液壓舵機(jī)殼體環(huán)槽倒角拋光技術(shù)研究

于桂欣，張志國(guó)，劉向軍

(中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西西安 710065)

航空液壓舵機(jī)殼體中用于安裝閥類零件的孔通常稱為功能孔。為滿足密封性能，實(shí)現(xiàn)一定的功能，對(duì)這類孔尺寸、形狀以及表面質(zhì)量均有較嚴(yán)格的要求。為實(shí)現(xiàn)油路的溝通，這類孔中通常都設(shè)計(jì)有環(huán)槽(如圖1所示)。環(huán)槽在功能孔中起到溝通油路的作用，而環(huán)槽的倒角在裝配過程中對(duì)密封膠圈進(jìn)行壓縮，使其順利通過環(huán)槽，并保證在裝配過程中不會(huì)損傷膠圈。因此環(huán)槽倒角的表面質(zhì)量對(duì)舵機(jī)產(chǎn)品的性能以及使用壽命都有著重要的作用。

隨著對(duì)飛行器性能要求的不斷提升，機(jī)載設(shè)備的加工和裝配質(zhì)量也隨之提高。在殼體類零件中，設(shè)計(jì)部門對(duì)影響膠圈壽命的環(huán)槽倒角表面粗糙度也由過去的Ra2.5提高至Ra1.6，并有繼續(xù)提高的趨勢(shì)(如圖2所示)。由于加工條件的限制，采用常規(guī)的加工方法很難加工出質(zhì)量更高的環(huán)槽倒角。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，裝配部門只能采用冷裝配的方法來減少對(duì)膠圈的損傷。這樣做的缺點(diǎn)比較明顯，首先它增大了裝配的難度和成本，其次如果裝配不成功在二次裝配時(shí)需要更換全部的膠圈，增大了裝配成本。因此有必要開展提高環(huán)槽倒角粗糙度的研究。通過拋光提高表面質(zhì)量是一條行之有效的辦法。

圖1 功能孔及環(huán)槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 功能孔中環(huán)槽的局部放大圖

1 拋光方法

鉗工手動(dòng)拋光具有可達(dá)性好、柔性高的優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)企業(yè)在拋光加工工序習(xí)慣性采用鉗工拋光的方法。但是手動(dòng)拋光的缺點(diǎn)也很明顯。由于環(huán)槽均位于孔內(nèi)，有些環(huán)槽甚至在很深的位置，加工時(shí)不便于操作人員觀察，很難做到對(duì)倒角及倒圓的準(zhǔn)確定位。實(shí)際操作中，通常是對(duì)密封孔和環(huán)槽進(jìn)行整體拋光，這樣就容易造成對(duì)密封孔拋光的力度過大，而真正需要拋光的倒角、倒圓力度又不夠。如果拋光的次數(shù)過多，除了會(huì)影響密封孔的直徑，甚至?xí)茐拿芊饪椎膱A柱度，從而影響密封效果。因此對(duì)于數(shù)量多、位置深的環(huán)槽，不宜使用鉗工拋光。

某研究所在多年的液壓殼體零件加工中，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和方法。在提高環(huán)槽倒角表面質(zhì)量方面采用數(shù)控拋光的方法，取得了比較滿意的效果。采用數(shù)控拋光具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)定位精確。數(shù)控拋光可對(duì)拋光部位實(shí)現(xiàn)精確定位，在對(duì)指定倒角、倒圓拋光的同時(shí)有效避免對(duì)密封區(qū)域的拋光，防止了因材料過度去除帶來的精度損失。

(2)效果可控。通過調(diào)整拋光參數(shù)，數(shù)控拋光可實(shí)現(xiàn)對(duì)被拋光部位表面質(zhì)量的精確控制。

(3)不會(huì)遺漏。由于程序在計(jì)算機(jī)上完成，很容易識(shí)別所有的拋光加工內(nèi)容，不會(huì)出現(xiàn)遺漏、重復(fù)拋光等問題。

(4)綠色環(huán)保。拋光加工勢(shì)必產(chǎn)生大量細(xì)小的粉塵，對(duì)加工者的健康不利，而數(shù)控拋光是在封閉的空間進(jìn)行，對(duì)加工者的健康不構(gòu)成任何威脅，是一種綠色環(huán)保的拋光方式。

2 拋光材料及工裝

根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)以及被加工零件的材料特性，結(jié)合以往拋光加工中的經(jīng)驗(yàn)，選用日本UHT公司的5151型拋光輪作為此次試驗(yàn)的拋光材料(如圖3所示)。該拋光材料具有硬度適中且拋光效率較高的特點(diǎn)，比較適宜用于數(shù)控拋光。

