四刃交匯切刀的磨削工藝研究

仵 亮，趙 飛，徐鴻翔，袁曉東，李旭光

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

四刃交匯切刀的磨削工藝研究

仵 亮，趙 飛，徐鴻翔，袁曉東，李旭光

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

針對電爆閥切刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及質(zhì)量要求，在分析切刀磨削難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對切刀磨削方案，磨削過程控制及磨削注意事項(xiàng)進(jìn)行了全面分析，得出了最佳的切刀磨削工藝方法。采用該磨削工藝方法進(jìn)行切刀磨削試驗(yàn)和切刀切破膜片試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，證明了此磨削工藝能夠生產(chǎn)出合格的四刃交匯切刀。

切刀；磨削工藝；電爆閥

0 引言

常閉式電爆閥是一種采用火藥爆炸釋放出的高溫、高壓氣體和沖擊波來驅(qū)動(dòng)切刀，實(shí)現(xiàn)打開功能的閥門，在航天飛行器上被廣泛用于對各種流體系統(tǒng)進(jìn)行控制。因常閉式電爆閥能可靠隔離閥門前的介質(zhì)，防止其泄漏進(jìn)入系統(tǒng)管路，對航天器的飛行起著關(guān)鍵作用[1-2]。

某型號電爆閥為常閉式電爆閥，其工作原理為當(dāng)閥門接到電爆指令后，在電爆管起爆產(chǎn)生的高壓電爆燃?xì)庾饔孟?，切刀刀尖先扎破膜片，隨后四刃交匯切刀沿扎破部位切開膜片，切刀繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，將切開的4瓣膜片擠靠在膜片組件內(nèi)壁上，將流道打開，實(shí)現(xiàn)電爆閥入口和出口相通。由此可見，膜片和切刀的加工質(zhì)量直接影響電爆閥的使用性能。

本文以該常閉式電爆閥的關(guān)鍵零件-四刃交匯切刀為對象，在分析切刀結(jié)構(gòu)及磨削難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了切刀刀刃的磨削工藝方法。通過對磨削后切刀尺寸的檢測及試驗(yàn)驗(yàn)證，所生產(chǎn)的切刀能夠正常實(shí)現(xiàn)膜片切破，保證電爆閥使用性能。

1 四刃交匯切刀加工難點(diǎn)分析

1.1 切刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

本文研究的切刀材料為S-07高強(qiáng)度不銹鋼，結(jié)構(gòu)及尺寸要求如圖1所示。根據(jù)電爆閥先扎后切的工作原理，切刀設(shè)計(jì)以60°圓錐為刀尖，四條刀刃以15°錐面形式交匯于刀尖圓錐處，在工作時(shí)通過刀尖扎破、刀刃切割實(shí)現(xiàn)膜片的切破。為了保證膜片順利被切破，設(shè)計(jì)要求刀尖、刀刃應(yīng)無豁口、刀尖60°錐面與刀刃15°斜面應(yīng)圓滑過渡，刀刃寬度0.05max且刀刃兩側(cè)斜面應(yīng)相對中心對稱。

1.2 切刀的磨削難點(diǎn)分析

根據(jù)切刀的四刃交匯結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求，切刀加工時(shí)首先通過精密數(shù)控車床加工60°錐面、15°錐面及外形，通過線切割完成四條筋的加工，然后采用磨削方式磨削刀刃。在磨削時(shí)，為保證刀刃角度30°，砂輪在磨削刀刃根部時(shí)易產(chǎn)生干涉而損傷刀尖及刀刃與刀尖過渡部分；因切刀刀刃較薄，刀刃寬度最大0.05 mm，磨削時(shí)易產(chǎn)生“崩刃”；磨削過程磨削熱過大，刀刃易被燒蝕；同時(shí)因切刀刀刃多（4條），在加工時(shí)需更換裝夾位置依次完成四條刀刃的磨削，由于砂輪磨損及裝夾誤差，磨削后刀刃易產(chǎn)生不對稱問題，如圖2所示為切刀磨削過程中易產(chǎn)生的質(zhì)量問題。

