運(yùn)載火箭閥門(mén)交叉孔去毛刺特種加工技術(shù)

劉 曉，李林洮，趙光志，陶 沙，陳慰冰

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

運(yùn)載火箭閥門(mén)類(lèi)零件存在大量的交叉孔特征，在其機(jī)械加工過(guò)程中，不可避免地會(huì)在相貫處產(chǎn)生毛刺。這些毛刺極易脫落并形成多余物，對(duì)運(yùn)載火箭的可靠性造成影響[1]。對(duì)于交叉孔處產(chǎn)生的毛刺均需去除，當(dāng)孔徑較大時(shí)，可由鉗工目測(cè)去除；當(dāng)孔徑較?。ā? mm）時(shí)，則需采用工藝方法進(jìn)行保證。常用的去毛刺工藝有磨粒流、電化學(xué)、電火花、熱能、高壓水射流等，均屬于特種加工方法[2]。實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，無(wú)論采用何種去毛刺工藝方法，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)尺寸較大的毛刺與翻邊的有效去除，需預(yù)先采用鉗工方法將其去除。如圖1所示，在型號(hào)生產(chǎn)中，根據(jù)閥門(mén)交叉孔處的幾何特征與可達(dá)性，設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的鉗工工具，在內(nèi)窺鏡的幫助下將翻邊、大毛刺刮除，為后續(xù)工藝方法去除微小毛刺奠定良好的基礎(chǔ)。

圖1 運(yùn)載火箭閥門(mén)交叉孔相貫處典型毛刺特征與鉗工去毛刺工具

需要指出的是，運(yùn)載火箭閥門(mén)的材料、幾何特征存在較大的多樣性，任何一種工藝方法均無(wú)法完全覆蓋型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)需求；另一方面，由于去毛刺工藝自身的特點(diǎn)，其適用范圍也具有明顯的不同。前述去毛刺的工藝方法中，熱能去毛刺是依靠甲烷與氧氣的瞬間爆燃作用來(lái)燒蝕毛刺，其工藝控制難度大，高壓水射流去毛刺需要復(fù)雜的編程控制射流，且二者所用設(shè)備均較昂貴；相較而言，磨粒流、電化學(xué)、電火花成形去毛刺的工藝成熟、成本適中，在運(yùn)載火箭閥門(mén)去毛刺領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。本文針對(duì)現(xiàn)役運(yùn)載火箭與新一代運(yùn)載火箭閥門(mén)的材料和幾何特征，對(duì)特種加工去毛刺與無(wú)毛刺加工技術(shù)開(kāi)展研究，建立相應(yīng)的技術(shù)體系。

1 磨粒流去毛刺

磨粒流去毛刺的工藝原理是：通過(guò)工裝形成流動(dòng)通道，磨料在設(shè)備上下缸體的壓力驅(qū)動(dòng)下，擠壓并流過(guò)需加工的表面，實(shí)現(xiàn)毛刺去除與表面拋光[3]。磨粒流工藝的要素在于磨料、研磨參數(shù)與工裝設(shè)計(jì)。磨料粘度、磨粒的材質(zhì)與尺寸是磨料的主要參數(shù)。磨料基體介質(zhì)為半固態(tài)的高分子聚合物，粘度低的磨料可達(dá)性更好，適用于直徑較小的交叉孔的研磨；粘度高的磨料適用于直徑較大的交叉孔。常用磨粒材質(zhì)為碳化硅、立方氮化硼、氧化鋁等，可依據(jù)不同的閥門(mén)材質(zhì)選取不同材質(zhì)的磨粒。磨粒的直徑范圍約為0.005～1 mm，尺寸越大的磨粒，其去除、研磨的效果越強(qiáng)。研磨參數(shù)主要有研磨壓力與循環(huán)次數(shù)，二者的取值直接決定了毛刺去除效果與工件尺寸的變化。工裝的作用在于定位零件，形成流體通道引導(dǎo)磨料到達(dá)交叉孔相貫處，并保護(hù)某些特征避免受到研磨。

圖2是某新一代運(yùn)載火箭閥門(mén)殼體的磨粒流去毛刺工裝示意圖及毛刺去除效果。如圖2a所示，工裝分為上蓋、下蓋、套筒。使用時(shí)，閥門(mén)殼體通過(guò)尼龍墊片與上下蓋接觸，套筒在外承擔(dān)壓力避免零件被壓而變形，上下缸體壓緊上下蓋之后，磨料自下蓋流道進(jìn)入閥門(mén)內(nèi)孔擠壓研磨去除毛刺，自閥門(mén)其他未堵孔處流出。由圖2b、圖2c可見(jiàn)，交叉孔相貫處的微小毛刺均被研磨去除，相貫處呈倒圓狀。

