高硅氧特型零件加工工藝與工裝設(shè)計

梁輝 徐紅霞 張軍 王偉

摘 ? 要：本文以控制系統(tǒng)動力裝置的姿態(tài)控制發(fā)動機噴管填充環(huán)為研究對象，針對高硅氧材料在切削加工過程中的特點，結(jié)合填充環(huán)的結(jié)構(gòu)特點、加工難點及加工材料特性等，主要分析了確定填充環(huán)加工性能的工藝流程、工裝設(shè)計、刀具材料和切削參數(shù)等因素。同時，通過理論分析及具體加工試驗，給出了較為優(yōu)化的加工工裝、切削刀具材料以及切削工藝參數(shù)，對加工類似零件具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高硅氧 ?特型 ?刀具 ?加工工藝

中圖分類號：TG659;TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0058-03

當(dāng)前，由于高硅氧復(fù)合材料在耐燒蝕、隔熱性、抗疲勞等方面具有較大的優(yōu)勢[1]，通常用作姿態(tài)控制發(fā)動機噴管的絕熱材料。高硅氧復(fù)合材料通常采用成型工藝壓制而成，但是填充環(huán)作為噴管的重要零件，直接采用高硅氧成型工藝壓制的零部件精度無法達到零部件的設(shè)計指標(biāo)要求，因此，還需要對壓制成型的工件進行切削加工。由于高硅氧模壓件在機械加工時的特點是各向異性及導(dǎo)熱性差，容易發(fā)生表面粗糙度差和掉邊、缺角等問題[2-4]，從而無法滿足使用精度要求。本文通過對高硅氧復(fù)合材料進行切削試驗，分析探討了影響填充環(huán)特型零件加工質(zhì)量及尺寸精度的主要因素，提出了合理的加工工裝、加工方法、切削刀具材料以及切削用量，解決了填充環(huán)的加工難題，可為類似產(chǎn)品的加工提供借鑒。

1 ? 噴管填充環(huán)的特性分析

1.1 噴管填充環(huán)結(jié)構(gòu)特點

姿態(tài)控制發(fā)動機噴管填充環(huán)的外形結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該填充環(huán)是由高硅氧酚醛模壓制品加工而成。填充環(huán)由直徑為D圓柱與半徑R的半圓柱相貫而形成的，且R軸線與D的軸線成15°夾角，屬不規(guī)則的異型非金屬零件，難裝夾，難加工。

填充環(huán)是構(gòu)成噴管的關(guān)鍵零件，其加工精度及各項指標(biāo)將直接決定噴管的使用性能，從而影響飛行器空中飛行的姿態(tài)軌跡。

填充環(huán)與其他零件裝配形成絕熱作用區(qū)。為確保氣流通過時可靠絕熱，要求兩側(cè)弧形面對稱度≤0.05mm;同時，要求圓弧的中心線于噴管軸線成105°夾角，產(chǎn)品型面完整，不允許出現(xiàn)崩角、棱邊形成鋸齒狀等缺陷。

1.2 高硅氧材料特性

高硅氧酚醛模壓復(fù)合材料包含長短不一的增強相纖維及基體相酚醛樹脂，其中纖維在酚醛樹脂之間雜亂排列，經(jīng)高溫高壓成型后高硅氧酚醛模壓復(fù)合材料呈現(xiàn)各向異性，因此，切削加工時易出現(xiàn)分層、掉渣等缺陷。

而產(chǎn)品是由D圓柱與R半圓柱相貫而形成的，受R的軸線與D的軸線成105°夾角結(jié)構(gòu)的影響，切削型面不連續(xù)，斷續(xù)切削力造成崩角，棱邊處容易形成鋸齒狀缺陷。

2 ?填充環(huán)加工難點分析

2.1 材料切削性能差

高硅氧酚醛模壓復(fù)合材料的強度高、脆性大、均勻性較差，復(fù)合材料的切削過程不同于金屬材料，基體相與增強相界面粘接強度相對較低，切削過程易出現(xiàn)分層、纖維剝離和崩棱（角）等現(xiàn)象。加工時，由于復(fù)合材料導(dǎo)熱性差，聚集在刀尖及刀刃附近的熱量不能迅速散出，而且在切削過程中受材料加工的限制，只能采用干式切削，由于不使用切削液而加速了刀具的磨損，影響了零件的表面質(zhì)量、尺寸精度和切削效率。

2.2 相貫圓弧處易出現(xiàn)缺陷

該產(chǎn)品填充環(huán)圓柱與半圓柱相貫處為斷續(xù)圓弧，因加工過程中，相貫圓弧邊緣因切削力不均勻，產(chǎn)品強度差易出現(xiàn)崩角、掉塊現(xiàn)象，圓弧兩側(cè)形成鋸齒狀的缺陷，缺陷情況如圖2所示。

2.3 對稱度精度難以保證

由于產(chǎn)品的熱防護作用要求圓弧相交形成的型面的對稱度較高，若采用車加工時，無法實現(xiàn)零件型面的加工。若采用銑加工方法，需多次找正裝夾，誤差積累大，難以滿足零件公差要求。

