精密球體零件加工工藝的研究與應(yīng)用

徐鴻翔，趙保科，趙 飛，吳 平，張 航

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西西安710100）

精密球體零件加工工藝的研究與應(yīng)用

徐鴻翔，趙?？?，趙 飛，吳 平，張 航

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西西安710100）

球體零件是某國家重點(diǎn)型號發(fā)動機(jī)某一球閥的核心零件，它具有高形位公差要求、形狀不規(guī)則、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，給實(shí)際的加工生產(chǎn)帶來極大難度，該零件被列入某國家重點(diǎn)型號發(fā)動機(jī)研制中的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。通過反復(fù)試加工與參數(shù)摸索，在充分了解鋁材質(zhì)球體零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套粗加工、半精加工、精加工的加工工藝流程方法，并依據(jù)金屬材料熱處理原理在粗加工后、精加工前分別穿插進(jìn)行不同熱處理以達(dá)到消除粗加工去除大余量過程中產(chǎn)生的機(jī)械加工應(yīng)力與穩(wěn)定零件尺寸的目的，最后采用自制輔助工裝夾具、刀具選擇以及優(yōu)化切削參數(shù)等措施，成功生產(chǎn)出一批完全滿足設(shè)計要求的精密球體零件，裝配該球體零件的球閥順利通過熱試車考核。

球面加工；數(shù)控車削工藝；閥門加工技術(shù)

0 引言

隨著我國載人航天工程、探月工程、新一代運(yùn)載火箭研制等科研生產(chǎn)任務(wù)的深入開展，對火箭發(fā)動機(jī)的精確控制、高可靠性與安全性等要求也日益增長。某閥門作為某在研型號發(fā)動機(jī)的重要零部件，是一項(xiàng)可靠性要求極高的閥門，其中零件球又是構(gòu)成某閥門的重要部件之一，其球面的面輪廓度僅為 0.01 mm，表面粗糙度高達(dá)0.1 μm，而且球面上有一窄槽子結(jié)構(gòu)。這使得該零件相比以往產(chǎn)品無論在尺寸精度保證上，還是在加工難度上都增加很多，因此亟須對零件球的加工工藝進(jìn)行大膽的探索與嘗試。

1 零件結(jié)構(gòu)分析及加工難點(diǎn)

1.1 零件球分析

零件球（如圖1所示），材料為鋁棒6A02，淬火時效，球面的面輪廓度要求較高、粗糙度要求較高，且鋁棒材料不宜采用磨削加工實(shí)現(xiàn)粗糙度要求。綜合分析，該零件適合數(shù)控車削加工。

圖1 球零件圖Fig.1 Two-dimensional structure of spherical valve core

1.2 加工難點(diǎn)

通過分析零件球的尺寸精度、形位公差及現(xiàn)有的加工、測量設(shè)備等因素發(fā)現(xiàn)，該零件的加工主要存在以下難點(diǎn)。

1） 球面廓度0.01mm與表面粗糙度0.1 μm的保證：一方面車削加工來保證球面廓度0.01 mm與表面粗糙度0.1 μm的要求本身較為困難；另一方面，零件球的尺寸及形位公差無法直接在加工中測量，必須借助計量設(shè)備；計量設(shè)備存在的誤差會更加縮小工件實(shí)際的加工公差。

2）斷續(xù)切削問題：零件球?qū)儆诨剞D(zhuǎn)類零件，由于球面上有一寬為d mm槽子的存在，使得加工球面時存在斷續(xù)切削；斷續(xù)切削時刀具容易損壞，很有可能傷到零件球的已加工表面，進(jìn)而影響到零件面輪廓度與表面粗糙度要求的保證。

3） 變形問題：車加工該零件時需留工藝夾頭，在切斷工藝夾頭時，刀具的沖擊力又會造成球面的微觀變形，進(jìn)而影響零件的面輪廓度要求；此外，使用夾具時夾緊力大小適宜與否也會引起零件球的加工變形。

2 解決方案

為解決上述零件球加工中存在的三大主要難點(diǎn)，從加工流程、夾具設(shè)計、刀具選擇及切削參數(shù)等方面制定了詳細(xì)的解決方案。

2.1 加工流程

針對車削加工保證球面廓度0.01 mm，表面粗糙度0.1 μm的要求以及斷續(xù)切削的難點(diǎn)，需要制定合理的加工流程，既要考慮到各車削工序加工余量的大小、加工基準(zhǔn)的選擇等因素，又要顧及加工過程中的應(yīng)力變形，以及如何盡量減小斷續(xù)切削給零件加工帶來的困難。

綜合分析后，對零件的加工工序作如下安排：

1）粗車內(nèi)外形；

2）去應(yīng)力熱處理；

4）穩(wěn)定尺寸熱處理；

6）銑槽；

8）切掉工藝夾頭；

主要的加工工序圖如下圖2所示。

圖2 零件球加工工序流程圖Fig.2 Flow chart of manufacturing technique for spherical valve core

