工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 张祝肖名涛沈陆明童成前 Research on the manufacturing error control of the inner cone of the threaded cartridge relief valve sleeve ZHANG Zhu,XIAO Ming-tao,SHEN Lu-ming.TONG Cheng-qian 引用本文： 张祝，肖名涛，沈陆明，童成前.螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制.工程科学学报，2021,43(7)：966-975.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.05.05.002 ZHANG Zhu,XIAO Ming-tao,SHEN Lu-ming.TONG Cheng-qian.Research on the manufacturing error control of the inner cone of the threaded cartridge relief valve sleeve[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7):966-975.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.05.002 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.05.05.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 增减材混合制造的研究进展 Research progress in additivesubtractive hybrid manufacturing 工程科学学报.2020,42(5)：540 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.18.006 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报.2018.40(2：152 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.02.004 基于增强学习算法的插电式燃料电池电动汽车能量管理控制策略 Energy management control strategy for plug-in fuel cell electric vehicle based on reinforcement learning algorithm 工程科学学报.2019,41(10：1332 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.15.001 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报.2019,41(1)：60htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.01.006 电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律 Effects and rules of E-jet 3D printing process parameters on Taylor cone and printed patterns 工程科学学报.2018,40(3：373 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.03.014 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing 工程科学学报.2019,41(2：159htps:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.002
螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 张祝 肖名涛 沈陆明 童成前 Research on the manufacturing error control of the inner cone of the threaded cartridge relief valve sleeve ZHANG Zhu, XIAO Ming-tao, SHEN Lu-ming, TONG Cheng-qian 引用本文: 张祝, 肖名涛, 沈陆明, 童成前. 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 966-975. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.002 ZHANG Zhu, XIAO Ming-tao, SHEN Lu-ming, TONG Cheng-qian. Research on the manufacturing error control of the inner cone of the threaded cartridge relief valve sleeve[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 966-975. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.05.05.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 增减材混合制造的研究进展 Research progress in additivesubtractive hybrid manufacturing 工程科学学报. 2020, 42(5): 540 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 深锥浓密机底流浓度模型及动态压密机理分析 Mathematical modelling of underflow concentration in a deep cone thickener and analysis of the dynamic compaction mechanism 工程科学学报. 