3 ?工藝研究

為高精度且更便捷的加工此產(chǎn)品，本文進行了以下工藝研究及工裝設(shè)計。

3.1 工藝流程

填充環(huán)加工設(shè)備為C620型普通車床，工藝流程如下：

（1）設(shè)計輔助工裝，滿足產(chǎn)品車削加工要求;

（2）刀具性能對比試驗，選取合適刀具;

（3）切削參數(shù)選取及優(yōu)化;

（4）粗車加工產(chǎn)品外形（圖1所示D型面），粗、精車削內(nèi)形（圖1所示R型面）。

3.2 工裝設(shè)計

由于高硅氧異型零件的復(fù)雜型面，加工面與裝夾面之間有105°的夾角，且為不完整的異型曲線型面，工裝既要滿足產(chǎn)品裝夾，增強產(chǎn)品的剛性，又需完成特型面的加工。

高硅氧異型零件的固定裝置（圖3）材料為鋼件，保證有足夠的強度，包括夾具體（1）、墊塊（3）、壓蓋（4），其中夾具體（1）采用階梯軸的形式與設(shè)備連接，連接方便直接，壓蓋與夾具體兩部分通過螺紋連接方式;高硅氧異型零件的固定裝置中的夾具體由兩個回轉(zhuǎn)體相貫焊接而成，兩個回轉(zhuǎn)體軸線成105°，之后對工裝的Φ64內(nèi)型面進行精加工，尺寸及形位精度滿足產(chǎn)品的要求，解決了異型曲線型面軸線與裝夾軸線不重合，且成105°的裝夾加工問題。通過設(shè)計專用的定位工裝，解決裝夾，保證角度及對稱度的幾何公差的要求，消除對幾何公差帶來的不利影響。

3.3 刀具材料的選取

根據(jù)復(fù)合材料的工藝特性，借鑒已有的高硅氧酚醛模壓制品機加方法與經(jīng)驗，對不同材料的刀具進行了切削質(zhì)量的對比試驗。

根據(jù)表1，按照非金屬制品機加方法與經(jīng)驗，選用的普通YG8、YW1硬質(zhì)合金材料車刀粗車。選用砂輪，對產(chǎn)品進行精車削加工，避免刀具與材料間的碰撞，保證產(chǎn)品型面完整。

因材料密度較低，車削力相對較小，車刀的幾何角度進行了試切試驗，粗車車刀幾何參數(shù)結(jié)果見表2所示。車刀前角可以偏大。在前角確定后，選擇偏大的后角，可減小刀具與加工面的摩擦，提高表面加工質(zhì)量。

3.4 加工切削參數(shù)的選取

高硅氧酚醛模壓復(fù)合材料的散熱慢，脆性大，切削參數(shù)的選取直接影響切削表面的粗糙度。本文在開展高硅氧材料加工工藝研究基礎(chǔ)上，進行了高硅氧零件的切削試驗，采用優(yōu)化的切削加工工藝參數(shù)，加工后的零件經(jīng)測定，表面質(zhì)量和加工精度均較高。在加工中的切削參數(shù)選取如下。

（1）切削速度。為了提高刀具耐用度，防止切削失效影響加工質(zhì)量，車削時轉(zhuǎn)速粗車控在180r/min～300 r/min，精車時嚴(yán)格控制在500r/min～800 r/min。

（2）進給量。過大的進給量將使得切削力增大，降低表面粗糙度，粗車進給量控制在0.15mm/r～2 mm/min，精車進給量控制在0.08mm/r～0.15mm/min為宜。

（3）切削深度。切削深度可以較大，提高生產(chǎn)效率的同時對刀具耐用度和切削熱影響最小。選用粗加工取2～4 mm，精加工取0.1～0.4 mm。

4 ?結(jié)語

通過上述零件加工驗證，高硅氧酚醛模壓制品異型產(chǎn)品通過輔助工裝的使用、刀具的選取、切削工藝參數(shù)的設(shè)計等工藝優(yōu)化，可完成產(chǎn)品加工技術(shù)要求。

（1）輔助工裝夾具體、墊塊、壓蓋等組成，既滿足產(chǎn)品加工時裝夾，增強產(chǎn)品的剛性，又方便異型面的加工。

（2）粗加工高硅氧酚醛模壓制品可選用普通YG8、YW1硬質(zhì)合金材料刀具;精車削加工選用砂輪，可滿足產(chǎn)品加工要求;

（3）車削時轉(zhuǎn)速：粗車選取180r/min～300 r/min、精車時選取500r/min～800 r/min產(chǎn)品加工質(zhì)量較好;進給量：粗車進給量選取0.15mm/r～2mm/min、精車進給量選取0.08mm/r～0.15mm/min為宜。切削深度：粗加工選取2～4 mm，精加工選取0.1～0.4 mm，產(chǎn)品加工效率較高。

參考文獻

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