圖2 運(yùn)載火箭閥門(mén)磨粒流去毛刺工裝與毛刺去除效果

在運(yùn)載火箭閥門(mén)交叉孔去毛刺領(lǐng)域，磨粒流已成為主流工藝方法之一，其適用材料范圍廣，毛刺去除效率較高（通常在數(shù)分鐘內(nèi)完成），且對(duì)已加工區(qū)域尺寸精度的影響可控。盡管如此，依舊存在一批不適用于磨粒流工藝進(jìn)行毛刺去除的閥門(mén)零件，具體為：純鐵材質(zhì)的電磁閥殼體，由于該材質(zhì)的質(zhì)地較軟、韌性較好，在研磨過(guò)程中常出現(xiàn)毛刺隨著磨料循環(huán)方向倒伏而無(wú)法去除的情況；某些閥門(mén)殼體具有止口特征 （如直徑0.3～0.5 mm的半圓環(huán)）與銳邊要求，在研磨過(guò)程中極易被破壞，且難以有效防護(hù)；某些閥門(mén)殼體交叉孔為盲孔，研磨后磨料存在殘留且難以清洗，形成了新的多余物來(lái)源。上述不適用于磨粒流工藝去除毛刺的情況，需采用電化學(xué)、電火花等工藝方法補(bǔ)充解決。

2 電解質(zhì)等離子去毛刺

電化學(xué)是去毛刺的傳統(tǒng)成熟工藝方法，依靠電解液的陽(yáng)極溶解作用與尖端效應(yīng)去除工件陽(yáng)極上的毛刺，但需根據(jù)零件的幾何特征設(shè)計(jì)復(fù)雜的絕緣防護(hù)工裝與工具陰極，并根據(jù)試加工情況調(diào)整電解液配方、電壓及加工時(shí)間，其工藝流程較繁瑣，且存在環(huán)境污染。近年來(lái)，基于電化學(xué)原理的電解質(zhì)等離子去毛刺技術(shù)展現(xiàn)了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。如圖3所示，將金屬工件作為陽(yáng)極，低濃度中性鹽溶液通過(guò)工作液槽與陰極連接并施加高電壓；在工件浸入工作液的過(guò)程中，電解作用產(chǎn)生的大量水蒸氣與瞬時(shí)短路產(chǎn)生的水蒸氣形成包圍工件的等離子態(tài)氣層，而在高電壓作用下，毛刺作為微觀凸起處的電場(chǎng)強(qiáng)度更大，會(huì)優(yōu)先發(fā)生放電而被去除[4-5]。與傳統(tǒng)電解去毛刺技術(shù)相比，電解質(zhì)等離子去毛刺的優(yōu)勢(shì)在于省去了繁瑣的防護(hù)工裝與陰極設(shè)計(jì)，只需將零件充分浸沒(méi)于工作液，且電解質(zhì)為鹽溶液，環(huán)保性更好。

圖3 電解質(zhì)等離子去毛刺技術(shù)原理

電解質(zhì)等離子去毛刺是復(fù)雜的電化學(xué)過(guò)程，其毛刺去除效果與工藝參數(shù)的選擇息息相關(guān)。影響電解質(zhì)等離子去毛刺效果的主要工藝參數(shù)有：電壓、電解液濃度、電解液溫度、加工時(shí)間、浸沒(méi)深度等。與傳統(tǒng)電解加工20～30 V的低電壓工況不同，對(duì)于電解質(zhì)等離子去毛刺，欲使環(huán)繞工件周?chē)臍鈱舆_(dá)到電離擊穿的狀態(tài)，需保證有較高的電壓，通常采用380～400 V。電解質(zhì)溶液通常采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～4%的硫酸銨溶液，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，電流密度相對(duì)較大、效率較高，但此時(shí)易造成閥門(mén)產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸的變化，因此電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般約為2%。

實(shí)驗(yàn)表明，毛刺去除與表面拋光主要發(fā)生在加工開(kāi)始的5 min以內(nèi)，而后無(wú)明顯效果。加工過(guò)程中的電解液溫度范圍為70～90℃，當(dāng)溫度較低時(shí)，形成的氣層較薄且不穩(wěn)定，電流幅值變化較大，易造成毛刺區(qū)域燒蝕；隨著溫度上升，氣層趨于穩(wěn)定，而當(dāng)溫度上升至一定程度后，電解液接近沸騰狀態(tài)又會(huì)造成氣層不穩(wěn)定，從而影響毛刺去除效果，因此，實(shí)際生產(chǎn)中的電解液溫度一般為80～85℃。當(dāng)工件浸沒(méi)深度較淺時(shí)，電解液對(duì)工件的包裹效果（即氣層穩(wěn)定性）不佳，時(shí)常導(dǎo)致放電中斷。由于閥門(mén)交叉孔一般位于閥門(mén)內(nèi)部深處，保持一定的浸沒(méi)深度有助于電解液與交叉孔充分接觸，故一般取浸沒(méi)深度為 80～100 mm。