圖3 沖壓成環(huán)狀的拋光材料

圖4為兩種規(guī)格的拋光桿，分別適用于不同深度的環(huán)槽拋光。其結(jié)構(gòu)類似T型銑刀，便于機(jī)床自動(dòng)換刀。如果加工中心具有中冷吹氣的功能，還可以在拋光桿上增加氣道(如圖5所示)，以及時(shí)將拋光產(chǎn)生的粉塵吹走，防止產(chǎn)生的金屬粉末對(duì)零件被加工表面的二次磨損，改善拋光區(qū)域的加工環(huán)境。

圖4 自制的拋光工裝

圖5 帶有中冷氣道的拋光桿

3 程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)拋光程序需要具備3個(gè)基本條件，即零件模型、刀具模型和刀具軌跡。此試驗(yàn)的拋光程序在UG環(huán)境下建立。

隨著MBD技術(shù)的廣泛使用，零件模型可以直接使用設(shè)計(jì)模型，如果沒有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)模型，程序設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建零件的三維模型。

拋光工裝的形狀與T型銑刀非常類似，因此在UG中選擇創(chuàng)建T型銑刀，模擬實(shí)際加工中使用的拋光輪(如圖6所示)。

在創(chuàng)建T型銑刀的過程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓合量的控制，這在后面會(huì)有詳細(xì)的說明。

在刀具軌跡的類型上，有兩種刀軌可供選擇，即平行刀軌和螺旋刀軌。采用平行刀軌時(shí)，刀具在環(huán)槽倒角的每一個(gè)截面上做圓周運(yùn)動(dòng)，每圈運(yùn)行結(jié)束后，刀具沿零件表面進(jìn)刀，之后繼續(xù)做圓周運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)直至加工結(jié)束(如圖7(a)所示)。采用螺旋刀軌時(shí)，刀具在零件表面做螺旋線運(yùn)動(dòng)，即在做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)有軸向運(yùn)動(dòng)(如圖7(b)所示)。綜合比較兩種刀軌，采用螺旋刀軌時(shí)機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，進(jìn)給均勻，效率更高，因此比較適宜作為拋光軌跡。

圖6 在UG中創(chuàng)建的拋光輪

圖7 使用UG軟件生成的拋光刀軌

4 參數(shù)控制

在拋光材料、拋光軌跡確定后，拋光效果受拋光輪轉(zhuǎn)速、機(jī)床進(jìn)給、切削刀軌步距以及拋光輪壓合量等參數(shù)影響。其中轉(zhuǎn)速、進(jìn)給和步距3個(gè)參數(shù)共同決定了拋光材料在零件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離和拋光加工時(shí)間，壓合量決定了拋光輪與零件表面的摩擦力。試驗(yàn)中將壓合量和刀軌步距作為變量，通過設(shè)定不同的數(shù)值觀察相關(guān)參數(shù)對(duì)倒角粗糙度的影響。

刀軌步距在UG軟件中可通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行調(diào)整。步距越小，螺旋線的密度越大，拋光輪走過的距離越長(zhǎng)，拋光時(shí)間越長(zhǎng);反之，則螺旋線的密度變小，拋光輪經(jīng)過的距離越短，拋光時(shí)間相應(yīng)縮短(見圖8)。

圖8 不同步距時(shí)的拋光軌跡

壓合量是此次試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)。拋光輪的壓合量分為軸向壓合量和徑向壓合量。軸向壓合量在確定刀具長(zhǎng)度時(shí)進(jìn)行控制。如實(shí)測(cè)刀長(zhǎng)為200 mm，在輸入數(shù)控機(jī)床時(shí)將刀長(zhǎng)設(shè)為199.5 mm，那么就可以實(shí)現(xiàn)軸向0.5 mm的壓合量。徑向壓合量在UG軟件中創(chuàng)建T型銑刀模型時(shí)進(jìn)行控制。如拋光輪實(shí)測(cè)直徑為φ25，如果將UG軟件中的刀具直徑設(shè)為φ24，就能夠?qū)崿F(xiàn)在徑向0.5 mm的壓合量，因此拋光輪建模的同時(shí)也就確定了徑向壓合量。

5 拋光試驗(yàn)

