大直徑薄壁球形閥芯加工工藝

趙 飛，黃紅耀

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西 西安710100）

0 引言

我國(guó)新型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的煤油隔離閥是一種大型球閥，入口接貯箱，出口接發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)閥門，在箭體加注后、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前起隔離燃料的作用。球形閥芯是煤油隔離閥的核心部件。

球形閥芯的圓度和表面粗糙度對(duì)閥芯與閥座之間的密封性能至關(guān)重要，設(shè)計(jì)要求閥芯球面的圓度0.01，表面粗糙度Ra0.2，面輪廓度0.015 mm，相對(duì)基準(zhǔn)A的跳動(dòng)0.03 mm，精度要求很高，此為加工難點(diǎn)之一；由于煤油隔離閥體積較大，球形閥芯直徑Φ200 mm且為中空結(jié)構(gòu)，鍛件毛坯，殘余應(yīng)力較大，此為難點(diǎn)之二；另外，閥芯中間通道為錐孔，最大處直徑Φ154 mm，最小處直徑Φ120 mm，在球面Φ164.5 mm直徑處有兩個(gè)7°的錐平面，最薄處壁厚僅有5.25 mm，直徑與壁厚比為31.3，屬于典型的薄壁零件的斷續(xù)加工，裝夾定位難度很大，加工變形大，中間錐孔加工后材料應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形，此為難點(diǎn)之三。因此加工存在極大難度，被列入液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行集智攻關(guān)。

1 球形閥芯的設(shè)計(jì)狀態(tài)

1.1 材料

煤油隔離閥的材料為鍛鋁6A02-T6 GB/T3191-1998，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。室溫力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions

1.2 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

球形閥芯零件的主要設(shè)計(jì)要求如下：

1） SΦ200±0.05球面相對(duì)于基準(zhǔn)A的跳動(dòng)為0.03 mm，Φ169 mm直徑處的平面相對(duì)基準(zhǔn)A的垂直度為0.05mm，轉(zhuǎn)軸處Φ44 mm端面槽底面相對(duì)基準(zhǔn)A的垂直度為0.03 mm，花鍵中徑相對(duì)基準(zhǔn)A的跳動(dòng)為0.02 mm，花鍵的端面相對(duì)基準(zhǔn)的垂直度0.03 mm；

2） 14°錐孔相對(duì)于基準(zhǔn)A-B位置度0.07 mm；

3） 14°錐孔直線度 0.05 mm；

4） SΦ200±0.05球面的圓度 0.01 mm，面輪廓度0.015 mm。

2 球形閥芯的關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

煤油隔離閥球形閥芯為薄壁不規(guī)則零件，在內(nèi)、外形加工時(shí)存在很大的裝夾和加工難度，鍛件存在殘余應(yīng)力，加工后易變形，斷續(xù)車削產(chǎn)生的較大加工應(yīng)力也使零件容易產(chǎn)生變形，且易產(chǎn)生積削瘤，這些都對(duì)零件加工表面和加工尺寸的控制有很大影響，需要在加工時(shí)采取措施予以解決和控制。

2.1 裝夾方式

零件加工時(shí)首先根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)確定安裝定位孔，這樣才能保證零件的合理裝夾、準(zhǔn)確定位。精加工球面時(shí)必須采用一夾一頂?shù)难b夾方式。裝夾力和尾座頂尖的頂緊力對(duì)薄壁零件的變形影響很大，因此控制裝夾力和尾座頂尖的頂緊力成為精加工球面的關(guān)鍵。

1） 粗加工時(shí)由于煤油隔離閥球形閥芯采用鍛造毛坯，毛坯為表面不規(guī)則圓柱實(shí)體，所以采用可自動(dòng)定心、裝夾力較大的三爪卡盤夾緊。