圖4是采用電解質(zhì)等離子工藝對(duì)運(yùn)載火箭2Cr13不銹鋼電磁閥殼體進(jìn)行毛刺去除與拋光的情況。加工參數(shù)條件如下：電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%（硫酸銨溶液），電解液溫度為85℃，工件浸沒(méi)深度為80 mm，加工時(shí)間為5 min。如圖4a所示，左側(cè)為加工完成后的產(chǎn)品，右側(cè)為進(jìn)行電解質(zhì)等離子加工后的產(chǎn)品，可見(jiàn)電解質(zhì)等離子工藝對(duì)2Cr13不銹鋼表面具有明顯的拋光作用；圖4b是該閥門(mén)交叉孔相貫處通過(guò)鉗工進(jìn)行大毛刺預(yù)去除后的內(nèi)窺鏡觀察情況，可見(jiàn)邊緣尚存鋸齒狀微小毛刺；圖4c是通過(guò)電解質(zhì)等離子去毛刺后的情況，未見(jiàn)微小毛刺且內(nèi)孔壁有拋光效果。需要指出的是，工件接觸電解質(zhì)溶液后，應(yīng)及時(shí)采用中性溶劑進(jìn)行超聲波清洗并烘干，否則，工件內(nèi)孔將發(fā)生如圖4d所示的結(jié)晶與銹蝕現(xiàn)象。

圖4 2Cr13不銹鋼閥體交叉孔相貫處電解質(zhì)等離子去毛刺

電解質(zhì)等離子工藝對(duì)不銹鋼零件的微小毛刺去除及表面拋光具有良好的效果，是帶有止口、銳邊特征的不銹鋼閥門(mén)去毛刺的理想選擇。然而，該工藝也具有一定的局限性，比如：對(duì)于鋼材料，隨著碳含量增加，采用該工藝加工的工件表面易因碳析出沉積而發(fā)黑；對(duì)于鋁合金、鎂合金等化學(xué)活性較強(qiáng)的材料，加工時(shí)易氧化變色，造成產(chǎn)品表面缺陷。

3 電火花成形去毛刺

電火花成形去毛刺是利用成形電極進(jìn)入交叉孔相貫處進(jìn)行放電蝕除毛刺。相較于電化學(xué)去毛刺，其優(yōu)勢(shì)在于：可將電火花影響區(qū)域控制在交叉孔相貫處，對(duì)交叉孔孔徑無(wú)影響；效率更高，通常在1 min以內(nèi)可蝕除毛刺；材料化學(xué)活性強(qiáng)弱與否對(duì)電火花成形去毛刺無(wú)影響。電火花成形去毛刺的劣勢(shì)在于：需制作電極，相較于磨粒流與電解質(zhì)等離子工藝，無(wú)法同時(shí)去除多處交叉孔相貫處的毛刺。電火花成形去毛刺的上述特點(diǎn)使其成為帶有止口、銳邊的鋁合金閥門(mén)去毛刺的理想選擇。

圖5是采用電火花成形工藝對(duì)運(yùn)載火箭某5A06鋁合金閥門(mén)殼體進(jìn)行去毛刺的情況。具體方法為：成形電極沿小孔進(jìn)給至相貫處區(qū)域，然后執(zhí)行搖動(dòng)放電，搖動(dòng)間隙約為0.05 mm，在搖動(dòng)過(guò)程中蝕除毛刺。

圖5 5A06鋁合金閥體交叉孔相貫處電火花成形去毛刺

電火花成形去毛刺的關(guān)鍵在于成形電極設(shè)計(jì)，既要有效蝕除毛刺，又要避免損傷已加工面。圖5a是設(shè)計(jì)的電極錐形，該電極底面處的直徑相比于交叉孔直徑約小了0.2 mm，這樣可降低電極進(jìn)給過(guò)程中與交叉孔孔壁發(fā)生放電現(xiàn)象的幾率。電極進(jìn)給至相貫處后再略向下進(jìn)給0.2～0.4 mm進(jìn)行搖動(dòng)，可對(duì)相貫處做輕微的倒圓加工，避免損傷孔壁。實(shí)際加工情況見(jiàn)圖5b；由圖5c、圖5d可見(jiàn)，電火花成形去毛刺后的交叉孔相貫處產(chǎn)生了倒圓現(xiàn)象。