為防止零件內(nèi)積攢的鋁屑夾雜在拋光輪中影響拋光效果，拋光前對(duì)零件進(jìn)行了超聲波清洗。拋光過程中，避免噴冷卻液，可以吹氣，以改善拋光部位的環(huán)境。

此次試驗(yàn)對(duì)象為某型航空液壓舵機(jī)殼體(如圖9所示)。試驗(yàn)中拋光輪轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，機(jī)床進(jìn)給率為240 mm/min，其余加工參數(shù)見表1和表2。

圖9 某型殼體零件功能孔剖視圖

表1 切削步距參數(shù)表mm

表2 壓合量參數(shù)表mm

6 拋光結(jié)果

(1)拋光對(duì)倒角粗糙度的影響

通過設(shè)定不同的拋光參數(shù)，按照2因素2水平全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)8處倒角表面進(jìn)行拋光試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)及計(jì)量結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)參數(shù)及計(jì)量結(jié)果

從計(jì)量結(jié)果可以看出:隨著壓合量的增加，環(huán)槽倒角的粗糙度提高比較明顯，而步距對(duì)環(huán)槽倒角粗糙度的影響不明顯。因此在今后的實(shí)際加工過程中可選擇較大的步距(如0.1或0.2 mm)，而對(duì)壓合量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這樣既能夠提高拋光加工的效率又能夠有效保證拋光加工的效果。

在以上8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過將軸向壓合量增加到1 mm、步距縮短為0.01 mm后對(duì)一處倒角進(jìn)行了更大強(qiáng)度的拋光加工，該拋光過程持續(xù)時(shí)間約為9 min。經(jīng)計(jì)量，拋光處倒角的粗糙度提高至Ra0.13。由此可以推斷:隨著壓合量的增加和拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，此試驗(yàn)中的拋光方法能夠持續(xù)提高倒角粗糙度。

(2)拋光加工對(duì)光孔的影響

采用數(shù)控機(jī)床對(duì)倒角進(jìn)行拋光，能夠精確地控制需要拋光的區(qū)域，避免了不需拋光加工的部位與拋光材料的接觸。從圖10中可以看到:拋光加工沒有對(duì)相鄰光孔造成任何影響(被拋光部位略微發(fā)黑)，這也是鉗工拋光或整體拋光做不到的。

圖10 倒角拋光加工對(duì)相鄰光孔的影響

(3)拋光對(duì)倒角與光孔過渡處的影響

由于拋光輪在軸向方向有壓合量，因此在對(duì)環(huán)槽倒角的拋光過程中，當(dāng)拋光輪達(dá)到倒角的頂部時(shí)，拋光輪能夠?qū)Φ菇桥c光孔的過渡處具有一定的拋光作用。作者將試驗(yàn)組中第6組拋光的部位和一處未拋光的部位進(jìn)行了放大對(duì)比(見圖11)。從實(shí)物放大照片可以看出:拋光加工不能對(duì)倒角與光孔形成的尖角進(jìn)行有效倒圓。因此也可得出以下結(jié)論，即拋光加工不能替代倒圓的成型加工。

圖11 拋光前后倒角實(shí)物照片

(4)拋光對(duì)光孔粗糙度的影響

對(duì)光孔進(jìn)行了拋光加工，以判斷拋光加工對(duì)光孔粗糙度的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)量結(jié)果見表4。

表4 拋光加工對(duì)光孔孔徑及粗糙度的影響

從表4中可以看出:拋光加工能夠提高光孔的粗糙度，且對(duì)孔徑的影響很小(+φ0.005 mm)。因此這種拋光方法不但適用于環(huán)槽倒角、倒圓的拋光加工，同樣適用于密封孔的拋光加工。

7 結(jié)論

此試驗(yàn)通過采用數(shù)控拋光的方法解決了航空液壓舵機(jī)殼體環(huán)槽倒角粗糙度差的問題，成功地將粗糙度由Ra1.2提高至Ra0.8以上，能夠滿足未來舵機(jī)產(chǎn)品對(duì)環(huán)槽倒角質(zhì)量的更高需求。拋光加工操作全部在數(shù)控機(jī)床上完成，避免了拋光加工對(duì)操作者技能的依賴，保證了拋光加工的可重復(fù)性和結(jié)果的可控性。試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的拋光刀軌能夠適應(yīng)不同直徑、不同角度和不同寬度環(huán)槽倒角的拋光加工，具有廣泛的適應(yīng)性，且能夠精確地控制需要拋光的部位。對(duì)光孔的拋光加工結(jié)論表明此試驗(yàn)中的拋光方法能夠提高光孔的粗糙度。

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