郭 葉，趙 飛

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

復(fù)合式閥芯是由金屬基體鑲嵌非金屬密封材料而成[1]，其特點是密封面采用金屬—非金屬復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，在航天產(chǎn)品中密封可靠性高，應(yīng)用范圍廣，多項閥門采用該結(jié)構(gòu)閥芯保證閥門性能可靠。復(fù)合式閥芯的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于吹除系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)閥門中。

復(fù)合式閥芯加工難點之一是金屬—非金屬復(fù)合V形槽的加工，以金屬—氟塑料復(fù)合V形槽為例，其加工難點主要包括2個方面：①多余物[2]難以控制：在使用成形刀具加工時，零件加工部位一端是金屬材料，一端是氟塑料材料，切削金屬端時所形成的鐵屑會黏附在塑料端的表面上，形成致命多余物[3-4]。②加工性能存在較大差異：由于材料特性，非金屬面和金屬面的加工具有不同的切削性能，切削規(guī)律、刀具結(jié)構(gòu)、切削量均存在差異[5]，同樣的加工工藝方法得到的切削力不同，因此，需要選用不同的刀具和設(shè)置不同的切削參數(shù)以保證非金屬表面和金屬表面的加工精度。

本文采用分層逐點逼近法加工復(fù)合V形槽，結(jié)合優(yōu)化刀具參數(shù)，并通過模擬加工過程，以切削力為評價指標(biāo)，采用正交試驗法優(yōu)選切削參數(shù)等方法改進(jìn)金屬—氟塑料復(fù)合V形槽工藝技術(shù)。

1 金屬—氟塑料復(fù)合V形槽結(jié)構(gòu)和工藝現(xiàn)狀

金屬—氟塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1所示，金屬與氟塑料相接處設(shè)置V形槽進(jìn)行過渡，角度為a。

圖1 金屬—氟塑料復(fù)合V形槽(角度為a)Fig.1 Metal-fluoroplastic compound V-shaped groove(angle is a)

V形槽一般采用靠模法加工，即選用與加工型面一致的刀具一次加工成型[6]。這種加工方法的弊端是零件加工部位一端是金屬材料，一端是塑料材料，使用成形刀加工，產(chǎn)生的帶狀鐵屑容易將塑料端損傷或是黏附在塑料端的表面上，如圖2所示。

圖2 氟塑料面損傷Fig.2 Surface damage of fluoroplastics

2 金屬—氟塑料復(fù)合V形槽加工工藝改進(jìn)和分析

2.1 金屬—氟塑料復(fù)合V形槽加工方法改進(jìn)

本文采用分層逐點逼近法進(jìn)行加工，如圖3所示，切削路線[7]如圖4所示為E→D→C→B→A→E→F→G→H→I→J，在考慮多余物控制的基礎(chǔ)上，通過不斷調(diào)整加工路徑和切削參數(shù)，控制切屑流向，從塑料面起刀，從金屬面退刀，這樣可以使毛刺盡可能流向金屬層，減少金屬多余物流向塑料層進(jìn)而對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖3 分層逐點逼近法Fig.3 Layered point-by-point approximation

圖4 復(fù)合V形槽切削路徑Fig.4 Cutting route of compound V-shaped groove

2.2 金屬—氟塑料復(fù)合V形槽加工刀具改進(jìn)

金屬—氟塑料復(fù)合V形槽雖為2種材料組成，但由于結(jié)構(gòu)限制，在數(shù)控加工中需要實現(xiàn)連續(xù)加工，中途無法換刀，傳統(tǒng)成形刀加工法在加工過程中會產(chǎn)生毛刺等多余物，因此為了避免多余物的產(chǎn)生，選擇刃磨后刃口鋒利的高速鋼尖刀進(jìn)行加工。

刀尖角角度小于零件要求角度α的刀尖角，在進(jìn)行切削時不會干涉，如圖5所示，刀具幾何參數(shù)如表1所示。

圖5 復(fù)合V形槽加工刀具Fig.5 Machining tool of compound V-shaped groove

表1 刀具幾何參數(shù)