2018, 40(2): 152 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.004 基于增强学习算法的插电式燃料电池电动汽车能量管理控制策略 Energy management control strategy for plug-in fuel cell electric vehicle based on reinforcement learning algorithm 工程科学学报. 2019, 41(10): 1332 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.15.001 全尾砂无耙深锥稳态浓密性能分析 Analysis of thickening performance of unclassified tailings in rakeless deep cone thickener 工程科学学报. 2019, 41(1): 60 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.006 电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律 Effects and rules of E-jet 3D printing process parameters on Taylor cone and printed patterns 工程科学学报. 2018, 40(3): 373 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.014 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing 工程科学学报. 2019, 41(2): 159 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.002
工程科学学报.第43卷.第7期：966-975.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:966-975,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.002;http://cje.ustb.edu.cn 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 张祝2)，肖名涛四，沈陆明，童成前) 1)苏州萨伯工业设计有限公司，苏州2151312)南京萨伯工业设计研究院有限公司，南京2113993)湖南农业大学机电工程学院，长沙 4101284)湖南农业大学信息与智能科学技术学院.长沙4101285)北京汽车集团越野车有限公司，北京101399 ☒通信作者.E-mail:weiwozhonghua@126.com 摘要螺纹插装式溢流阀阀套精加工采用碳氨共渗后磨削的制造工艺，内锥面的形位误差会影响溢流阀的使用寿命和静 动态特性，制造过程需要精准控制内锥面的误差.通过对工艺分析建立制造误差模型并应用研究，由此获得内锥面自身角度 的合理误差范围，以及内锥角误差与磨削量之间的变化关系.根据阀套结构特点设计专用的检测装置，并对检测原理和测量 误差进行分析，通过误差校对提高检测精度.对热处理后的阀套进行轴向尺寸分组，并采用基准统一原则.保证磨削制造精 度的稳定性.根据检测原理和误差模型对试磨件进行误差计算，并据此调整磨削参数，使制造误差合格；后续制造时采用检 测装置快速测量阀套的密封圆轴向尺寸，使制造误差均落在控制范围内，保证批量生产的可控性.研究表明，基于某型溢流 阀的设计及工艺参数，内锥面自身角度的实际制造误差控制以±0.8°为宜，对应的密封圆轴向最大磨削公差为0.186mm、修正 后的最小磨削公差为0.075m:实验验证了误差模型的准确性.所述检测方法的角度测量误差为0.06°、密封圆轴向尺寸测量 误差为2，因角度测量误差带来的最大、最小磨削量范围偏差可通过内锥角实际制造误差的收缩进行补偿；所研究的理论 与方法也为其他内锥面的制造控制及逆向工程提供了系统的方法. 关键词溢流阀：螺纹插装式；阀套；内锥面：内锥角：制造误差 分类号TH137.52:TH124 Research on the manufacturing error control of the inner cone of the threaded cartridge relief valve sleeve ZHANG Zhu2),XIAO Ming-tao SHEN Lu-ming",TONG Cheng-gian 1)Suzhou SABO Industrial Design Co.,Ltd.,Suzhou 215131,China 2)Nanjing SABO Industrial Design and Research Institute Co.,Ltd.,Nanjing 211399,China 3)College of Mechanical and Electrical Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China 4)College of Information and Intelligence,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China 5)BAIC Group Off-Road Vehicle Co.,Ltd.,Beijing 101399,China Corresponding author,E-mail:weiwozhonghua@126.com ABSTRACT The precision machining of the threaded cartridge relief valve sleeve is a manufacturing process of grinding after carbonitriding.The shape and position error of inner cone will affect the service life and static and dynamic characteristics of the relief valve.This requires the need of manufacturing process to accurately control the error