圖1 切刀的結(jié)構(gòu)示意及技術(shù)要求Fig.1 Structure features and technology requirements of the cutter

圖2 切刀的質(zhì)量問題Fig.2 Quality questions of the cutter

2 四刃交匯切刀的磨削工藝

2.1 磨削方案

在磨削時(shí)，選擇萬能工具磨床M6025C和萬能平口虎鉗配合碗型砂輪和碟形砂輪來完成切刀刀刃的磨削。如圖3所示為切刀的刀刃磨削過程示意。

通過萬能虎鉗調(diào)整切刀位置與砂輪位置的角度關(guān)系，來保證刀刃角度30°，使用碗型砂輪磨削刀刃后的狀態(tài)如圖3(b)所示。磨削后在刀尖處應(yīng)形成四方形截面，以保證刀刃磨削后刀刃兩側(cè)斜面相對中心對稱。

圖3 刀刃磨削過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of grinding process of the cutter

通過萬能虎鉗調(diào)整切刀磨削后四方尖角位置與砂輪的位置關(guān)系，使用碟形砂輪打鈍尖角，如圖3(c)所示為切刀成品。在打鈍尖角時(shí)，應(yīng)保證不損傷兩側(cè)刀刃且打鈍后不應(yīng)大于圓錐最大圓柱。

2.2 磨削過程控制

2.2.1 磨削裝夾方式

參照現(xiàn)場使用的萬能虎鉗（CHM萬向角度回轉(zhuǎn)平口鉗），通過仿真分析確定切刀磨削刀刃的裝夾方式，圖4為裝夾方式仿真結(jié)果。

為保證刀刃兩側(cè)斜面的夾角為30°，萬能虎鉗的調(diào)整角度為水平方向旋轉(zhuǎn)14°32＇，豎直方向傾斜3°52＇。但在實(shí)際加工時(shí)，由于虎鉗的分度為3＇，在加工前先調(diào)整水平為14°31＇，垂直方向傾斜調(diào)整為3°51＇進(jìn)行加工。

圖4 切刀裝夾方式仿真Fig.4 Clamping simulation of the cutter

圖5 磨削尺寸控制方法Fig.5 Methods of dimension control in grinding process

待刀刃磨削后，切刀狀態(tài)如圖5所示。采用碟形砂輪打鈍四方尖角時(shí)應(yīng)調(diào)整虎鉗角度水平角度為0°，豎直方向傾斜角度45°以調(diào)整四方形截面尖角與碟形砂輪在同一平面內(nèi)，調(diào)整碟形砂輪最大外徑高度與60°錐面最大圓柱面相切后，打鈍四方形截面尖角。

2.2.2 磨削尺寸控制方法

由于切刀刀刃寬度0.05max，在實(shí)際磨削過程中無法對刀刃寬度進(jìn)行在線測量；若將刀刃進(jìn)行計(jì)量，會因切刀二次裝夾角度發(fā)生變化而影響刀刃質(zhì)量；為此，必須對磨削過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。采取兩種方式來確保最終刀刃寬度0.05max：一是在進(jìn)行切刀磨削前增加劃線，作為磨削過程中的參考，當(dāng)磨削到劃線位置時(shí)，刀刃寬度滿足0.05max要求；二是控制軸向磨削量，保證刀刃寬度0.05max，磨削尺寸控制方法如圖5所示。

因切刀寬度0.05max，根據(jù)切刀刀刃幾何關(guān)系，可計(jì)算出劃線位置尺寸：

式中W為筋的寬度。

根據(jù)切刀刀刃的磨削狀態(tài)，可計(jì)算出磨削量：

通過劃線和磨削量的控制，一方面可以保證粗磨時(shí)參考劃線，以提高加工效率；另一方面可以精確控制軸向磨削量，量化控制刀刃剩余寬度，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2.3 磨削過程控制

