限流微小孔精密加工技術研究

劉 翔 劉向東 曹飛龍 劉彥剛 成 濤

限流微小孔精密加工技術研究

劉 翔 劉向東 曹飛龍 劉彥剛 成 濤

（西安航天發(fā)動機有限公司，西安 710100）

限流微小孔是限流零件上1～2mm孔，以限流圈設計結構為基礎結合使用性能要求得到限流微小孔的目標加工狀態(tài)，再以目標加工狀態(tài)為指導并采用精密車削、研磨加工工藝技術重新設計完成限流微小孔加工工藝方案，并進行批量限流圈加工。分析加工零件可知，限流微小孔孔徑精準、孔壁表面質量高、孔口銳邊形貌完整，同時限流圈液流試驗數(shù)據(jù)合格率顯著提升，這表明重新設計的工藝方案能夠有效提高限流微小孔加工質量和限流圈使用性能。

限流微小孔；精密車削；研磨加工；有限元模擬

1 引言

限流零件在航天液體動力中主要用于調節(jié)系統(tǒng)壓力，裝配后能夠限制流體流量并降低流體壓力，最終達到調節(jié)并穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目標。限流圈具備結構簡單、便于裝配、壓力調節(jié)能力強的優(yōu)點，是最具代表性的限流類零件[1]。此前研究已建立ISO 6358—2013標準規(guī)范，同時使用流體Standard k-ε湍流模型理論分析流體通過限流孔的過程建立了流量特性方程，使用流量特性方程能夠快速確定限流孔孔徑、數(shù)量、位置、孔口形貌等重要特征參數(shù)，再通過數(shù)值模擬仿真進行設計驗證，以最終設計完成限流圈設計[2～6]。分析研究成果可知，限流孔的數(shù)量、位置、特征尺寸、流量系數(shù)、孔徑與流道直徑比、流體密度等參數(shù)均直接影響限流圈調節(jié)性能，其中限流微小孔的數(shù)量、位置、長徑比例、流體密度等參不受零件加工過程影響的定量參數(shù)，限流孔加工后尺寸、孔口形貌特是與限流孔成型過程相關的參數(shù)。

隨著液體動力系統(tǒng)向小型輕量化設計轉變，限流孔由此前大于5mm的宏觀限流孔逐件轉變?yōu)樾∮?mm的微小限流孔。針對小于2mm的微小孔常采用電火花加工方案進行加工，通過研究已完成硬度高、損耗小、加工精度高的微細電極制備及加工參數(shù)優(yōu)化工作，并能夠完成微小孔的加工，檢測電火花加工完成的微小孔存在0.05～0.08mm的錐度[7，8]。若加工1～2mm的限流孔會在微小孔的出、入口形成0.00125～0.004mm的直徑差，限流微小孔直徑的公差為0.005～0.01mm，該直徑差值為公差范圍的25%～40%，較大的出、入口直徑差值會導致限流圈性能不合格，故限流微小孔仍采用機械加工方案。

針對小于1mm的限流孔因去除量較小，直接采用鉆削方案加工完成，但1～2mm限流孔直接采用鉆削加工后存在孔口銳邊質量低、孔徑尺寸精度低的缺點，因此需設計限流微小孔成型工藝方案進行限流孔加工。

2 限流圈機械加工方案設計

2.1 限流圈結構分析

典型的航天液體動力系統(tǒng)中限流類零件上設計有1～2mm、公差0.005～0.01mm的限流微小孔，液體通過限流微小孔時壓力降低，當限流微小孔入口的壓力值、流量值繼續(xù)增大并超過臨界值時，通過限流微小孔的流量、壓力降低值保持平穩(wěn)產生限流作用。

限流微小孔加工后常見缺陷為孔口形貌缺陷和尺寸超差?？卓谛蚊踩毕轂榧庸み^程中因毛刺去除產生的倒角或倒角。建立限流微小孔孔口狀態(tài)為銳邊、倒角、倒角的模型，然后采用該模型模擬觀察流體通過限流孔時的壓力情況，如圖1所示。