of the inner cone.Based on the process analysis,a manufacturing error model was established and applied to obtain a reasonable error range of the inner cone angle and to determine the relationship between the inner cone angle error and the grinding amount.According to the structural characteristics of the valve sleeve,a special detection device was designed and the detection principle and measurement error were analyzed to improve the detection 收稿日期：2020-05-05 基金项目：湖南省科技厅重点研发计划资助项目(2018NK2061):长沙市科技计划资助项目(KH1907038)
螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 张 祝1,2)，肖名涛3) 苣，沈陆明4)，童成前5) 1) 苏州萨伯工业设计有限公司，苏州 215131 2) 南京萨伯工业设计研究院有限公司，南京 211399 3) 湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128 4) 湖南农业大学信息与智能科学技术学院，长沙 410128 5) 北京汽车集团越野车有限公司，北京 101399 苣通信作者，E-mail：weiwozhonghua@126.com 摘 要 螺纹插装式溢流阀阀套精加工采用碳氮共渗后磨削的制造工艺，内锥面的形位误差会影响溢流阀的使用寿命和静 动态特性，制造过程需要精准控制内锥面的误差. 通过对工艺分析建立制造误差模型并应用研究，由此获得内锥面自身角度 的合理误差范围，以及内锥角误差与磨削量之间的变化关系. 根据阀套结构特点设计专用的检测装置，并对检测原理和测量 误差进行分析，通过误差校对提高检测精度. 对热处理后的阀套进行轴向尺寸分组，并采用基准统一原则，保证磨削制造精 度的稳定性. 根据检测原理和误差模型对试磨件进行误差计算，并据此调整磨削参数，使制造误差合格；后续制造时采用检 测装置快速测量阀套的密封圆轴向尺寸，使制造误差均落在控制范围内，保证批量生产的可控性. 研究表明，基于某型溢流 阀的设计及工艺参数，内锥面自身角度的实际制造误差控制以±0.8°为宜，对应的密封圆轴向最大磨削公差为 0.186 mm、修正 后的最小磨削公差为 0.075 mm；实验验证了误差模型的准确性，所述检测方法的角度测量误差为 0.06°、密封圆轴向尺寸测量 误差为 2 μm，因角度测量误差带来的最大、最小磨削量范围偏差可通过内锥角实际制造误差的收缩进行补偿；所研究的理论 与方法也为其他内锥面的制造控制及逆向工程提供了系统的方法. 关键词 溢流阀；螺纹插装式；阀套；内锥面；内锥角；制造误差 分类号 TH137.52；TH124 Research on the manufacturing error control of the inner cone of the threaded cartridge relief valve sleeve ZHANG Zhu1,2) ，XIAO Ming-tao3) 苣 ，SHEN Lu-ming4) ，TONG Cheng-qian5) 1) Suzhou SABO Industrial Design Co., Ltd., Suzhou 215131, China 2) Nanjing SABO Industrial Design and Research Institute Co., Ltd., Nanjing 211399, China 3) College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 4) College of Information and Intelligence, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China 5) BAIC Group Off-Road Vehicle Co., Ltd., Beijing 101399, China 苣 Corresponding author, E-mail: weiwozhonghua@126.com ABSTRACT The precision machining of the threaded cartridge relief valve sleeve is a manufacturing process of grinding after carbonitriding. The shape and position error of inner cone will affect the service life and static and dynamic characteristics of the relief valve. This requires the need of manufacturing process to accurately control the error of the inner cone. Based on the process analysis, a manufacturing error model was established and applied to obtain a reasonable error range of the inner cone angle and to determine the relationship between the inner cone angle error and the grinding amount. According to the structural characteristics of the valve sleeve, a special detection device was designed and the detection principle and measurement error were analyzed to improve the detection 收稿日期: 2020−05−05 基金项目: 湖南省科技厅重点研发计划资助项目（2018NK2061）；长沙市科技计划资助项目（KH1907038） 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：966−975，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 966−975, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.002; http://cje.ustb.edu.cn
