利用收口刀具提高杠桿組件收口一次成功率

于洋，陳建新，李雪英

中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司 陜西西安 710011

1 序言

航空發(fā)動機燃油附件結(jié)構(gòu)復雜、制造精密，其中大量的精密零組件承擔著相對運動、傳動及反饋等工作。在工藝性能要求不斷提高的情況下，特別是燃油附件所處的復雜工作條件下，零件不同部位的材料特性要求都不盡相同，單一材料往往不能滿足需求。為了解決這樣的問題，除了大量地采用局部（或全部）熱處理、表面處理、雙金屬等新工藝外，還將不同結(jié)構(gòu)、不同特性材料的零件進行組合、壓合的聯(lián)接方式也大量應用。這一類形式的零件為了保證聯(lián)接的可靠性、穩(wěn)定性，其收口工藝及加工方法的正確使用是一個關(guān)鍵因素。

2 收口概述

2.1 收口的概念

收口是零件進行相互聯(lián)接時為了保證聯(lián)接的可靠性經(jīng)常使用的一種工藝方法。其一般是通過滾壓、沖壓、模壓等方法使包容件口部位置產(chǎn)生塑性變形，將被包容件限制或固定在所需位置，從而達到符合組件工藝要求的方法。

2.2 收口的特點

收口工藝的應用可使不同材料、不同狀態(tài)（硬度）及不同結(jié)構(gòu)的零件進行可靠聯(lián)接，解決了零件不同位置或產(chǎn)品不同部位因材料、結(jié)構(gòu)的制約而不能滿足要求的問題，降低了零件的加工難度，提高了工藝性。

2.3 收口方法的分類

（1）按零件材料分類 包容件要能夠產(chǎn)生所需的塑性變形，同時滿足一定的強度需要。收口零件的類型一般有：鋼—標準件、鋼—鋼、鋁—銅等。一般包容件都是具有一定塑性的不銹鋼、低碳鋼，如2Cr13、1Cr17Ni2、45鋼等。若以12CrNi3A等滲碳鋼作為包容件，滲碳或淬火時需要將收口變形部位進行保護。

（2）按加工方法分類 按照加工方法可以分成沖壓、滾壓和模壓三類。①沖壓。作為較常見的一種收口方式，多使用在銷子、小型襯套孔口等受作用力不大的部位，一般為手工作業(yè)。②滾壓。滾壓收口能適應較多的零件結(jié)構(gòu)。按滾輪的個數(shù)又分為單滾輪、雙滾輪和三滾輪，通常在臥式車床、鉆床及自動收口機上進行加工。③模壓。模壓收口是近年來針對柱塞、滑靴組件重點攻關(guān)的工藝方法，取得了重要的成果。該方法的使用，使零件收口效果具有很高的穩(wěn)定性、靈活性和抗拉脫能力。

（3）按工藝要求分類 可分為兩類：一是收口后被包容件需靈活轉(zhuǎn)動或保證一定的軸向間隙；二是收口后被包容件被充分鎖緊不允許松動。

3 某杠桿組件收口方法

某帶鋼珠的杠桿組件如圖1、圖2所示，此零件通過杠桿零件上組合一個半圓氟塑料軸套，將鋼珠裝于軸套中，再對杠桿孔口進行收口，使其擠壓軸套將鋼珠固定在軸套內(nèi)。收口后的鋼珠需在一定載荷下進行高溫和常溫試驗，試驗完的鋼珠需靈活轉(zhuǎn)動無卡滯。

圖1 杠桿組件三維圖

圖2 杠桿組件剖面

該組件加工過程中主要的技術(shù)難點是：①由于零件結(jié)構(gòu)限制，采用傳統(tǒng)的車床滾壓及收口機滾壓收口的方法產(chǎn)生干涉，無法實現(xiàn)。②采用沖壓方法收口時，由于收口工裝存在公差，以及收口力度的不穩(wěn)定，導致收口后鋼珠與軸套之間的間隙不穩(wěn)定，易產(chǎn)生卡死或脫落的現(xiàn)象。

由于存在以上難點，零件加工質(zhì)量不穩(wěn)定，效率低，嚴重制約了零件的加工進度，因此急需優(yōu)化加工工藝。

4 杠桿組件收口方法的分析與優(yōu)化

4.1 鋼珠靈活性的優(yōu)化

前期該杠桿組件的收口方式為沖壓收口，收口夾具及沖模如圖3、圖4所示。

圖3 收口夾具

圖4 沖模

將該杠桿組件放置于圖3夾具中，將圖4沖模放入夾具引導孔，60°錐面與杠桿收口部位錐面接觸，用榔頭敲擊沖模球面部位，使杠桿孔口變形，從而實現(xiàn)對鋼珠的收口。對于收口后需靈活轉(zhuǎn)動的球面類零件，這種收口方式存在以下缺陷。

1）由于是手工作業(yè)，沖模錐面不能在圓周方向均勻貼合杠桿收口部位的錐面，造成孔口變形不均，收口后鋼珠轉(zhuǎn)動不靈活，甚至卡死。

2）由于無法控制豎直向下方向的收口行程，榔頭敲擊沖模的沖擊力難控制，所以沖擊力過大使杠桿孔口變形過多，鋼珠易出現(xiàn)卡死；沖擊力過小杠桿孔口變形太小，鋼珠收口不可靠，導致脫落。