切刀刀刃磨削為先磨削刀刃后打鈍四方尖角。在磨削刀刃時(shí)，因刀刃最終寬度0.05max，因此應(yīng)先粗磨刀刃兩側(cè)，后進(jìn)行刀刃精磨，再打鈍尖角。

粗磨時(shí)，根據(jù)2.2.1節(jié)的分析，通過調(diào)整虎鉗角度可完刀刃兩側(cè)刀刃的磨削。在磨削四條刀刃時(shí)，調(diào)整好虎鉗角度（垂直方向傾斜調(diào)整為3°51＇，水平方向旋轉(zhuǎn)14°31＇）完成四條刀刃一側(cè)斜面的加工；待加工完成后，只調(diào)整水平方向角度為-14°31＇來完成刀刃另一側(cè)斜面的加工?？紤]給精磨留0.15 mm的精磨余量，根據(jù)2.2.2節(jié)的分析，則可計(jì)算出粗磨對刀后軸向磨削量

精磨時(shí)，按照粗磨時(shí)的裝夾方式調(diào)整切刀位置，先統(tǒng)一磨切刀的刀刃一側(cè)，再磨刀刃另一側(cè)。為保證切刀刀寬0.05max，精磨量為軸向磨削H2=0.15 mm。

精磨刀刃后，刀尖處會呈現(xiàn)四方形截面。根據(jù)2.2.1節(jié)的分析，將切刀四方尖角調(diào)在碟形砂輪最大外圓平面內(nèi)，通過調(diào)整砂輪外圓高度與60°錐面相切來保證打鈍尖角后既不損傷刀尖亦可保證刀尖處圓滑，無凸起。

因刀刃在磨削過程中會越來越薄，受磨削熱的影響會越來越明顯。為了避免刀刃受熱而產(chǎn)生燒蝕，影響刀刃質(zhì)量，需選擇較小的轉(zhuǎn)速和磨削深度，以降低磨削溫度[3-4]。為此，在加工時(shí)，選擇萬能工具磨床低轉(zhuǎn)速1 500 r/min；砂輪直徑為125 mm進(jìn)行加工。因轉(zhuǎn)速無法繼續(xù)降低，切削速度恒定后需降低磨削深度以降低磨削溫度。在粗加工時(shí)，為提高加工效率且減小磨削溫度對刀刃的影響，磨削深度為0.05～0.1 mm；在精加工時(shí)，因刀刃較薄，僅為0.35 mm，為減小磨削熱對刀刃質(zhì)量的影響，磨削深度僅為0.01～0.03 mm。2.2.4 磨削注意事項(xiàng)

因砂輪端面與運(yùn)動(dòng)平面的角度誤差、切刀的裝夾誤差影響，虎鉗角度會與仿真結(jié)果有誤差。在加工時(shí)，應(yīng)先對刀，在軸向磨削量為0.2 mm后，仔細(xì)觀察磨削區(qū)域與劃線是否平行，若不平行，應(yīng)調(diào)整調(diào)整萬能虎鉗角度，保證平行后繼續(xù)加工。

磨削時(shí)，應(yīng)及時(shí)對砂輪進(jìn)行修磨，保證砂輪端面平整，鋒利，砂輪R小于0.2；修磨砂輪后，應(yīng)調(diào)整砂輪磨削平面與運(yùn)動(dòng)方向的平行度小于0.02；同時(shí)應(yīng)試切，保證磨削后的區(qū)域與劃線平行。

磨削過程中應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)速度均勻，切刀磨削到砂輪中間部位后反向退刀；設(shè)置限位器，防止刀越過中間部位而產(chǎn)生反向磨削，影響刀刃側(cè)面的質(zhì)量。