张祝等：螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 967 accuracy through error proofreading.After heat treatment,the valve sleeve was divided into axial size groups and the unified principle of datum was adopted to ensure the stability of grinding accuracy.According to the detection principle and error model,the error calculation of the grinding test piece was carried out,and the grinding parameters were adjusted accordingly to make a qualified manufacturing error.In the subsequent manufacturing,the axial dimension of the detection sealing circle of the valve sleeve is quickly measured by the detection device,so that the manufacturing error falls within the control range,ensuring the controllability of the batch production.Based on the design and process parameters of a relief valve,results reveal that the control error of the inner cone's own angle should be 0.8.The corresponding maximum grinding tolerance value of the axial direction of the sealing circle is 0.186 mm, while the corrected minimum grinding tolerance is 0.075 mm.Through experiments,the accuracy of the error model is verified.The angle measurement error of the detection method is 0.06,while the measurement error of the axial dimension of the sealing circle is 2 um.The deviation of the maximum grinding amount and the minimum grinding amount range caused by the angle measurement error is compensated by the shrinkage of the actual manufacturing error of the inner cone angle.The theory and method also provide a systematic process for manufacturing control and reverse engineering of the other inner cone. KEY WORDS relief valve;thread cartridge;valve sleeve;inner cone;inner cone angle;manufacturing error 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面自身角度误差 1阀套介绍 会影响其静、动态特性-刂，且采用碳氨共渗后磨 如图1和2所示，阀芯设置于阀套内，阀芯的 削的精加工工艺，需要控制其轴向磨削量，因碳 密封圆与其左端面形成密封线，密封线与内锥面 氨共渗层较浅，磨削量太大会造成硬度大幅度降 接触形成接触密封圆，接触圆直径与密封圆直径 低61，影响其使用寿命.当溢流阀处于非满流量 一致，接触圆所在平面为密封接触截面，外锥面与 分布溢流时，因复杂的流场变化而产生冲击振 阀块接触定位密封，内锥面的小圆直径为进油通 动冈，同时伴随气蚀现象产生，阀套内锥面在振动 径，锥面的大圆直径为内锥面与阀套内槽油腔端 和气蚀的共同作用下⑧刃，表面硬化层太薄会很容 面形成的截圆直径，内锥角为内锥面的全角阀 易脱离基体，造成永久性破坏仰现行设计制造过 套的补油弹簧力作用在定位基准面上，阀芯的复 程中，一般图纸上对内锥面磨削的技术要求标定 位弹簧力作用在阀芯内腔环形端面上，在F3的作 见光即可，但内锥面的磨削无法直观可见，对于常 用下密封线与内锥面接触密封，在F和F2的共同 规内圆磨进给量的控制和见光的程度存在较大的 作用下阀套与阀块接触密封，在高压油的作用下， 随机性，最终影响批量制造产品质量的稳定性.尤 阀芯的密封线与内锥面应力接触心-☒ 其对于不具备数控磨削的中小型企业，在制造过 程中，磨削内锥面完全由操作人员凭自身感觉来 判断进给量，没有进行准确的磨削量检测控制.实 际制造过程中即便有三坐标测量仪，也不可能做 到对每个零件都采用三坐标检测. 