某異型閥門殼體同軸度誤差分析及改進(jìn)措施

張朋朋

（藍(lán)箭航天空間科技股份有限公司，北京 100176）

0 引言

伴隨著太空探索的不斷深入，依托火星探測和載人航天事業(yè)的強(qiáng)力牽引，我國航天事業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展的快車道。閥門作為運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)中不可缺少的重要組成部分，控制著飛行過程中發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和姿態(tài)，直接影響著整個飛行任務(wù)的成敗。航天產(chǎn)品“高可靠、高質(zhì)量、輕量化”的要求越來越高，航天閥門整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效減少閥門組件中的連接件數(shù)目，提高系統(tǒng)可靠性，并縮短飛行器的裝配周期，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔多、腔多的殼體也使得制造難度大幅增加[1]。

針對某多腔異性非均勻結(jié)構(gòu)的閥門殼體，本文圍繞同軸度誤差展開分析，從加工工序、裝夾固定、切削參數(shù)等方面入手，提出了異型閥門殼體加工過程中二次裝夾工藝基準(zhǔn)選擇原則，改善了閥門殼體的加工工藝性，提高了加工精度與效率。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

某型號航天發(fā)動機(jī)閥門殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示，為典型的多孔、深腔、薄壁結(jié)構(gòu)，該殼體共包含4處法蘭，其中A、D兩處法蘭位于貫通的兩端端面，B、C兩處位于側(cè)面。

圖1 某型號航天發(fā)動機(jī)閥門殼體結(jié)構(gòu)示意圖

該殼體為GH4169高溫合金鑄件，產(chǎn)品最大外徑為φ144 mm，最小內(nèi)徑為φ21 mm，總高度為208 mm，最薄處壁厚為5 mm（（φ56-φ46）/2=5），其中A、D處法蘭軸線相對于殼體頸部同軸度為0.02 mm，如圖2所示。殼體毛坯除內(nèi)外壁非加工區(qū)域外，單邊余量為3～5 mm。

圖2 某型號航天發(fā)動機(jī)閥門殼體精度示意圖

閥門殼體機(jī)加過程一般采用虎鉗、壓板進(jìn)行裝夾，車削、銑削、研磨和電加工等多種工藝穿插配合[2]。但在多次裝夾與加工過程中，基準(zhǔn)變換、測點(diǎn)選擇、測量精度等造成誤差累積，往往導(dǎo)致產(chǎn)品精度超差，甚至報(bào)廢。

2 加工難點(diǎn)分析

2.1 同軸度精度高

該閥門殼體A、D處法蘭同軸度要求為0.02 mm。由于殼體頸部通徑僅21 mm，常規(guī)車刀、鏜刀無法通過，需進(jìn)行二次裝夾加工。若裝夾方式不合理，或測量點(diǎn)位選擇不準(zhǔn)確，極易導(dǎo)致同軸度超差，甚至報(bào)廢。對該殼體A處φ21 mm同軸度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，合格率不足20%。

2.2 異形構(gòu)件難裝夾

該閥門殼體為多腔非均勻結(jié)構(gòu)，外壁無合適的裝夾點(diǎn)，無法采用三爪卡盤直接固定。由于側(cè)面法蘭的干涉，常規(guī)半抱環(huán)夾具適用性較低。此外，裝夾時(shí)必須考慮端面處法蘭內(nèi)孔找正需求，裝夾難度進(jìn)一步增大。

2.3 GH4169材料難切削

GH4169屬于鎳基高溫合金，加工過程中會產(chǎn)生較大的切削力，刀具磨損產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重。該閥門殼體為薄壁深腔非對稱結(jié)構(gòu)，切削過程振動進(jìn)一步增大。如果在切削過程中不采取適當(dāng)措施，容易加劇零件顫振，降低零件的加工精度，甚至在薄壁深腔結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)振刀紋。

3 同軸度誤差分析

在零件加工過程中，受到人員操作、外部環(huán)境和加工設(shè)備等因素，以及制造工藝自身的影響，加工零件實(shí)際尺寸和理論尺寸之間存在一定偏差，即加工誤差。若誤差較大且超過設(shè)計(jì)所允許的偏差值，則為超差。產(chǎn)品的誤差是多方面的，主要包括定位誤差、機(jī)床誤差、測量誤差等[3]。

3.1 裝夾誤差

裝夾誤差主要指加工過程中零件需多次裝夾，每次裝夾時(shí)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換后采用新基準(zhǔn)進(jìn)行找正引起的誤差。在車削該殼體A處法蘭時(shí)，需將D處法蘭固定在車床工作臺上。由于內(nèi)腔φ21 mm尺寸（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)）無法測量，因此轉(zhuǎn)換為A處φ32 mm和D處φ144 mm進(jìn)行找正。將D處端面裝夾在臥式車床工作臺（車床型號：CA6140）時(shí)，常見的裝夾誤差主要包含以下3種。