圖1 流體通過限流孔壓力分布圖

由圖1可知，三種狀態(tài)的孔口形貌限流微小孔均能夠產生壓降，當限流孔口為銳邊狀態(tài)時流體進入限流圈總長小于1/4處即完成壓力調節(jié)，在限流圈孔口處存在微小負壓，當限流孔口為倒角狀態(tài)時流體進入限流圈總長1/2處完成壓力調節(jié)，在限流圈孔口倒角處存在微小負壓，當限流孔口為倒角狀態(tài)時在限流孔出口仍未完成壓力調節(jié)過程，同時限流圈孔口倒角處存在顯著負壓，因此由模擬結果可知限流孔入口為銳邊狀態(tài)時能夠快速完成壓力調節(jié)實現(xiàn)液體系統(tǒng)穩(wěn)定。

隨機抽取2批現(xiàn)階段加工后限流圈計量孔徑實測值如圖2所示。經統(tǒng)計，孔徑合格率為78.66%和79.24%，孔徑極差為0.032mm、0.043mm，是限流微小孔孔徑設計公差帶0.02mm的160%和215%。

圖2 限流微小孔孔徑分析圖

結合孔徑與液流壓力降低值關系式（1）和實際液流試驗參數(shù)可知，當限流微小孔孔徑超出設計要求值上偏差和下偏差0.005mm時，壓力降低值超出合格壓力降低下限和上偏差0.0073MPa和0.0083MPa，是合格壓力降低值公差范圍0.02MPa的36.34%和41.97%，同時孔徑變化0.3%會導致壓力降低1.4%～1.7%。且上述2批限流圈液流試驗過程中均返修，返修數(shù)量為67%～75%，存在4%～7%的限流圈返修后液流數(shù)據(jù)仍無法滿足使用要求而報廢。

其中：Q——流量，g/s；C——流量系數(shù)；——流體密度，g/mm3；Δ——壓力降低值，MPa；——限流微小孔孔徑，mm。

因此精準的限流微小孔加工孔徑能夠保證限流圈具備良好的使用性能，同時提高液流試驗效率，降低零件報廢率。

由理論分析和液流試驗結果可知，限流微小孔在加工后精準的加工孔徑和完整的銳邊結構為限流微小孔的目標加工狀態(tài)。

2.2 限流圈加工工藝方案設計

以限流微小孔的目標加工狀態(tài)為導向，重新設計的限流微小孔成型工藝方案如圖3所示。

圖3 限流微小孔加工工藝方案

為達到限流微小孔具備精準孔徑的目標，結合現(xiàn)階段的精密加工技術提出“車床鉆孔粗加工—車床鏜孔精加工”的微小孔成形工藝方案。首先，車床鉆孔將大余量材料去除，然后鏜孔加工保證為小孔具備精準的孔徑和良好的孔壁質量[9]，同時車床鏜孔精加工過程中使用精密數(shù)控車床進行車削軌跡控制，在限流微小孔孔口車削形成0.02～0.04mm的圓弧倒角，最后分別研磨限流孔入口和出口端面，去除車削加工后形成的圓弧倒角。該方案可在加工量化控制條件下使限流微小孔的出、入口形成小于0.03mm的銳邊狀態(tài)，同時無人工去毛刺工序，可有效避免去毛刺過程中在孔口產生倒角、豁口等缺陷。

3 限流圈車削、研磨加工技術研究

3.1 限流圈車削加工技術研究

精密鏜孔加工技術是宏觀孔精加工方案，可保證孔徑尺寸精度小于0.005mm，同時孔壁具備R0.6μm的表面質量，為保證限流微小孔加工后具備精準的孔徑，將精密鏜孔加工技術應用于限流微小孔加工，因限流微小孔孔徑較宏觀特征孔尺寸減小，需對加工方案、加工刀具、加工參數(shù)進行再設計。

限流微小孔車削采用“粗鉆加工—半精鏜孔加工—精鏜孔加工”的工藝方案，首先粗鉆以“啄鉆”加工方式去除余量，然后半精鏜孔加工去除鉆削產生的溝槽，最后精鏜加工提高孔壁表面質量并將孔徑加工至目標尺寸，各階段加工余量如表1所示。

表1 限流微小孔加工余量分配表

針對1～2mm限流微小孔精鏜刀具需在宏觀鏜孔刀基礎上進行適應性設計，以保證精鏜孔刀具備合理的切削角度和良好的剛性，重新設計的限流微小孔鏜孔刀具如圖4所示。

圖4 微小孔鏜刀刀具角度示意圖

微小孔鏜刀具前角為10°～15°，在精鏜過程中能夠去除微小余量同時提高孔壁質量，并保證切屑排出，后角設計為10°，以保證刀具與加工表面不產生接觸磨損，同時避免大量刃磨去除刀具材料后降低刀具剛性，主偏角和副偏角設計為5°和10°。設計完成后選取主切削刃上一處切削單元結合三維切削模型進行切削模擬，如圖5所示。

