進一步被破壞。

對不銹鋼材料零件上φ1.2mm、長48mm的細長小孔進行液流光整加工，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 孔壁軟介質研磨拋光

軟介質研磨拋光是光學加工中常用的光整技術，主要用來降低平面粗糙度，本文應用該技術對細小孔孔壁進行液流光整后的補充加工。

孔經(jīng)液流光整加工后會有部分介質和磨料顆粒粘在孔壁低洼處，通過軟介質拋光，可將這部分介質和磨料掃離低點或將其與孔壁分離，產(chǎn)生間隙，以利于后續(xù)的清洗將其徹底排出。同時，軟介質層外涂有一層拋光介質，可以對孔壁行進一步拋光。軟介質拋光是對液流光整的補充，它避免了傳統(tǒng)研磨技術只研磨高點不研磨低點的弊端，具體見圖4。

表1 液流光整參數(shù)表

圖4 軟介質拋光Fig.4 Polishing with soft medium

3 清洗技術

細長小孔既要求小粗糙度又要求高清潔度，在光整加工后需專門進行清洗以去除孔壁殘留的污染物。經(jīng)試驗驗證，采用高壓清洗與自動真空超聲清洗相結合的方式可更為有效地清除孔內污染物。由于細長小孔結構的限制，顆粒度計數(shù)儀無法反映孔內清潔度的真實情況，本文通過控制清洗介質的污染度間接控制零件的清潔度，實現(xiàn)了高清潔度指標。

3.1 高壓清洗

高壓清洗屬于專用清洗方式，靠壓力清除元件表面的污染，清洗效果好，但不同元件需要不同的清洗裝置，互換性不高。主要的溶劑為水或煤油，根據(jù)具體要求選用。主要加工參數(shù)有加工溶劑、清洗劑濃度、清洗方式、溶劑酸堿性、工作壓力、工作溫度等。

經(jīng)過液流光整和軟介質拋光的孔，需要高壓清洗將孔內污染徹底排出。本文選用的高壓水劑清洗采用雙循環(huán)單向多件清洗，在方向和壓力都不斷變化的情況下，與孔壁非固連的污染物被水劑沖走。

對不銹鋼材料零件上φ1.2mm、長48mm的細長小孔進行高壓水劑清洗，具體參數(shù)如表2所示。圖5為高壓清洗裝置。

3.2 自動真空超聲清洗

自動真空超聲清洗是比較常見的清洗方式，靠振動將元件表面或內部與基體非固連的微小污染物去除，成本低、操作便捷。主要溶劑為易揮發(fā)性溶劑，如汽油、酒精等。主要加工參數(shù)有加工溶劑、清洗劑濃度、溶劑酸堿性、工作壓力、工作溫度、真空度、清洗時間等[7-8]。

表2 高壓水劑清洗參數(shù)

圖5 高壓清洗裝置Fig.5 High-pressure cleaning device

自動真空超聲清洗在專用清洗之后進行，振動時間和振動頻率由一次清洗零件的數(shù)量和重量決定。金屬零件在高壓水劑清洗之后，為避免零件銹蝕，需馬上進行振動清洗，振動清洗后要將零件放置在烘箱或者干燥柜內脫水。自動真空超聲清洗補償高壓水劑清洗的方式，可以更為有效地清除孔內污染物，同時，高壓水劑清洗后附著在元件表面的溶劑，通過自動真空超聲清洗能夠及時溶解，再經(jīng)過脫水處理后，元件達到高清潔度的使用要求。

本文的自動真空超聲清洗選用9槽清洗，零件經(jīng)高壓水劑清洗后，轉入自動真空超聲清洗系統(tǒng)的1#槽，再從1#槽轉入2#槽……在7#槽吹干后，轉入8#乙醇槽和9#乙醇槽進行脫水，最后轉入干燥柜內保存。

對不銹鋼材料零件上φ1.2mm、長48mm的細長小孔進行9槽自動真空超聲清洗，具體參數(shù)如表3所示。

4 超精密光整技術應用效果

按前文所述技術原理及具體工藝參數(shù)對液壓元件噴嘴φ1.2mm×48mm的細長小孔進行超精密光整加工后，對孔沿軸向剖切后測量，孔壁表面粗糙度為0.05～0.03μm，實物效果見圖6所示。 按每100mL液壓油內含有最大長度0.1mm的顆粒數(shù)計算，污染度為6級。該結果完全滿足液壓系統(tǒng)低粗糙度、高清潔度的指標要求。

表3 自動真空超聲清洗參數(shù)

圖6 應用效果Fig.6 Application effect

5 結束語

細長小孔的超精密光整加工技術對液壓系統(tǒng)的可靠性與元件壽命指標具有重要影響，本文采用液流光整方法，通過分析系統(tǒng)工作原理，設計了工件安裝方法與設備的連接裝置確保系統(tǒng)的密封性；經(jīng)多次試驗，選定了介質稀釋劑和稀釋度的范圍并得到了較理想的工藝參數(shù)，解決了介質在回路系統(tǒng)中的流動性難題；在對孔壁進行軟介質研磨拋光，將粘在孔壁低洼處的介質和磨料顆粒掃離低點或將其與孔壁分離后，采用雙循環(huán)單向多件高壓水劑清洗與多槽遞進式自動真空超聲清洗相結合的方式，通過控制清洗介質污染度控制零件清潔度，最終實現(xiàn)了細長小孔低粗糙度、高清潔度的超精密光整加工。目前該技術已成功應用于我國多種軍機的液壓部件生產(chǎn)過程中，有效解決了伺服閥系統(tǒng)污染問題，在民品制造領域也擁有巨大的應用潛質。

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