基于此，对阀套结构及制造工艺进行分析，建 立内锥面误差模型，通过模型分析得到磨削量与 偏差角之间的变化关系：对误差模型进行应用分 3 析，得到最大、最小磨削量及磨削公差随上、下偏 1-Valve sleeve;2-Valve spool;3-Valve block;N-Inner cone; 差角的变化特性，该变化特性可指导实际磨削时 W-Outer cone;K-Sealing line;do-Matching circle diameter,d-Seal circle diameter;Dp-Oil inlet diameter;F-Charge spring pressure; 的偏差取向选择，并确定适宜的上下偏差角数值 F-Return spring pressure 根据阀套结构特点设计专用的检测装置，分析检 国1阀套阀芯装配图 测误差并进行控制，以减小测量系统误差对测量 Fig.I Assembly drawing of the valve sleeve and valve core 精度的影响：通过实验验证了内锥面误差模型的 锥阀式高压溢流阀处于关闭状态时，阀套的 准确性，所设计的检测装置能够满足测量精度的 内锥面承受阀芯的高压静态载荷，但在卸荷后关 要求：在实际制造过程中，可应用检测装置快速测 闭的瞬间会产生冲击，故对阀套的内锥面要求基 量每一件阀套内锥面的相关尺寸，实现制造误差 体部分要具备一定的耐冲击韧性2,1，表层一定深 的全覆盖精准控制 度部分还要具备相应的硬度，同时满足耐磨、耐压
accuracy through error proofreading. After heat treatment, the valve sleeve was divided into axial size groups and the unified principle of datum was adopted to ensure the stability of grinding accuracy. According to the detection principle and error model, the error calculation of the grinding test piece was carried out, and the grinding parameters were adjusted accordingly to make a qualified manufacturing error. In the subsequent manufacturing, the axial dimension of the detection sealing circle of the valve sleeve is quickly measured by the detection device, so that the manufacturing error falls within the control range, ensuring the controllability of the batch production. Based on the design and process parameters of a relief valve, results reveal that the control error of the inner cone ’s own angle should be ±0.8°. The corresponding maximum grinding tolerance value of the axial direction of the sealing circle is 0.186 mm, while the corrected minimum grinding tolerance is 0.075 mm. Through experiments, the accuracy of the error model is verified. The angle measurement error of the detection method is 0.06°, while the measurement error of the axial dimension of the sealing circle is 2 μm. The deviation of the maximum grinding amount and the minimum grinding amount range caused by the angle measurement error is compensated by the shrinkage of the actual manufacturing error of the inner cone angle. The theory and method also provide a systematic process for manufacturing control and reverse engineering of the other inner cone. KEY WORDS relief valve；thread cartridge；valve sleeve；inner cone；inner cone angle；manufacturing error 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面自身角度误差 会影响其静、动态特性[1–4] ，且采用碳氮共渗后磨 削的精加工工艺，需要控制其轴向磨削量，因碳 氮共渗层较浅，磨削量太大会造成硬度大幅度降 低[5–6] ，影响其使用寿命. 当溢流阀处于非满流量 分布溢流时，因复杂的流场变化而产生冲击振 动[7] ，同时伴随气蚀现象产生，阀套内锥面在振动 和气蚀的共同作用下[8–9] ，表面硬化层太薄会很容 易脱离基体，造成永久性破坏[3] . 现行设计制造过 程中，一般图纸上对内锥面磨削的技术要求标定 见光即可，但内锥面的磨削无法直观可见，对于常 规内圆磨进给量的控制和见光的程度存在较大的 随机性，最终影响批量制造产品质量的稳定性. 尤 其对于不具备数控磨削的中小型企业，在制造过 程中，磨削内锥面完全由操作人员凭自身感觉来 判断进给量，没有进行准确的磨削量检测控制，实 际制造过程中即便有三坐标测量仪，也不可能做 到对每个零件都采用三坐标检测. 基于此，对阀套结构及制造工艺进行分析，建 立内锥面误差模型，通过模型分析得到磨削量与 偏差角之间的变化关系；对误差模型进行应用分 析，得到最大、最小磨削量及磨削公差随上、下偏 差角的变化特性，该变化特性可指导实际磨削时 的偏差取向选择，并确定适宜的上下偏差角数值. 