圖5 副偏角10°切削模擬

由圖5可知，切削單元在切削過程中能夠進行材料切削去除，但仍存在未去除材料形變大、模擬過程中網(wǎng)格畸變嚴重的缺點，觀察圖5可知，畸變嚴重的網(wǎng)格位于副后刀面，與副后刀面相關的刀具角度為副偏角，調整副偏角至8°、5°、2°后重新進行切削模擬，結果如圖6所示。

圖6 副偏角2°～8°切削模擬圖

由圖6模擬結果可知，切削面的形變、應力隨副偏角的減小而減小，在副偏角減小至5°后基本趨于穩(wěn)定，故將副偏角調整至2°～5°，確保刀具切削過程中能夠順利將材料去除。

圖7 鏜刀磨削后外觀形貌

刀具角度設計完成后按照此設計模型進行刀具制備用于限流微小孔精鏜加工，結合微型車削刀具的研究成果，使用2～3mm硬質合金棒料磨削微小孔精鏜孔刀具，刃磨過程按照“粗磨—半精磨—精磨—修光—精修”的步驟進行刀具磨削[10]，刀具切削刃尖角圓弧刃磨至不大于0.02mm，切削刃半徑刃磨至不大于0.1mm。磨削后鏜刀如圖7所示，40倍顯微鏡下檢查刀具切削刃及外觀形貌無缺損后用于限流孔加工。

鏜孔刀具制備、安裝完成后后進行限流微小孔鏜孔加工。因限流微小孔孔徑小于5mm，為保證鏜孔過程中刀具具備正常的切削速度，加工過程中需采用2500～3500r/min的高轉速，在背吃刀量為0.03～0.05mm、進給量為0.02～0.03mm/r條件下進行2～3次走刀可完成限流微小孔精鏜加工。

采用精密鏜孔加工技術加工完成1批限流孔徑(1.65±0.01)mm的限流圈，計量限流微小孔孔徑結果如圖8所示。

圖8 限流微小孔孔徑分析圖

重新加工完成的限流微小孔孔徑合格率為95.48%，較此前加工后合格率提高16.82%，極差為0.012mm，是設計要求公差的60%，這表明精密鏜孔加工工藝方案能夠精確控制限流孔孔徑，最終保證限流微小孔孔徑的批次一致性和與設計要求值的一致性。

3.2 限流圈研磨加工技術研究

限流圈車削加工完成后對限流微小孔出、入口所在平面進行端面研磨加工去除孔口倒角，使限流微小孔出、入口形成銳邊狀態(tài)。經統(tǒng)計，限流零件經研磨加工后整批零件液流試驗合格率提高至90%以上，壓力降低值極差小于0.02MPa，是此前批次限流圈壓力降低值極差的33%。

此前采用手工研磨限流圈端面操作將零件端面的余量進行去除，存在加工效率低的缺點，因此采用機器研磨方案進行端面研磨工作，傳統(tǒng)機器研磨工作方案為將零件固定在工裝內，工裝帶動限流圈做公轉運動進行端面研磨，該種研磨方式在限流圈端面的加工痕跡為單向圓弧狀痕跡，研磨后限流微小孔孔口形成微小鋸齒形貌，這與孔口銳邊狀態(tài)的目標不一致，因此需重新設計研磨方案。

重新設計的研磨方案是將限流圈固定在工裝內部，研磨機器帶動限流圈進行公轉運動的同時工裝進行自轉運動進行端面研磨。在限流微小孔口上選取任意點后建立在該種研磨方式下任意點的研磨軌跡方程，如式（2）所示。

其中，坐標（cos1,sin1）為限流圈圓心坐標。

將式（2）轉換為參數(shù)方程，如式（3）所示。

其中：——工裝中心回轉半徑，mm；——零件相對于工裝的回轉半徑，mm；1——工裝自轉速度，rad/s；2——工裝公轉速度，rad/s；α——限流微小孔口上第點的起始角度，rad。