2） 半精加工過(guò)程中，銑加工采用Φ116±0.2孔定位，壓板壓緊；車加工以Φ149+0.10定位，采用花盤裝夾，壓板壓緊。這種裝夾方式可以有效避免四爪卡盤裝夾時(shí)因裝夾力較大而產(chǎn)生的變形，同時(shí)使裝夾力分散作用在閥芯轉(zhuǎn)軸處，作用在球面上的裝夾力較小，最大限度地減小球面的變形。

2.2 加工刀具及程序

因?yàn)槠胀ǖ毒咴诩庸で蛎鏁r(shí)不能實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的象限轉(zhuǎn)化，所以不能進(jìn)行球面加工。為了保證零件加工后的形位尺寸符合設(shè)計(jì)要求，在沒(méi)有專用刀具的情況下設(shè)計(jì)制造了專用R球形車刀，刀具R，前角 3°，主后角 8°，副后角 4°，副偏角2°。選擇加工精度高的精密數(shù)控車床進(jìn)行精加工，由于普通加工程序不能用于球形車刀的加工，所以在數(shù)控車床上編寫了數(shù)控車床常用的刀具補(bǔ)償和恒線速切削指令程序。

2.3 熱處理

由于球形閥芯是大直徑中空、外形不規(guī)則的薄壁零件，加工中沖擊大、產(chǎn)生熱量大，零件應(yīng)力釋放緩慢和人工時(shí)效后鍛造應(yīng)力釋放不完全，導(dǎo)致零件在加工、周轉(zhuǎn)和放置過(guò)程中產(chǎn)生很大的形變，無(wú)法保證產(chǎn)品最終尺寸。

球形閥芯采用的材料6A02-T6是以鎂和硅為主要合金元素并以MgSi相為強(qiáng)化相的鋁合金鍛造毛坯，這種材料的α固溶體成分隨溫度變化而變化，可用熱處理方法強(qiáng)化，屬于熱處理能強(qiáng)化的合金，在高溫成型過(guò)程急冷后可以達(dá)到與固溶處理相同的效果。6A02-T6鋁合金在高溫成型中使第二相θ（CuAlg）來(lái)不及從α固溶體中析出，在室溫下得到過(guò)飽和α固溶體。雖然固溶處理或高溫成型使材料強(qiáng)度提高，但組織不穩(wěn)定，有分解出強(qiáng)化相過(guò)渡到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，因此在室溫下放置一定時(shí)間后或加工時(shí)，強(qiáng)化和硬度會(huì)明顯提高。所以6A02-T6鋁合金在固溶處理或高溫成型后需進(jìn)行人工時(shí)效，否則加工后的零件變形嚴(yán)重，難以保證最終精度。

鋁合金還可以進(jìn)行冷處理。冷處理時(shí)造成內(nèi)部組織位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，使脫溶相形核更為廣泛均勻，有利于合金的強(qiáng)度性能和塑性，還可以提高抗蝕性。

基于上述原因，決定對(duì)球形閥芯采用多次熱處理的方法來(lái)消除應(yīng)力、穩(wěn)定零件尺寸。鍛造后對(duì)零件毛坯進(jìn)行人工時(shí)效，消除鍛造應(yīng)力；粗加工后對(duì)零件進(jìn)行人工時(shí)效，消除粗加工時(shí)較大的加工應(yīng)力，人工時(shí)效后對(duì)零件進(jìn)行冷處理，冷處理的作用是使材料內(nèi)部組織轉(zhuǎn)化更充分，組織更加穩(wěn)定。半精加工后進(jìn)行人工時(shí)效，消除半精加工產(chǎn)生的加工應(yīng)力，冷處理穩(wěn)定半精加工后零件的內(nèi)部組織，使尺寸更穩(wěn)定。

針對(duì)特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料，制定了特殊的工藝方法，從控制裝夾力、頂緊力等方面入手，并采用多次熱處理方法全面控制加工過(guò)程中的變形。

