小型化快响应阀门具有响应时间快,流量控制精确,质量和体积小等特点,但该类阀门零件特征尺寸较常规阀门大幅减小(多数零件的特征尺寸介于Φ2×15 mm与Φ15×30 mm之间),因此加工中尺寸及形位公差难以控制,零件加工后尺寸偏差和形位公差增大,且装配时小型零件不易装配到位,会出现定位偏差增大的情况,当机加与装配的偏差累计过大时会导致阀门性能不满足设计要求的情况。要加工、装配出满足设计要求的阀门,需在平面尺寸链的基础上结合零件形位公差,构建三维装配尺寸链^[5],然后定位偏差产生环节,并制定合理的加工和装配方案。

装配尺寸链可直观体现阀门装配结构,其建立方法是先将各零件用空间向量代替,然后将空间向量依次连接,形成的封闭矢量环即为装配尺寸链模型。现以3个空间向量构成的空间尺寸链为例进行尺寸链分析说明,如图1所示,尺寸链的组成环大于3时分析方法一致。尺寸链中单一组成环AB,如图2所示。

图1 三维尺寸链
Fig.1 Three-dimensional dimension chain

图2 单一零件空间表达
Fig.2 Three-dimensional representation of single component

AB的空间表达,如式(1)所示:

AB=(|AB|sinαcos β|AB|sinαsinβ|AB|cosα)(1)

式中:|AB|为零件的基本尺寸; α为零件与Z轴的夹角; β 为零件在XOY平面内投影与X轴的夹角。以上参数可通过蓝图获得。同理,其余向量的空间表达可通过同样方法计算得到,但需要注意建立坐标系之间的转化关系。

明确所有零件转化所得的空间向量的表达式后,能够计算封闭环AC的表达式,如式(2)所示。

AC=AB+BC(2)

其中

BC=(|BC|sinα_BCcosβ_BC|BC|sinα_BCsinβ_BC|BC|cosα_BC)

式(2)结果为封闭环的理论表达形式,因零件加工和装配中均存在误差,所以需对式(2)进行修正。将其中参数|AB|,|BC|,α和β修改为|AB|+Δ|AB|,|BC|+Δ|BC|,α+Δα和β+Δβ,并带入式(2),可得实际封闭环的空间表达式CA',如式(3)所示。

CA'=(|AB|+Δ|AB||BC|+Δ|BC|)(3)

理论封闭环和实际封闭环矢量差ΔCA即为封闭环的偏差,如式(4)所示。

ΔCA = CA'- CA = U·V(4)

其中

由式(4)可知,封闭环偏差ΔCA由矩阵U和V构成,矩阵U是偏差源矩阵,其中元素是对封闭环偏差产生影响的因素; 矩阵V是偏差敏感矩阵,其中元素表示相应偏差源的敏感程度。结合蓝图尺寸与形位公差数据可对偏差敏感矩阵V中各元素进行数值计算,敏感度大的偏差源对应的零件即为需在机加和装配中进行工艺控制的环节。

对阀座、阀杆的加工进行工艺设计,阀座加工中,其外形包含的外圆、内孔等特征需在一次装夹中加工完成,加工完成后对密封锐边使用20～40倍显微镜进行观察,要求密封锐边完整无缺口。阀杆属细长杆类零件,长径比为接近10,加工应力对该零件圆柱度影响较大,因此粗加工后先进行放置后再进行精加工。

阀门装配中也应对阀杆和阀芯的装配过程进行工艺设计,保证阀杆装配后与公共轴线a(图3所示)具有良好的同轴度,保证阀座装配后密封端面相对于公共轴线a(图3所示)具有良好的垂直度。阀门装配结构设计的装配流程如图7所示。

图7 小型化快响应电磁阀装配流程图
Fig.7 Assembly flow chart of miniaturized quick response solenoid valve

该装配流程中阀杆装配前密封元件、螺母、顶杆已完成装配,以上三处零件对阀杆起定位作用,后续压套、螺母起压紧、固定阀杆位作用,因此阀杆装配后易与公共轴线A保持较好的同轴度。阀座装配环节位于阀门装配流程的第2步,阀座装配前,阀体内部仅安装有两处密封元件,其余零件均未装配,如图8所示。

图8 阀座装配图
Fig.8 Assembling diagram of valve seat

阀座安装至阀体底部时需经过两处密封元件,所受摩擦力较大,且无可用于定位的零件,装配过程需在阀座上端持续施加较大轴向力才可完成装配。为保证阀座的可靠装配,设计了专用压杆对阀座进行装配,如图9所示,装配时先将阀座预装至图8状态后,使用阀座压杆将阀座垂直按压至阀体底部。

图9 阀座压杆使用示意图
Fig.9 Schematic diagram of valve seat with pressing bar

该装配过程阀座受到轴向定位,易通过密封元件安装至阀体底面,安装后可保证上端面与公共轴线垂直度在技术要求范围内,且密封锐边不受损坏。

对新制的阀座、阀杆的形位公差进行检测,结果如表3所示。

表3 零件形位公差表
Tab.3 Geometric tolerance table of parts

使用新制的阀杆、阀座按照图7所示的装配流程进行阀门装配,其中阀座装配后采用20～40倍显微镜进行观察密封棱边,密封棱边清晰、完整、无缺口,未进行装配工艺设计时阀座装配后密封棱边存在损伤、缺口。

阀门装配后阀杆与阀座处的密封性如表4所示。

表4 阀座与阀杆密封性
Tab.4 Seal property between valve spool and valve seat

由上述测量、试验结果可知,通过理论分析及根据理论分析专门进行的工艺设计能够对阀门零件生产、阀门装配进行指导,并且能够提高阀门装配后性能。

小型化快响应阀门的内部结构紧凑,零件特征尺寸较小,加工偏差和装配偏差累计过大时会导致阀门出现不满足设计要求的情况。对于以上情况,首先将阀门装配结构转化为装配尺寸链模型,然后分析得到封闭环偏差源及其影响矩阵,使用蓝图尺寸计算封闭环偏差敏感度,针对敏感度较大的偏差源,需对相应零件的加工和装配过程进行工艺规划。使用该方法对某典型小型化快响应电磁阀的加工和装配过程制定了合理的工艺规划,满足了精微阀门的性能要求。