磨削時(shí)因刀刃較薄，應(yīng)不斷對刀刃進(jìn)行冷卻，防止刀刃溫度過高而燒蝕。

3 四刃交匯切刀試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)以上分析，對2件試件切刀按照上述裝夾方式及磨削工藝進(jìn)行實(shí)際加工，如圖6所示為現(xiàn)場實(shí)際加工圖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，對加工后的刀刃尺寸進(jìn)行計(jì)量，如表1所示。

從表1可以看出，按照上述磨削工藝方法進(jìn)行磨削后的刀刃，尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)用30倍放大鏡對刀刃質(zhì)量進(jìn)行檢查，刀刃無豁口、損傷等缺陷。

為了驗(yàn)證切刀對電爆閥使用性能的影響，將生產(chǎn)的切刀裝配成電爆閥后進(jìn)行液流電爆試驗(yàn)，經(jīng)液流電爆試驗(yàn)，液流數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 刀刃磨削現(xiàn)場Fig.7 Pictures of grinding spot of the cutter

表1 切刀尺寸測量結(jié)果Tab.1 Measured dimension values of the cutter

4 結(jié)束語

通過仿真分析、磨削試驗(yàn)和液流電爆試驗(yàn)的驗(yàn)證，確定了一套適用于四刃交匯切刀的磨削工藝方法。采用該工藝方法進(jìn)行切刀刀刃的磨削，磨削后的刀刃尺寸、外觀質(zhì)量及使用性能均滿足設(shè)計(jì)要求。該磨削工藝方法正確、可行，對類似零件的磨削具有一定的借鑒和參考意義。

[1]朱寧昌.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:宇航出版社, 1994.

[2]尤裕榮,杜大華,袁洪濱,等.電爆閥起動(dòng)過程的響應(yīng)特性與活塞撞擊變形分析[J].火箭推進(jìn),2012,38(3):49-53.YOU Yu-rong,DU Da-hua,YUAN Hong-bin,et al. Analyses of response characteristics and piston impact deformation in process of pyro-valve start-up.Journal of rocket propulsion,2012,38(3):49-53.

[3]任敬心,康仁科,王西彬.難加工材料磨削技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[4]任敬心,華定安.磨削原理[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2011.

[5]李波,劉赫.釬焊式離心輪加工工藝研究[J].火箭推進(jìn), 2011,37(6):46-51.LI Bo,LIU He.Technological research on machining of brazed centrifugal impeller[J].Journal of rocket propulsion, 2011,37(6):46-51.

[6]趙永強(qiáng),侯紅玲,李志峰,周斌,田廣利.雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的精密磨削工藝研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2014, (2):28-32.

[7]黃新春,張定華,姚倡鋒,等.磨削參數(shù)對GH4169高溫合金磨削表面特征影響研究[J].中國機(jī)械工程,2014, 25(2):210-214.

[8]任敬心,康仁科,王西彬.難加工材料磨削技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[9]劉林枝.SUS304不銹鋼ELID鏡面磨削正交化實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2013,32(4):506-509.

[10]楊春強(qiáng),黃云,黃智,等.1Cr13不銹鋼砂帶磨削試驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(6):1007-1010.

（編輯：馬 杰）

Research on grinding technology of four-blade interactive cutter

WU Liang,ZHAO Fei,XU Hongxiang,YUAN Xiaodong,LI Xuguang
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

Accordingto the structure features and qualityrequirements ofthe cutter for pyro-valve, the grinding scheme,control and cautions in the grinding process of the cutter was analyzed comprehensively based on the analysis of grinding difficulty,the best grinding technique of the cutter was obtained.The experiments of the grinding technique and the membrane cutting of the four-blade interactive cutter were done.The experimental results indicate that the grinding technique can meet the design requirements,and can produce the qualified four-blade interactive cutter.

cutter;grinding technology;pyro-valve

V261.2-34

A

1672-9374(2017)02-0082-05

2015-11-12；

2016-05-07

仵亮（1988—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門制造