根据阀套结构特点设计专用的检测装置，分析检 测误差并进行控制，以减小测量系统误差对测量 精度的影响；通过实验验证了内锥面误差模型的 准确性，所设计的检测装置能够满足测量精度的 要求；在实际制造过程中，可应用检测装置快速测 量每一件阀套内锥面的相关尺寸，实现制造误差 的全覆盖精准控制. 1 阀套介绍 如图 1 和 2 所示，阀芯设置于阀套内，阀芯的 密封圆与其左端面形成密封线，密封线与内锥面 接触形成接触密封圆，接触圆直径与密封圆直径 一致，接触圆所在平面为密封接触截面，外锥面与 阀块接触定位密封，内锥面的小圆直径为进油通 径，锥面的大圆直径为内锥面与阀套内槽油腔端 面形成的截圆直径，内锥角为内锥面的全角[2,4] . 阀 套的补油弹簧力作用在定位基准面上，阀芯的复 位弹簧力作用在阀芯内腔环形端面上，在 F2 的作 用下密封线与内锥面接触密封，在 F1 和 F2 的共同 作用下阀套与阀块接触密封，在高压油的作用下， 阀芯的密封线与内锥面应力接触[10–12] . F1 F2 1 2 k 3 W N d0 Dp d1 1—Valve sleeve; 2—Valve spool; 3—Valve block; N—Inner cone; W—Outer cone; k—Sealing line; d0—Matching circle diameter; d1—Seal circle diameter; Dp—Oil inlet diameter; F1—Charge spring pressure; F2—Return spring pressure 图 1 阀套阀芯装配图 Fig.1 Assembly drawing of the valve sleeve and valve core 锥阀式高压溢流阀处于关闭状态时，阀套的 内锥面承受阀芯的高压静态载荷，但在卸荷后关 闭的瞬间会产生冲击，故对阀套的内锥面要求基 体部分要具备一定的耐冲击韧性[2,12] ，表层一定深 度部分还要具备相应的硬度，同时满足耐磨、耐压 张 祝等： 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 · 967 ·
968 工程科学学报，第43卷，第7期 处的内锥面承受较大的压应力，因阀套基体为调 质料，内锥表面硬度太低或剩余渗层太浅，都会导 致内锥面产生塑性或永久性变形，这不仅会造成 泄漏，且在液压泵的脉动、管道弹性、液压油可压 缩性及高急流、回流、漩涡等的共同作用下B,,溢 流阀会产生严重的颤振和气蚀，在损坏精密部件 的同时，使系统压力失稳并伴随出现系统振动和 较大幅度的压力漂移现象；虽然做了结构改进，在 a-Inner cone angle of valve sleeve;Lo-Positioning size of sealing line; 阀芯上设置了带有阻尼的滑阀芯)，但依然无法 L-Size of the datum shift.Contact seal section,e-Base level of transfer;/-Positioning reference plane;D-Contact seal diameter, 消除因上述原因带来的振动.基于对溢流阀的 D-Great circle of cone;Do-Match the diameter of the inner hole 静、动态特性及使用寿命要求，在精加工阀套内锥 图2阀套结构图 面时必须严格控制其角度误差及剩余渗层深度. Fig.2 Structure of the valve sleeve 热处理后的高硬度零件通常采用磨削或硬车 和耐冲击的特性，，以达到预设计的使用寿命 削加工：虽然采用数控硬车能够较好的控制精度， 针对该工况要求，阀套的材料工艺采用高强度调 但因阀套孔径较小、孔深较长，采用细长刀杆硬车 质料，在机加工时留有余量，而后进行碳氨共渗热 内锥面会产生振动形成纹路：加之碳氮共渗仅表 处理，热处理后再对留有余量部分进行精加工.碳 层高硬基体较软，残余应力的形成同时还受到切 氨共渗层一般都比较浅，较为经济的层深要求为 削用量的影响]，碳氨共渗件硬车削不但难以形 0.4~0.5mm3-1,为了获得表面高硬度，如图3所 成有效压应力还会造成相变并形成质变层，容易 示，内锥面渗层的最大法向磨削量必须控制在0.1mm 引起较早的剥落失效和疲劳裂纹：且硬车崩碎 屑形成的表面有利于点蚀20，将加速气蚀的永久 以内，即上偏差角、下偏差角达到极限位置时两端 的最大磨削量均不得超出0.1mm 性损坏，故不宜采用硬车削，适合采用磨削方式加 工.常规磨削内锥面的制造误差控制主要依靠机 床操作人员的自身技能来实现，进给时通过听声 判别是否接触磨削，磨削量凭借经验进给，角度误 差则结合进给量通过目测内锥面是否完全光亮确 定，而磨削装夹时定位基准选择对制造误差控制 的影响没有得到有效体现；如此的制造误差控制 完全是随机的，尤其对于大批量生产无法做到产 品质量的一致性，更无法精确控制各个阀套内锥 面的剩余渗层深度.目前较为普遍采用人工方式 修整砂轮，因角度修整误差较大，为了获得整个锥 面的目测光亮，势必会造成潜在的磨削量人为增 大，从而减小了渗层深度.影响制造误差的因素不 0-Lower deviation angle;B-Upper deviation angle;D-Center circle 仅是该道磨削工艺自身的操作控制方法，还包括 diameter;a/2-Half angle of inner cone;-Maximum grind amount in 影响磨削工艺的前道机加工误差、定位误差及热 normal direction;A-Axial dimension corresponding to the maximum normal grinding amount;-Sealing circle normal grinding amount; 处理变形带来的磨削量随机误差，要准确的控制 -Axial grinding amount of seal circle;L,-Axial position of seal 内锥面制造误差，不仅要全面分析影响因素，还应 circle before grinding;L-Axial position of seal circle after grinding 结合目前普遍的常规制造能力和检测手段，细化 图3角度偏差分析原理图 研究内锥面误差控制理论，并辅以便捷、精准的检 Fig.3 Schematic of angle deviation analysis 测方法，实现批量制造的过程精准控制 对于采用典型的金属应力接触锥面密封的溢 2内锥角误差分析 流阀，大约90%的泄漏是由于液压油在微尺度上 渗入内锥表面的凹凸不平所引起的，在系统高 2.1误差模型建立 压负荷时阀芯承载的静态载荷较高，接触密封圆 如图3所示，获得制造误差上下偏差的直接方