刀具前角增大可以有效增加刀具的鋒利程度，減少切削熱的產(chǎn)生[8]，但前角越大切削刃強度越差[9]，為增加刀具切削刃的強度，選擇前角角度為12°。刀具的主后角與副后角的作用是減少刀具后面和副后面與加工表面的摩擦，但后角與副后角偏大會降低刀具強度，故選擇15°的主后角和15°的副后角。

2.3 金屬—氟塑料復(fù)合V形槽切削參數(shù)優(yōu)化

精密零件表面的加工，對表面粗糙度影響最大的因素是切削熱和切削力，而對兩者影響最大的切削參數(shù)是切削速度和背吃刀量[10-11]。且加工金屬面與非金屬面在參數(shù)選擇上略有差異，金屬面加工的難點是盡量控制鐵屑的流向，使其不能與非金屬密封面接觸，因此轉(zhuǎn)速相比非金屬表面的加工要低一些，但是不能過低，否則會導(dǎo)致刀具急劇磨損。

切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量是車削加工中的重要的工藝參數(shù)，通過結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備加工能力、所用刀具類型、零件材料、精密加工理論知識等條件，能夠分別確定3種工藝參數(shù)的選擇范圍。V形槽特征尺寸及切削余量與宏觀零件相比大幅減小，因此需要確定能夠形成連續(xù)切屑的最小切削厚度，然后在此基礎(chǔ)上確定背吃刀量的參數(shù)范圍。

以BXG不銹鋼為例，材料具有沖擊韌性好、強度高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各類航天用閥門產(chǎn)品中，故本文將以此種材料為例，采用DEFORM軟件通過有限元分析技術(shù)進(jìn)行切削仿真[12]及加工研究。在有限元中，材料的形變—失效對應(yīng)著單元彈性變形、塑性變形、損傷開始到單元失效的整個過程[13]。

切削模擬將采用經(jīng)典三維斜角切削模型[14-15]，通過DEFORM軟件模擬BXG不銹鋼切削過程，BXG不銹鋼材料的材料本構(gòu)模型采用Johson-Cook流動應(yīng)力模型[16-17]

(1)

通過模擬一組逐漸減小的切削厚度各自所對應(yīng)的切屑狀態(tài)最終確定切削厚度的參數(shù)選擇范圍。以轉(zhuǎn)速n=300 r/min，進(jìn)給量f=0.05 mm/r為定量，背吃刀量依次為ap=0.1、0.05、0.03、0.02 mm進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

表2 Johson-Cook材料方程參數(shù)表Tab.2 Parameters in Johson-Cook material equation

圖6 切削過程仿真Fig.6 Simulation of cutting process

如圖6所示，切削厚度ap在0.1、0.05、0.03 mm情況下，被切削材料均能夠產(chǎn)生連續(xù)的切屑，切削厚度ap為0.02 mm時，刀具依然能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行去除，但無法形成連續(xù)性切屑，因此材料已加工表面的表面質(zhì)量會降低，且飛散的鐵屑很容易刮傷或嵌入非金屬表面，對非金屬密封面造成損傷。為保證金屬—氟塑料復(fù)合V形槽具有較好的機械加工表面質(zhì)量，加工金屬表面吃刀量參數(shù)需在大于0.02 mm的范圍內(nèi)選擇。

采用尖刀進(jìn)行加工時，為避免鐵屑飛濺，需選擇較低的進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速，將進(jìn)給量參數(shù)的選擇范圍確定為0.01～0.03 mm/r，轉(zhuǎn)速參數(shù)的選擇范圍確定為200～400 r/min。

確定加工方法、刀具參數(shù)、切削參數(shù)后，還需解決加工過程中高速鋼會產(chǎn)生大量的切削熱，使非金屬材料產(chǎn)生熱變形問題，因此加工過程中需添加冷卻液降溫，而一般的冷卻液對非金屬材料會產(chǎn)生腐蝕，因此，采用酒精進(jìn)行冷卻，不僅可以帶走加工產(chǎn)生的切削熱，而且能夠?qū)Ψ墙饘俨牧线M(jìn)行保護(hù)。