結合式（3）繪制的限流微小孔孔口的研磨軌跡如圖9a所示，提取一點的研磨軌跡如圖9b所示。

圖9 研磨軌跡圖

由圖9的研磨軌跡可知，該種限流圈的“自轉”和“公轉”的復合研磨加工軌跡可有消除單一的“公轉”運動在限流微小孔孔口產生的微觀鋸齒形貌，通過設置自轉圈數(shù)、公轉圈數(shù)、工裝自轉轉速、工裝公轉轉速，可保證限流圈研磨在量化控制條件下進行加工，最終保證限流微小孔孔口狀態(tài)具備良好一致性，且研磨加工中冷卻液提供充足，可有效去除研磨形成的微小顆粒，加工后限流微小孔孔口如圖10b所示，與圖10a所示的限流微小孔孔口狀態(tài)相比改善顯著。

圖10 限流微小孔孔口形貌

4 限流圈加工后效果評價

采用重新設計的工藝方案加工完成的限流微小孔孔口狀態(tài)為良好的銳邊無缺陷狀態(tài)，使用高精度光學計量設備可快速、準確的進行孔口邊緣的查找和判定，最終精準測定孔徑。經統(tǒng)計，使用重新設計的工藝方案生產的限流圈加工合格率大于90%，一次液流合格率大于80%，采用平面研磨機進行限流圈加工時同數(shù)量的限流圈加工用時為手工研磨用時的10%，有效提升了產品研發(fā)生產效率。

5 結束語

針對限流圈上的“限流微小孔”的成型方案進行了工藝方案設計，在重新設計的工藝方案中應用精密車削加工、研磨加工技術有效解決了限流微小孔孔徑偏差大、孔口形貌有缺陷、微小孔成型過程過程不受控的問題。重新加工完成的限流微小孔具備孔口銳邊狀態(tài)良好、孔徑精準的優(yōu)勢，同時限流圈零件一次液流合格率顯著提升，該項技術為限流類零件的限流微小孔加工方案及設計提供了有效借鑒。

1 劉春麗，賈曉鷗. 限流孔板在工藝設計中的應用[J]. 廣州化工，2014(20)：167～169

2 程平等，程耕國，李受人. 液流通過節(jié)流孔的流場結構的數(shù)值解析[J]. 科學技術與工程，2003(2)：112～114

3 劉長亮，王曉江，曲昌明. 核電廠用限流孔板壓降計算[J]. 原子能科學技術，2013(3)：397～401

4 楊凡，李剛炎，楊飛，等. 固定節(jié)流孔流量特性的仿真測試研究[J]. 液壓與氣動，2014(5)：25～32

5 張為榮. 節(jié)流孔孔徑與長度的最優(yōu)設計[J]. 機械制造，2018(625)：52～56

6 王天豪，吉華，李倩，等. 孔中心距對限流孔板壓降的影響[J]. 機械，2020(2)：59～63

7 郭洪勤，裴景玉，李五一. 電火花加工微小孔的工藝研究[J]. 航天制造技術，2005(5)：16～18，26

8 梁靜波，曹明讓. 鉻復合電極電火花小孔加工機理及實驗研究[J]. 航天制造技術，2011(5)：27～29，35

9 張沛森，李忠新．高精度微孔鏜削加工工藝的優(yōu)化研究[J]. 機電工程， 2015(6)：808～811，845

10 王志平，徐東鳴. 細結構車削刀具的刃磨方法[J]. 機床與液壓，2007(10)：200～201

Research on Precision Machining of Current-limiting Micro Orifice

Liu Xiang Liu Xiangdong Cao Feilong Liu Yangang Cheng Tao

(Xi’an Aerospace Engine Company Limited, Xi’an 710100)

Current-limiting micro orifices refer to1～2mm holes on current-limiting parts. The target processing state of the current-limiting micro orifice is obtained based on the design structure of the flow-limiting parts and the performance requirements. Guided by the target machining state, the current-limiting micro orifice machining process plan is redesigned and completed, and the flow-limiting parts are processed in batches by adopting precision turning and grinding technology. Observation of the current-limiting micro orifice shows that the aperture of micro orifice is accurate, the surface quality of the hole wall is high, and the sharp edge of the orifice is complete. At the same time, the qualification rate of the liquid flow test data of the flow-limiting parts has been significantly improved, which shows that the redesigned process plan can effectively improve the processing quality of current-limiting micro orifice and the performance of the flow-limiting parts.

current-limiting micro orifice；precision turning；grinding；finite element analysis

V46

A

劉翔（1990），工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：航天閥門、自動器機械加工與裝配。

2021-08-23