和耐冲击的特性[5,12] ，以达到预设计的使用寿命. 针对该工况要求，阀套的材料工艺采用高强度调 质料，在机加工时留有余量，而后进行碳氮共渗热 处理，热处理后再对留有余量部分进行精加工. 碳 氮共渗层一般都比较浅，较为经济的层深要求为 0.4～0.5 mm[13–14] ，为了获得表面高硬度，如图 3 所 示，内锥面渗层的最大法向磨削量必须控制在 0.1 mm 以内，即上偏差角、下偏差角达到极限位置时两端 的最大磨削量均不得超出 0.1 mm. La Lb λ1 λ2 β Dc D1 θ ζ1 ζ2 α/2 Di Dp θ—Lower deviation angle; β—Upper deviation angle; Dc—Center circle diameter; α/2—Half angle of inner cone; ζ1—Maximum grind amount in normal direction; λ1—Axial dimension corresponding to the maximum normal grinding amount; ζ2—Sealing circle normal grinding amount; λ2—Axial grinding amount of seal circle; La—Axial position of seal circle before grinding; Lb—Axial position of seal circle after grinding 图 3 角度偏差分析原理图 Fig.3 Schematic of angle deviation analysis 对于采用典型的金属应力接触锥面密封的溢 流阀，大约 90% 的泄漏是由于液压油在微尺度上 渗入内锥表面的凹凸不平所引起的[15] ；在系统高 压负荷时阀芯承载的静态载荷较高，接触密封圆 处的内锥面承受较大的压应力，因阀套基体为调 质料，内锥表面硬度太低或剩余渗层太浅，都会导 致内锥面产生塑性或永久性变形，这不仅会造成 泄漏，且在液压泵的脉动、管道弹性、液压油可压 缩性及高急流、回流、漩涡等的共同作用下[3,16] ，溢 流阀会产生严重的颤振和气蚀，在损坏精密部件 的同时，使系统压力失稳并伴随出现系统振动和 较大幅度的压力漂移现象；虽然做了结构改进，在 阀芯上设置了带有阻尼的滑阀芯[17] ，但依然无法 消除因上述原因带来的振动. 基于对溢流阀的 静、动态特性及使用寿命要求，在精加工阀套内锥 面时必须严格控制其角度误差及剩余渗层深度. 热处理后的高硬度零件通常采用磨削或硬车 削加工；虽然采用数控硬车能够较好的控制精度， 但因阀套孔径较小、孔深较长，采用细长刀杆硬车 内锥面会产生振动形成纹路；加之碳氮共渗仅表 层高硬基体较软，残余应力的形成同时还受到切 削用量的影响[18] ，碳氮共渗件硬车削不但难以形 成有效压应力还会造成相变并形成质变层，容易 引起较早的剥落失效和疲劳裂纹[19] ；且硬车崩碎 屑形成的表面有利于点蚀[20] ，将加速气蚀的永久 性损坏，故不宜采用硬车削，适合采用磨削方式加 工. 常规磨削内锥面的制造误差控制主要依靠机 床操作人员的自身技能来实现，进给时通过听声 判别是否接触磨削，磨削量凭借经验进给，角度误 差则结合进给量通过目测内锥面是否完全光亮确 定，而磨削装夹时定位基准选择对制造误差控制 的影响没有得到有效体现；如此的制造误差控制 完全是随机的，尤其对于大批量生产无法做到产 品质量的一致性，更无法精确控制各个阀套内锥 面的剩余渗层深度. 目前较为普遍采用人工方式 修整砂轮，因角度修整误差较大，为了获得整个锥 面的目测光亮，势必会造成潜在的磨削量人为增 大，从而减小了渗层深度. 影响制造误差的因素不 仅是该道磨削工艺自身的操作控制方法，还包括 影响磨削工艺的前道机加工误差、定位误差及热 处理变形带来的磨削量随机误差，要准确的控制 内锥面制造误差，不仅要全面分析影响因素，还应 结合目前普遍的常规制造能力和检测手段，细化 研究内锥面误差控制理论，并辅以便捷、精准的检 测方法，实现批量制造的过程精准控制. 2 内锥角误差分析 2.1 误差模型建立 如图 3 所示，获得制造误差上下偏差的直接方 D1 α L0 D0 L1 e h y Di α—Inner cone angle of valve sleeve; L0—Positioning size of sealing line; L1—Size of the datum shift; y—Contact seal section; e—Base level of transfer; h—Positioning reference plane; D1—Contact seal diameter; Di—Great circle of cone; D0—Match the diameter of the inner hole 图 2 阀套结构图 Fig.2 Structure of the valve sleeve · 968 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期
张祝等：螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 969· 式是在内锥面法向0.1mm厚度所形成的梯形内拉 表1溢流阀计算参数 对角线，两条对角线分别与理想内锥面形成的小 Table 1 Overflow valve calculation parameters 夹角即为上下偏差的理论最大值，但按此获得的 Parameter Value 偏差值所依赖的梯形四个顶点并非该内锥面的设 Great circle of cone,D/mm 10.43 计基础参数项.内锥面的设计基础参数项为两端 Oil inlet diameter,D/mm 6 的大圆、小圆和锥角，大圆直径即为D,小圆直径 Contact seal diameter,D/mm 9.25 即为进油通径，锥角即为内锥角α.以内锥面的理 Inner cone angle of valve sleeve,a) 65 论设计母线为中心建立误差模型，偏差角边界线 Maximum grind amount in normal direction,/mm 0.1 以母线的中点做旋转，且偏差角边界线的延长线 与内锥面大圆所在平面的交点不得超出最大法向 根据换算的上下偏差要求分析，密封圆轴向 磨削量限定的范围、偏差角边界线的延长线与进 磨削量随着上下偏差角的变化而改变，经运算得 油通径所在圆柱面的交点亦不得超出最大法向磨 内锥角处于上偏差状态时的最大磨削量计算方 削量所限定的范围. 