4 電火花高速穿孔無(wú)毛刺加工

對(duì)于不銹鋼材料，當(dāng)孔的深徑比較高（≥10）時(shí)，采用傳統(tǒng)鉆削加工存在切屑排出困難、易斷刀、效率低等問(wèn)題，同時(shí)，也給鉗工進(jìn)行毛刺預(yù)去除帶來(lái)了困難。相較于傳統(tǒng)的電火花加工，電火花高速穿孔加工同樣具備無(wú)毛刺加工的優(yōu)勢(shì)，其以銅管作為電極，并在導(dǎo)向器的導(dǎo)向作用下高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)給，高壓水質(zhì)工作液從電極的內(nèi)孔噴出，對(duì)加工區(qū)域?qū)嵤?qiáng)迫排屑及冷卻，故而是深孔高效加工的有效手段[6]。需要指出的是，電火花高速穿孔加工受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法完成高精度孔系的加工，通常用于自由公差要求的孔系無(wú)毛刺加工。

脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、伺服進(jìn)給速度等參數(shù)對(duì)電火花高速穿孔加工效果影響較大。若放電參數(shù)選擇不當(dāng)，易造成小孔出現(xiàn)錐度及圓柱度超差。通過(guò)以出入孔徑差衡量工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不銹鋼材料，當(dāng)占空比≤1和占空比≥3時(shí)，出入孔徑差較大。這是由于，當(dāng)占空比較小時(shí)，孔壁修光作用有限，難以保證圓柱度誤差值；當(dāng)占空比較大時(shí)，消電離不充分，放電穩(wěn)定性不佳，也難以保證加工精度。此外，峰值電流對(duì)出入孔徑差同樣具有顯著影響，隨著峰值電流的上升，出入孔徑差呈先降后升的趨勢(shì)。

圖6是采用電火花高速穿孔加工運(yùn)載火箭2Cr13不銹鋼電磁閥門(mén)殼體的直徑為1.2 mm小孔的掃描電鏡照片。放電參數(shù)為：峰值電流30 A、脈沖寬度 40 μs、脈沖間隔 20 μs?？梢?jiàn)，交叉孔相貫處無(wú)毛刺。能譜分析顯示，相較于基體材料，電火花高速穿孔加工表面存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.35%的氧元素，還存在少量氧化物，后續(xù)可通過(guò)酸洗烘干或用低粘度磨粒流拋光方法予以去除。

圖6 2Cr13不銹鋼閥體電火花高速穿孔無(wú)毛刺加工

5 結(jié)論

本文針對(duì)不同材料、結(jié)構(gòu)的運(yùn)載火箭閥門(mén)交叉孔相貫處的去毛刺需求，對(duì)磨粒流去毛刺、電解質(zhì)等離子去毛刺、電火花成形去毛刺及電火花高速穿孔無(wú)毛刺加工等四類(lèi)特種加工去毛刺工藝進(jìn)行了梳理，歸納其適用范圍，形成如下結(jié)論：

（1）無(wú)論采用何種工藝方法進(jìn)行去毛刺加工，均需采用鉗工方法對(duì)大毛刺與翻邊進(jìn)行預(yù)去除，特種加工去毛刺工藝僅對(duì)于微小毛刺有效。

（2）磨粒流去毛刺工藝廣泛適用于各類(lèi)材料閥門(mén)零件，但不適用于具有止口、銳邊、盲孔等幾何特征的閥門(mén)零件。

（3）電解質(zhì)等離子去毛刺不會(huì)對(duì)閥門(mén)內(nèi)部幾何特征產(chǎn)生影響，能同時(shí)完成多處交叉孔的毛刺去除，且去除效率高，但不適用于化學(xué)活性較強(qiáng)的鋁合金、鎂合金材料及含碳量高的鋼材料。

（4）電火花成形去毛刺不受材料特性限制，不會(huì)對(duì)閥門(mén)內(nèi)部幾何特征產(chǎn)生影響，去毛刺效果好、效率高，但對(duì)于每處交叉孔均需制作成形電極。

（5）電火花高速穿孔無(wú)毛刺加工是深小孔加工的有效方法，但不適用于高精度孔系的加工。

通過(guò)上述梳理分析，可為運(yùn)載火箭閥門(mén)交叉孔建立較完善的特種加工去毛刺技術(shù)體系，為多余物控制提供有力的技術(shù)支撐。