1）端面間隙。假定機(jī)床工作臺為理論平面，D處端面也為理論平面，則D處端面與工作臺面能夠完全貼合。然而，實(shí)際裝夾過程中由于受重力和撓度的影響，D處端面未能夠完全貼合在機(jī)床工作臺表面，存在間隙δ，則導(dǎo)致同軸度誤差η端面間隙，如圖3所示。

圖3 閥門殼體裝夾示意圖（端面間隙）

2）軸線偏移。由于該工序選用臥式車床，為回轉(zhuǎn)類加工，即便在零件與機(jī)床工作臺之間完全貼合的情況下，同樣存在工作臺與基準(zhǔn)圓不同軸的問題。假定工作臺與零件D端面的理論軸線偏移δ，則導(dǎo)致同軸度誤差η軸線偏移=δ，如圖4所示。

圖4 閥門殼體裝夾示意圖（軸線偏移）

3）端面間隙+軸線偏移。在零件的實(shí)際裝夾過程中，端面間隙和軸線偏移兩種誤差并非單獨(dú)存在，而是同時(shí)存在的，這將導(dǎo)致閥門殼體的誤差進(jìn)行累計(jì)，η裝夾=η（η端面間隙，η軸線偏移）。

3.2 機(jī)床誤差

根據(jù)《數(shù)控車床和車削中心檢驗(yàn)條件 精加工試件精度檢驗(yàn)》（GB/T 16462.6—2007）相關(guān)要求，數(shù)控臥車的垂直主軸軸線的端面的平面度≤0.015 mm，車削圓柱試件的圓度≤0.05 mm。雖然現(xiàn)代機(jī)床制造工藝越來越復(fù)雜，各種精度補(bǔ)償措施使得機(jī)床的精度不斷提高，但機(jī)床自身的誤差只能減小，不能消除[4]。由于機(jī)床自身車刀軸線（X軸）與回轉(zhuǎn)工作臺之間的不垂直，導(dǎo)致存在加工誤差η機(jī)床。

3.3 測量誤差

零件測量過程中，百分表、卡尺等測量器具受環(huán)境溫度、檢驗(yàn)人員技能水平和量具自身精度的限制[5-6]，引入測量誤差η測量。

因此，A處法蘭的端面同軸度誤差η=F（η裝夾,η機(jī)床,η測量），裝夾誤差、機(jī)床誤差、測量誤差相互作用，不是單純的簡單相加。而在實(shí)際的工程實(shí)踐中，機(jī)床誤差由于各種補(bǔ)償修正和良好的保養(yǎng)維護(hù)，實(shí)際誤差極小，可忽略不計(jì)；測量誤差也可通過多人復(fù)測的方式進(jìn)行減小。因此，該殼體同軸度超差的根源為裝夾誤差。

4 工藝設(shè)計(jì)

4.1 工藝路線

由于該殼體毛坯為高溫合金鑄件，受鑄造工藝的影響表面凹凸不平，零件表面無法直接作為加工基準(zhǔn)面。在表面鉗工劃線，協(xié)調(diào)各位余量的基礎(chǔ)上，將每道工序分為粗加工和精加工，粗加工主要以去除材料和獲得粗基準(zhǔn)為主，而精加工則以保證加工質(zhì)量為主，部分典型工序如圖5所示。

圖5 殼體加工典型工序示意圖

工藝路線：鉗工劃線→粗車D面→粗車A面→深冷時(shí)效→精車D面→精車A面→精測→精銑B/C面→精測→檢驗(yàn)。

4.2 基準(zhǔn)選擇

根據(jù)前文同軸度誤差分析及工藝路線，需對零件工藝基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即由頸部φ21 mm處轉(zhuǎn)移至內(nèi)腔φ46 mm處，主要是φ46 mm處內(nèi)孔長度較長，更利于加工過程中的測量與定位。因此，在精車D端面φ46 mm尺寸時(shí)，提高公差要求，由φ46±0.05 mm調(diào)整至φ46±0.01 mm。同時(shí)，車削φ46 mm內(nèi)孔、φ144 mm外圓及端面，表面粗糙度不超過Ra0.8 μm，并保證端面與φ46 mm內(nèi)孔垂直度0.01 mm。由于φ46 mm內(nèi)孔與φ144 mm外圓為一次裝夾車成，理論同軸度為0，因此φ144 mm外圓可作為輔助基準(zhǔn)進(jìn)行找正。

產(chǎn)品二次裝夾時(shí)基于以下原則選擇工藝基準(zhǔn)：1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或裝配基準(zhǔn)優(yōu)先原則；2）工藝基準(zhǔn)可高精度測量原則；3）工藝基準(zhǔn)工藝程度高，質(zhì)量穩(wěn)定原則。