程式： 鉴于内锥角并非90°，且基于梯形特性，延长 △B △C 线两端交点只有一端先达到极限位置，且当该端 a (3) tan吃+p 、a 达到极限位置时，偏差角边界线与母线在同一平 经运算得内锥角处于下偏差状态时的最大磨 面内形成的小夹角即为偏差值.实际内锥角小于 削量计算方程式： 90°，故上偏差角边界线的上端先达到极限位置、 下偏差角边界线的下端先达到极限位置：据此，上 (4) 偏差角根据上极限端点和中心点求取，下偏差角 4D+5 根据下极限端点和中心点求取.采用该方式所求 tan(2- sin 取的上下偏差角数值略小于通过拉对角线方式所 当内锥角为理想值时，密封圆轴向磨削量可 得到的上下偏差值，故该值是对理论最大偏差值 向零趋近，但实际内锥角存在偏差，而阀套内锥面 的进一步收缩.经运算后可得两者的计算方程式 几何形状的完整性直接影响到溢流阀的动态特 上偏差角B的计算方程式： 性四和噪音生成四，为了保证整个内锥面的磨削 完整性，对应内锥角的实际偏差状态，须对应限定 21 tan (1) 2 该偏差值的密封圆轴向磨削量最小值.经运算 △Acos 2 得内锥角处于上偏差状态时的最小磨削量计算方 下偏差角0的计算方程式： 程式： △D 5) (2) 2 tan+B AAcos2 经运算得内锥角处于下偏差状态时的最小磨 式(1)、(2)中：△4为D-Dp,mm 削量计算方程式： 2.2误差模型应用分析 由式(1)和(2)可知，决定上偏差角和下偏差 (6) 角的因素包括：大圆直径、进油通径、最大法向磨 am号-）am2 削量以及内锥角.以某型先导式溢流阀的设计为 根据式(3)和(5)运算得上偏差时磨削公差计 例，相关参数如表1所示.将既定的设计基础参数 算方程式： 值分别代入式(1)和(2)，换算出上偏差角为 1.368°、下偏差角为1.339°；而基于表1中参数采 T'= AB+△D △C+△D (7) a 用拉对角的方式获得的上偏差角为1.405°、下偏 tan(+8 差角为1.374°，该应用所得值可进一步反应偏差模 根据式(4)和(6)运算得下偏差时磨削公差计 型是对上下偏差理论最大值的进一步约束 算方程式：
式是在内锥面法向 0.1 mm 厚度所形成的梯形内拉 对角线，两条对角线分别与理想内锥面形成的小 夹角即为上下偏差的理论最大值，但按此获得的 偏差值所依赖的梯形四个顶点并非该内锥面的设 计基础参数项. 内锥面的设计基础参数项为两端 的大圆、小圆和锥角，大圆直径即为 Di，小圆直径 即为进油通径，锥角即为内锥角 α. 以内锥面的理 论设计母线为中心建立误差模型，偏差角边界线 以母线的中点做旋转，且偏差角边界线的延长线 与内锥面大圆所在平面的交点不得超出最大法向 磨削量限定的范围、偏差角边界线的延长线与进 油通径所在圆柱面的交点亦不得超出最大法向磨 削量所限定的范围. 鉴于内锥角并非 90°，且基于梯形特性，延长 线两端交点只有一端先达到极限位置，且当该端 达到极限位置时，偏差角边界线与母线在同一平 面内形成的小夹角即为偏差值. 实际内锥角小于 90°，故上偏差角边界线的上端先达到极限位置、 下偏差角边界线的下端先达到极限位置；据此，上 偏差角根据上极限端点和中心点求取，下偏差角 根据下极限端点和中心点求取. 采用该方式所求 取的上下偏差角数值略小于通过拉对角线方式所 得到的上下偏差值，故该值是对理论最大偏差值 的进一步收缩. 经运算后可得两者的计算方程式. 上偏差角 β 的计算方程式： tan( α 2 +β ) = 1+ 2ζ1 ∆Acos α 2 tan α 2 （1） 下偏差角 θ 的计算方程式： tan( α 2 −θ ) = 1 1+ 2ζ1 ∆Acos α 2 tan α 2 （2） 式（1）、（2）中：ΔA 为 Di–Dp，mm. 2.2 误差模型应用分析 由式（1）和（2）可知，决定上偏差角和下偏差 角的因素包括：大圆直径、进油通径、最大法向磨 削量以及内锥角. 以某型先导式溢流阀的设计为 例，相关参数如表 1 所示. 将既定的设计基础参数 值分别代入式 （ 1）和 （ 2） ，换算出上偏差角 为 1.368°、下偏差角为 1.339°；而基于表 1 中参数采 用拉对角的方式获得的上偏差角为 1.405°、下偏 差角为 1.374°，该应用所得值可进一步反应偏差模 型是对上下偏差理论最大值的进一步约束. 根据换算的上下偏差要求分析，密封圆轴向 磨削量随着上下偏差角的变化而改变，经运算得 内锥角处于上偏差状态时的最大磨削量计算方 程式： λ ′ 2max = ∆B tan( α 2 +β ′ ) − ∆C tan α 2 （3） 经运算得内锥角处于下偏差状态时的最大磨 削量计算方程式： λ ′′ 2max = 1 tan α 2 − 1 tan( α 2 −θ ′ ) ∆D+ ζ1 sinα 2 （4） 当内锥角为理想值时，密封圆轴向磨削量可 向零趋近，但实际内锥角存在偏差，而阀套内锥面 几何形状的完整性直接影响到溢流阀的动态特 性[21] 和噪音生成[22] ，为了保证整个内锥面的磨削 完整性，对应内锥角的实际偏差状态，须对应限定 该偏差值的密封圆轴向磨削量最小值. 经运算 得内锥角处于上偏差状态时的最小磨削量计算方 程式： λ ′ 2min = 1 tan α 2 − 1 tan( α 2 +β ′ ) ∆D （5） 经运算得内锥角处于下偏差状态时的最小磨 削量计算方程式： λ ′′ 2min = 1 tan( α 2 −θ ′ )− 1 tan α 2 ∆C （6） 根据式（3）和（5）运算得上偏差时磨削公差计 算方程式： T ′ = ∆B+ ∆D tan( α 2 +β ′ ) − ∆C + ∆D tan α 2 （7） 根据式（4）和（6）运算得下偏差时磨削公差计 算方程式： 表 1 溢流阀计算参数 Table 1 Overflow valve calculation parameters Parameter Value Great circle of cone, Di /mm 10.43 Oil inlet diameter, Dp /mm 6 Contact seal diameter, D1 /mm 9.25 Inner cone angle of valve sleeve, α/(°) 65 Maximum grind amount in normal direction, ζ1 /mm 0.1 张 祝等： 螺纹插装式溢流阀阀套内锥面制造的误差控制 · 969 ·