針對上述情況進行分析，為了在收口過程中保證孔口處變形均勻，需保證刀具圓周均勻接觸并持續(xù)受力變形。參考自動收口機收口原理及鉆床鉆孔原理，采用鉆床代替自動收口機，設(shè)計一體的三滾輪收口工具（見圖5、圖6）代替收口機圓周3個方向分布的滾輪。滾輪中心與刀具中心呈35°夾角，用銷鉚緊，使?jié)L輪靈活轉(zhuǎn)動。

圖5 改進刀具

圖6 改進刀具參數(shù)

在該收口刀具的設(shè)計過程中，需考慮到以下幾個方面。

1）滾輪中心與刀具中心夾角為35°，大于零件收口部位的初始倒角，使變形起始點為零件倒角頂端，變形首先從倒角口部最薄處開始，易于變形。

2）采用圓周方向均布三個滾輪，刀具強度較高，能夠自動找正中心，從而在加工過程中變形穩(wěn)定、均勻且充分。

3）刀具柄部與鉆床夾頭聯(lián)結(jié)，便于安裝，且在鉆床上易于控制刀具的進刀量，使收口后間隙易于控制。

4.2 收口后鋼珠可靠性的優(yōu)化

采用沖壓方式收口時，由于沖模所收的沖擊力無法控制，易使杠桿孔口變形過大或過小，從而導致鋼珠被卡死或易脫落。通過分析變形過程，由于收口刀具向下的行程決定了杠桿孔口的變形量，所以控制收口行程的因素尤為關(guān)鍵。采用鉆床收口時，可通過控制刀具向下的行程控制杠桿的變形。

該杠桿組件的收口部分是由3個單件構(gòu)成（見圖7），收口后需保證設(shè)計尺寸L為 1.8～2.1mm 。經(jīng)過計算，在收口前尺寸L為1.83～2.13mm。

圖7 杠桿組件收口部位

（1）刀具行程計算 為保證收口后鋼珠包容可靠，滿足產(chǎn)品的靈活性及可靠性，需對收口刀具豎直方向的行程進行計算。根據(jù)收口變形過程中體積不變的原理，對變形過程中的尺寸變化進行理論計算。

收口變形分析如圖8所示，放大圖Ⅰ中陰影部分的軸承圈，若要將鋼珠完全收住，需將軸承圈變形至完全包住鋼珠，其半徑方向的變形尺寸為L～Bmm。

圖8 收口變形分析

根據(jù)設(shè)計圖尺寸計算，L＝0.174mm，B＝0.274mm，滾輪角度為35°，利用三角函數(shù)計算得：C＝（0.174～0.274）/ tan35°≈0.25～0.40（mm）。

由此得出，收口刀具的豎直方向行程約為0.25～0.4mm。將計算得出的數(shù)據(jù)進行大量驗證試驗，最終確定保證收口可靠且靈活的最佳行程約為0.35～0.4mm。

（2） 收口時金屬的變形分析 在收口過程中，由于滾輪對收口部位金屬的擠壓，所以使被擠壓的金屬同時受到向下和向內(nèi)的壓力。向內(nèi)的壓力使一部分金屬向內(nèi)流動，擠壓軸承圈與鋼珠貼合，限制鋼珠脫出；向下的壓力使金屬產(chǎn)生向上的內(nèi)力，內(nèi)力使一部分金屬向上流動，向上流動的金屬將影響最終尺寸1.8～2.1mm。為了使收口后尺寸滿足產(chǎn)品尺寸要求，需對向上流動的金屬進行分析。

收口變形如圖9所示。對圖9中放大圖Ⅰ進行分析，由于藍色線部分為滾輪對金屬的擠壓產(chǎn)生的金屬流動量，綠色線部分為軸承圈完全變形至與鋼珠貼合所需的體積，所以藍色線部分金屬的流動量一部分填充了綠色線部分的體積，另一部分向上堆積，形成紅色部分體積。紅色部分金屬的高度就決定了尺寸1.8～2.1mm的大小。

圖9 收口變形示意

利用UG軟件計算各部分的體積：令滾輪向下的行程為0.4mm，作如圖10所示的金屬變化圖，圖11～圖13分別為軸承圈變形體積V1、金屬向上堆積的體積V2及金屬流動量體積V。由圖可知，各部分體積分別為：V1=3.0552mm3，V=5.4589mm3。

圖10 金屬變化示意

圖11 軸承圈變形體積

圖13 金屬流動量體積

由V=V1+V2得：V2≈2.4mm3，此時向上堆積的部分金屬的高度約為0.24mm（見圖14）。

圖12 金屬向上堆積的體積

圖14 向上堆積部分的金屬高度

綜上得出結(jié)論，當滾輪向下的行程為0.4mm時，金屬部分會在高度方向上增加約0.24mm。因此，為了保證2.1mm尺寸在收口后滿足1.8～2.1mm，需在收口前保證該尺寸至少為2.06mm。故在加工各單件時，需控制各單件在高度方向上的尺寸公差，以保證上述要求。

經(jīng)過使用該收口刀具試加工，加工后試件如圖15所示。由圖可以看出，加工后的零件收口處變形均勻、充分，變形處表面粗糙度較好，完全滿足設(shè)計及使用要求。

圖15 改進后的加工樣件

5 結(jié)束語

本文從杠桿組件收口靈活性以及可靠性控制方面分析，針對各影響因素，從杠桿組件收口過程中工藝方法和專用工裝的設(shè)計等方面進行分析并找到合理的方法，使杠桿組件收口工藝流程做到最優(yōu)。結(jié)合零件特點設(shè)計專用工裝，確定最優(yōu)收口方式，從而滿足零件的精度要求。