4.3 裝夾方案

精車A端面時(shí)，以前道工序的內(nèi)孔φ46±0.01 mm和外圓φ144 mm作為基準(zhǔn)。

2）將芯軸插入半成品零件φ46 mm孔中試裝，輕微晃動無間隙。若間隙量較大，則芯軸需報(bào)廢新制。

3）將芯軸一端插入機(jī)床工作臺中心孔中，使用四爪裝夾外圓φ144 mm處，預(yù)壓緊；使用百分表測量芯軸直線度和首尾兩端圓跳動，均要小于0.01 mm，然后壓緊。

4）裝夾半成品零件，使用百分表測量外柱面φ144 mm的圓跳動和直線度，保證示數(shù)均小于0.01 mm；測量A處法蘭外圓，標(biāo)記實(shí)際圓跳動。

5）使用組合工裝壓緊靠近B/C處殼體頸部，如圖6所示。

圖6 殼體裝夾示意圖

6）重新測量外柱面φ144 mm的圓跳動和直線度，保證示數(shù)均小于0.01 mm，并記錄實(shí)測值。

7）精車A端面φ32 mm法蘭和φ21 mm通孔。

4.4 刀具選擇

在切削加工中,刀具材料性能對切削加工效率、尺寸精度和表面質(zhì)量有著決定的影響。結(jié)合GH4169高溫合金的切削特性[7]，我們選擇了硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行加工。硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，利用表面改性技術(shù)即刀具涂層的制備工藝，在硬質(zhì)合金表面制備金剛石涂層、立方氮化硼涂層、氮化碳涂層等不同材質(zhì)的涂層，可進(jìn)一步提高刀具的耐磨性和耐腐蝕性。硬質(zhì)合金涂層刀具的硬度可以高至89～93 HRA，可有效避免GH4169切削過程中的表面硬化問題。

4.5 切削參數(shù)

根據(jù)材料去除率的計(jì)算公式：

式中：Q為單位時(shí)間材料去除率，cm3/min；F為單位時(shí)間進(jìn)給速度，mm/min；ap為切削深度，mm；aw為切削寬度，mm；d為車削直徑，mm；n為車床轉(zhuǎn)速，r/min；f為車床進(jìn)給量，mm/r。

由此可知，單位時(shí)間材料去除率主要受切削深度ap、進(jìn)給量f、轉(zhuǎn)速n的影響。以切削深度、進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速為變量，以產(chǎn)品精度為評價(jià)指標(biāo)，分別開展單因素試驗(yàn)對GH4169材質(zhì)樣件進(jìn)行外圓車削加工，選取最大材料去除率參數(shù)為產(chǎn)品加工參數(shù)（如表1）。

表1 GH4169閥門殼體車削工藝參數(shù)

5 工藝驗(yàn)證

采取上述技術(shù)方案，車間重新生產(chǎn)了一批閥門殼體，同軸度指標(biāo)的合格率由不足20%提升至85%以上。基于帕累托法則，我們認(rèn)為通過轉(zhuǎn)化工藝基準(zhǔn)、優(yōu)化裝夾定位、改進(jìn)切削參數(shù)等方法對于提升該閥門的同軸度是有效可行的。

結(jié)合PDCA持續(xù)改進(jìn)原則，在采取上述措施后我們對同軸度超差的次要原因進(jìn)行分析，作為下一階段工作的重點(diǎn)。

該閥門殼體同軸度超差的次要原因包括：1）測量精度達(dá)不到要求。目前，市場上百分表的測量精度一般為0.01 mm，與產(chǎn)品同軸度0.02 mm要求較為接近，導(dǎo)致測量誤差增大。2）車削振動影響。由于產(chǎn)品自身的非對稱結(jié)構(gòu)，車削過程中高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心力，導(dǎo)致產(chǎn)品加工部位的振動增大，降低加工精度。

6 結(jié)語

通過對某型號航天閥門殼體的結(jié)構(gòu)特征和工藝特性進(jìn)行研究，分析了該產(chǎn)品同軸度超差的主要來源，制定了多次裝夾找正的工藝方案，設(shè)計(jì)了降低裝夾誤差的輔助工裝，提高了產(chǎn)品的交付質(zhì)量。同時(shí)，對GH4169高溫合金的車削刀具和切削參數(shù)進(jìn)一步試驗(yàn)，保障了產(chǎn)品質(zhì)量并提升了生產(chǎn)效率，達(dá)到了控制產(chǎn)品形位公差和尺寸精度的目的。

經(jīng)過車間的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該技術(shù)方案工藝簡捷、質(zhì)量穩(wěn)定、效果顯著，有效地保證了產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定，也為其它同類型產(chǎn)品的加工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。