3 球形閥芯的加工工藝流程及工藝方法

基于以上分析，確定零件加工的工藝流程如下：

鍛造—人工時(shí)效—粗加工—人工時(shí)效+冷處理—半精加工—人工時(shí)效+冷處理—精加工—研磨+拋光—表面處理—拋光—檢驗(yàn)

在確定了工藝流程后，具體的加工設(shè)備和加工方法也有多種選擇，根據(jù)實(shí)際情況確定最優(yōu)的方法和參數(shù)。

3.1 加工機(jī)床的選擇

1） 機(jī)床選擇。根據(jù)球形閥芯尺寸大，圓度、面輪廓度要求高的要求，選擇了精密數(shù)控車床尤剛TNC-300。該機(jī)床的有效加工直徑Φ280 mm，加工長(zhǎng)度720 mm，加工精度0.008 mm，重復(fù)定位精度0.01 mm。機(jī)床具有刀盤直徑大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在加工球形表面時(shí)x軸和z軸的插補(bǔ)精度高，能夠保證加工時(shí)刀具圓弧軌跡的連續(xù)性，提高球面的輪廓度、圓度和表面質(zhì)量。

2） 方案驗(yàn)證。為了驗(yàn)證機(jī)床的實(shí)際加工性能，加工球形閥芯前在該設(shè)備上進(jìn)行了SR60球面的試加工，經(jīng)三坐標(biāo)儀檢測(cè)試件的圓度達(dá)到了0.002 mm，因此確定該設(shè)備可用于煤油隔離閥球形閥芯的加工。

3.2 球面車刀的參數(shù)選擇和確定

由于球形閥芯加工型面大于90°，在數(shù)控車床加工中屬于跨象限加工，加工過(guò)程中必須連續(xù)加工，以防止在球面最大直徑處產(chǎn)生接刀痕跡。普通刀具不能實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的象限轉(zhuǎn)化，避免不了此種現(xiàn)象，因此采取球形車刀加工。

由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的球形車刀，設(shè)計(jì)制造了專用球形車刀。車刀外形見(jiàn)圖1。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

1）刀具材料選擇。根據(jù)球形閥芯斷續(xù)切削、對(duì)加工中產(chǎn)生熱量敏感的特點(diǎn)，選擇抗彎強(qiáng)度與韌性較高、導(dǎo)熱性好、適合有色金屬精加工的鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具YG3。其成分和性能見(jiàn)表4。

圖1 專用球形車刀圖Fig.1 Diagram of special spherical turning tool

表3 專用球形車刀參數(shù)Tab.3 Parameters of special spherical turning tool

表4 YG3硬質(zhì)合金刀具的成分和性能Tab.4 Compositions and performances of YG3 carbide tool

2）刀具R的精度直接影響到球形閥芯的圓度和面輪廓度。數(shù)控程序計(jì)算刀具切削軌跡是以鍵入刀具庫(kù)的各項(xiàng)參數(shù)為準(zhǔn)，并以標(biāo)準(zhǔn)的刀具R進(jìn)行計(jì)算，擬合出刀具實(shí)際加工的軌跡參數(shù)。所以刀具在球面上的實(shí)際切削點(diǎn)與數(shù)控機(jī)床計(jì)算的理論點(diǎn)隨刀具R的精度而變化，并在加工中將刀具R的誤差成倍放大到加工表面上，因此R的精度越高加工出的球面越理想，要求刀具R=2.50-0.005；以實(shí)測(cè)刀具的R值，為準(zhǔn)輸入程序，來(lái)保證球面精度。

3） 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，但刀具切削刃的切削部位會(huì)隨球形車刀在球面的軌跡發(fā)生變化。切削刃不能保持在球形閥芯的中心線上加工，隨著刀具前角的增大對(duì)球面的圓度和面輪廓度產(chǎn)生的不利影響就越大，且前角越大刀具切削刃的強(qiáng)度越差。考慮到閥芯的斷續(xù)切削，為增加刀具切削刃的強(qiáng)度，選擇的前角為3°。