從上述球零件加工工序流程圖2可以看出，粗車內(nèi)外形需留取直徑為ΦF工藝夾頭作為后續(xù)加工定位基準(zhǔn)；后續(xù)每次加工時，通過自制胎具裝夾在該工藝夾頭后通過找正外圓，控制跳動量在0.01以內(nèi)，以保證基準(zhǔn)的一致性；在粗車外形、半精車球面工序后分別安排熱處理工序，實(shí)現(xiàn)消除加工過程中的應(yīng)力變形及穩(wěn)定尺寸的目的；銑加工寬為d mm槽子時會影響到已加工球面的面輪廓與表面粗糙度要求，銑槽后再進(jìn)行精車球面工序時又存在斷續(xù)切削問題，通過多次工藝試驗(yàn)件加工探索，最終安排銑槽前先進(jìn)行一次精車球面，且在球面上留取0.2 mm余量，銑槽后再安排一道精車球面工序并控制好切削參數(shù)，這樣便很好的解決了斷續(xù)切削問題與零件形位公差保證之間的矛盾；最后，進(jìn)行車拋光工序，裝夾時采用自制胎具與車床漲罐相結(jié)合的方式，裝夾后找正外圓，保證跳動量在0.01以內(nèi)，選用500 mm×50 mm條狀的白羊布，并在白羊布上均勻涂一層氧化鋁研磨膏，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速控制在800 γ·min-1以內(nèi)，在機(jī)床上進(jìn)行拋光可使工件粗糙度達(dá)到0.1 μm，且不影響工件精度。

2.2 夾具設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)既夾緊零件又不使零件變形的目的，通過分析與試驗(yàn)摸索，切掉工藝夾頭前，利用自制工裝Ⅰ裝夾在工藝夾頭圓柱面進(jìn)行加工；切掉工藝夾頭后，利用零件內(nèi)孔，因機(jī)床設(shè)備的現(xiàn)有漲罐最大直徑不能直接使用，需通過自制工裝Ⅱ與機(jī)床漲罐相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)零件進(jìn)行拋光工序的裝夾定位，輔助工裝夾具的結(jié)構(gòu)圖及使用方式如圖3所示。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of fixture

2.3 刀具選擇

刀具采用硬質(zhì)合金刀具，尺寸為R2 mm，前角為0°，后角為12°，副后角為15°。采用硬質(zhì)合金刀具克服了刀具因磨損而影響的尺寸誤差，同時要最大程度的限制刀桿的伸出長度，控制在100 mm內(nèi)，防止零件因刀桿強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生振動。加工時，采用R刀與圓弧補(bǔ)償相結(jié)合的方式，以便保證球面尺寸及其面輪廓度的加工要求。

為解決切掉工藝夾頭時，刀具的沖擊力又會造成球面的微觀變形問題。首先通過刃磨所用刀具，使其刀刃十分鋒利，選擇切削速度為1.57 m·s-1，進(jìn)給量為0.03 mm/r；其次分兩步進(jìn)行工藝夾頭的切斷，先從零件一端內(nèi)孔鏜至工藝夾頭處且不切斷，再利用零件內(nèi)孔裝夾定位，從另一端切斷工藝夾頭。這樣便可以最大程度上減小刀具的沖擊力造成的微觀變形。

2.4 切削參數(shù)

對精密球體零件斷續(xù)表面的加工，影響最大的因素是切削力和切削熱，而對這兩者影響最大的切削參數(shù)分別為背吃刀量和切削速度，因此需結(jié)合加工設(shè)備和刀具性能、加工質(zhì)量要求及加工效率等要求，對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并經(jīng)過多次反復(fù)試加工與調(diào)整后確定了切削參數(shù)見表1。

表1 切削參數(shù)Tab.1 Cutting parameters of spherical valve core

3 加工結(jié)果

通過以上加工解決方案的實(shí)施，成功加工出一批尺寸要求、形位公差、表面質(zhì)量等檢測結(jié)果均滿足設(shè)計圖紙要求的合格零件球，如圖4所示。檢測結(jié)果見表2。

圖4 零件球加工成品圖Fig.4 Finished products of spherical valve cores

表2 一批球體零件加工后檢測結(jié)果Tab.2 Inspection results of several spherical valve cores produced with proposed technique and parameters

4 結(jié)論

本文所述的精密球體零件加工工藝研究成果已在科研生產(chǎn)中得到應(yīng)用，加工出的數(shù)件產(chǎn)品實(shí)物均滿足設(shè)計要求，為某在研型號的順利研制攻克了難關(guān)，并順利通過熱試車考核。通過此次研究得出：對于精密球體零件的加工，保證其尺寸精度、形位公差及表面加工質(zhì)量的關(guān)鍵在于減小和控制加工過程中、加工后的變形；采取合理工藝規(guī)劃、適合的工序熱處理時機(jī)、輔助裝夾工裝的使用、選擇合適刀刃形狀及切削參數(shù)等措施是加工出高精度、高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵。這項(xiàng)研究為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)的精密球類加工提供了可靠、有價值的參考依據(jù)與借鑒。

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（編輯：馬 杰）

Research and application of manufacturing technique for precision spherical parts

XU Hongxiang，ZHAO Baoke，ZHAO Fei，WU Ping，ZHANG Hang
（Xi'an Space Engine Factory，Xi'an 710100，China）

As a key part in an aviation liquid rocket engine project，the spherical valve core makes features of high shape tolerance，irregular shape and high surface roughness，resulting in difficulty of manufacturing.Based on the repeated tests，parameter exploration，full understanding of aluminium spherical part structure and manufacturing difficulty，a technological process of rough machining，semi-finish machining and finish machining were summarized，and according to the principle of metal heat treatment，different heat treatments were conducted in the period between rough machining and finish machining to eliminate the machining stress produced during big margin removing and stabilize parts'machining size.A batch of the precision spherical parts meeting the design requirements were produced successfully with self-making auxiliary fixtures，tool selection and machining parameter optimization，and theyhave passed the engine hot test.

spherical surface manufacturing；CNC turning process；valve processing technology

V432-34

A

1672-9374（2016）05-0088-04

2016-01-13；

2016-04-21

徐鴻翔（1989—），男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動機(jī)閥門制造及裝配技術(shù)