3 工藝改進(jìn)驗證

按照改進(jìn)后的加工方案，通過正交試驗原理設(shè)計切削模擬方案，選取9組試驗方案進(jìn)行切削模擬實驗，將背吃刀量ap(mm)、進(jìn)給量f(mm/r)、轉(zhuǎn)速n(r/min)作為試驗因素[18-20]，然后對每個因素選取3個水平進(jìn)行模擬，最終評價指標(biāo)為切削模擬過程中的刀具在x、y、z方向的受力情況。切削模擬選取的因素、水平如表3所示，確定的切削模擬方案如表4所示。

表3 切削模擬選取的因素水平表Tab.3 Selected factor level of cutting simulation

通過分析切削模擬所得結(jié)果，能夠得到使得刀具在x、y、z方向受力均較小的切削加工工藝參數(shù)，在此參數(shù)下刀具工作過程中受力減小，保證了切削刃和刀具角度的完整性，從而提高了刀具壽命和加工產(chǎn)品的合格率。

表4 正交切削模擬方案表Tab.4 Scheme of orthogonal cutting simulation

使用表4中確定的正交切削模擬方案進(jìn)行切削模擬，對x、y、z3個方向的切削力進(jìn)行記錄，如表5所示。

表5 模擬切削力結(jié)果Tab.5 Simulation results of cutting force

因上述模擬過程屬多指標(biāo)正交試驗情況，即需使刀具在x、y、z3個方向所受切削力均較小，因此通過綜合平衡考慮，對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以得出理論最優(yōu)工藝參數(shù)。通過對3個指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表6所示。由表6可知，試驗因素進(jìn)給量f均采用C1水平，即0.01 mm/r的進(jìn)給量能夠保證切削過程中刀具受力較小,試驗因素背吃刀量ap均采用B1水平，即0.03 mm的背吃刀量能夠保證切削過程中刀具受力較小。通過分析極差可知，在Fx、Fy、Fz指標(biāo)中，背吃刀量ap的極差均大于進(jìn)給量f和轉(zhuǎn)速n的極差，進(jìn)給量的極差均大于轉(zhuǎn)速的極差，因此證明背吃刀量ap對于指標(biāo)的影響程度大于進(jìn)給量f和轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給量對于指標(biāo)的影響程度大于轉(zhuǎn)速，故選取背吃刀量ap和背吃刀量的最優(yōu)水平后再進(jìn)行轉(zhuǎn)速n的最優(yōu)水平選取。

表6 極差分析表Tab.6 Range analysis table

因零件回轉(zhuǎn)中心較小，且轉(zhuǎn)速對切削力的影響很小，因此，可以從提高加工效率方面考慮選取n=400 r/min。

以上為金屬部分的切削參數(shù)，對于非金屬部分，由于切割非金屬部分時產(chǎn)生的飛屑為塑料，不會對產(chǎn)品造成損傷，因此可適當(dāng)增大轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量來提高加工效率，因此，非金屬部分切削參數(shù)為：n=500 r/min，ap=0.03 mm，f=0.03 mm/r。

按照優(yōu)選出的最佳切削參數(shù)進(jìn)行實際加工，產(chǎn)品尺寸精度滿足公差范圍±0.1 mm，非金屬密封面無損傷，表面粗糙度達(dá)Ra1.6，如圖7所示。

圖7 復(fù)合式V形槽加工效果Fig.7 Processing effect of compound V-shaped groove

目前，本文提出的這套金屬—氟塑料復(fù)合V形槽已應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機吹除系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)的多種閥門的復(fù)合式閥芯加工過程，實現(xiàn)批產(chǎn)應(yīng)用，并經(jīng)過飛行考核。

4 結(jié)語

針對金屬—氟塑料復(fù)合V形槽的結(jié)構(gòu)特點，本文提出了一整套完整、系統(tǒng)的加工工藝設(shè)計方案思路。通過合理設(shè)計金屬—氟塑料復(fù)合V形槽切削路線、優(yōu)化切削刀具的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、優(yōu)化加工過程中影響加工質(zhì)量的切削參數(shù)等工藝過程，確定金屬—氟塑料復(fù)合V形槽加工工藝方法，此方法已推廣應(yīng)用于液體火箭發(fā)動機閥門復(fù)合式非金屬密封結(jié)構(gòu)的精密加工。