4） 刀具的主后角和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，但后角和副后角偏大會(huì)降低刀具強(qiáng)度?？紤]到閥芯是斷續(xù)加工，選擇了8°的主后角和4°的副后角。

5） 副偏角的作用是減少與零件已加工表面的摩擦。隨著副偏角的增大刀具的強(qiáng)度和散熱條件都會(huì)變差。根據(jù)精加工參數(shù)的選擇方案確定副偏角為 2°。

6） 根據(jù)車刀切削情況，為避免刀體與已加工表面摩擦，確定刀頭部分長(zhǎng)度為25 mm。3.3加工中切削速度的計(jì)算和選擇

對(duì)薄壁零件斷續(xù)表面的加工，影響最大的因素是切削力和切削熱，而對(duì)這兩者影響最大的切削參數(shù)分別為切削深度和切削速度，應(yīng)對(duì)該兩項(xiàng)切削參數(shù)充分優(yōu)化。

3.3.1 轉(zhuǎn)速選擇

鋁合金熔點(diǎn)低，且其塑性隨著溫度的升高而迅速增大。在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面的摩擦很大，滯流現(xiàn)象嚴(yán)重，易生積削瘤，降低工件的尺寸精度與表面粗糙度。大多數(shù)鋁合金在低速切削時(shí)會(huì)形成積削瘤。切削速度較高時(shí)，一般切削速度達(dá)到60～90m/min以上，則可以有效避免。切削速度的計(jì)算公式如下：

式中：v為切削速度；D為加工直徑；n為主軸轉(zhuǎn)速。

可以看出，切削速度與零件直徑成正比關(guān)系，所以在計(jì)算最小轉(zhuǎn)速時(shí)按最小直徑計(jì)算即可。球形閥芯最小處球面直徑為Φ122 mm，通過(guò)計(jì)算：

得出主軸轉(zhuǎn)速在大于235.9 r/min后不會(huì)產(chǎn)生積削瘤?？紤]到加工效率和高速旋轉(zhuǎn)會(huì)給零件帶來(lái)巨大離心力，產(chǎn)生振動(dòng)和變形，選擇主軸轉(zhuǎn)速n=300 r/min。

3.3.2 切削深度確定

大的切削深度會(huì)產(chǎn)生大的切削熱和大的變形，較小的切削深度不能跨越加工硬化層進(jìn)行切削，導(dǎo)致尺寸精度不受控制，較小的切削深度還會(huì)導(dǎo)致刀具斷續(xù)切削時(shí)刀具振動(dòng)，在已加工表面留下顫紋降低表面粗糙度。通過(guò)大量試切削試驗(yàn)確定最佳切削深度為0.15 mm。

3.3.3 進(jìn)給量確定

進(jìn)給量影響到加工表面微觀殘余高度，使表面粗糙度變化。進(jìn)給量越大，加工表面微觀殘余高度越大，表面質(zhì)量越差；進(jìn)給量太小，刀具在加工表面作用時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生熱量越大，加工硬化層越厚?？紤]到球形車刀在加工過(guò)程中始終與零件是點(diǎn)接觸，為了獲得較好的表面粗糙度和產(chǎn)生較小的切削熱，通過(guò)試切削試驗(yàn)確定最佳進(jìn)給量F=0.03 mm/r。

3.4 精加工球面程序編制

為了降低球面圓度、面輪廓度和表面粗糙度，除了設(shè)計(jì)專用球形車刀進(jìn)行加工外，還須運(yùn)用刀具補(bǔ)償?shù)臄?shù)控程序來(lái)進(jìn)行跨象限加工。這樣加工不僅可以保障加工過(guò)程的流暢，還能使整個(gè)加工過(guò)程中數(shù)控車床CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈完整而不中斷，更好地保證球面的圓度和面輪廓度。

由于加工表面是球面，加工過(guò)程中切削速度始終隨刀具加工直徑的變化而變化，切削速度的改變導(dǎo)致加工的表面質(zhì)量惡化。切削速度在恒轉(zhuǎn)速n=300 r/min時(shí)，從最大直徑Φ200 mm到最小直徑Φ122 mm時(shí)其切削速度在114.924～188.4 m/min范圍內(nèi)變化。為保證球面的圓度、輪廓度和表面質(zhì)量，必須控制切削速度，保證切削速度的一致性，所以在編制數(shù)控程序時(shí)加入了恒線速切削指令，使刀具在任一點(diǎn)的切削速度保持一致，并在程序中對(duì)最高主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，主軸最高轉(zhuǎn)速限制為300 r/min。

3.5 裝夾力的調(diào)整

薄壁且需斷續(xù)切削的零件在裝夾過(guò)程中裝夾力要適當(dāng)，以零件裝夾穩(wěn)定且不發(fā)生變形作為原則。在球形閥芯球面精加工時(shí)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇一夾一頂?shù)难b夾方式。由于材質(zhì)為鋁合金，加工中產(chǎn)生的切削力小，但零件為空心薄壁零件，受力后變形大，因此確定尾座頂尖僅作為一個(gè)支撐點(diǎn)，限制2個(gè)自由度，頂緊力以手推動(dòng)力阻止頂尖運(yùn)動(dòng)為準(zhǔn)。頂尖的頂緊力通過(guò)調(diào)整控制機(jī)床尾座頂緊力的旋鈕來(lái)調(diào)整。

3.6 加工中冷卻液的使用

粗加工中要充分使用冷卻液進(jìn)行冷卻，以減少工件溫升導(dǎo)致零件變形。冷卻液選用90%的水和乳化油均勻混合乳化液，這種比例配制既可以防銹又能對(duì)零件和刀具充分潤(rùn)滑。

精加工時(shí)，選用滲透能力較強(qiáng)的煤油作為冷卻潤(rùn)滑液。煤油通過(guò)加工時(shí)刀具和零件接觸面間之間大量分布的微觀毛細(xì)管，在加工振動(dòng)形成孔隙的泵吸作用下滲透在切屑、零件和刀面之間形成冷卻潤(rùn)滑膜，減小刀具和加工表面的摩擦系數(shù)，使表面質(zhì)量提高。另外煤油對(duì)鋁合金也有一定的防銹作用。

3.7 球面的研磨和拋光

受加工方式的影響，閥芯球面精車后表面粗糙度僅能達(dá)到Ra0.4，精加工后還需要對(duì)球面進(jìn)行研磨和拋光。研磨時(shí)選用顆粒度極細(xì)的金剛砂，拋光時(shí)選用特殊配料熬制的拋光膏。由于零件球形表面是斷續(xù)的，為減少工具的平面與球面交界處的作用導(dǎo)致球面圓度、面輪廓度損壞，要求涂有研磨劑和拋光膏的專用工裝在加工時(shí)與球面保持相切狀態(tài)。

4 結(jié)論

本工藝在加工中多次采用了人工時(shí)效和冷處理，基本消除了材料應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的應(yīng)變，有效控制零件的變形。

零件在加工過(guò)程中，加工了工藝定位孔，使加工基準(zhǔn)保持不變，有利于保持基準(zhǔn)統(tǒng)一，保證球形閥芯的相對(duì)位置精度。設(shè)計(jì)了專用球形車刀以實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的象限轉(zhuǎn)化，避免了在球面最大直徑處產(chǎn)生接刀痕跡。采用恒線速切削，使刀具在任一點(diǎn)的切削速度保持一致，更好地保證了球面的圓度、輪廓度和表面粗糙度。

采用本工藝方法加工的球形閥芯裝配在煤油隔離閥上后，氣密封和性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。泄露量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求。

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