火箭發(fā)動機噴管車床夾具設(shè)計與應(yīng)用

何凡鋒，畢凱，馮憲冬，丁浩

首都航天機械有限公司 北京 100076

1 序言

大推力補燃?xì)溲醢l(fā)動機是我國目前正在研制的大型火箭發(fā)動機[1-5]，其研制過程需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)問題。其中，發(fā)動機噴管上段的車削加工技術(shù)問題便是其中之一。需要考慮三個方面的問題：第一，零件的材料是高溫合金，切削受力大，需要足夠的夾緊力；第二，零件成喇叭狀，入口小，出口大，加工時，零件處于倒置狀態(tài)，重心不穩(wěn)，需要提供穩(wěn)定支承；第三，零件直徑2.5m、高2.2m，尺寸大，側(cè)壁薄，剛性不足，需要防止切削振動。解決這些問題的關(guān)鍵在于確定合理的裝夾定位方式。因此，普通裝夾方式難以滿足加工要求，必須設(shè)計專用車床夾具。

2 零件工藝分析

在本工序加工之前，噴管上段的集合器、法蘭、加強筋等相關(guān)部件已經(jīng)焊接成形。由于零件尺寸大，壁厚較薄，存在較大變形，因此被加工端面留5mm加工余量。本工序的加工內(nèi)容是出口端面的精密車削加工，具體加工尺寸要求如圖1所示。加工時，零件固定于專用夾具正中，呈出口朝上垂直裝夾狀態(tài)。

圖1 加工尺寸要求

（1）加工要求 出口端面車削加工保證凸緣厚度10mm，表面粗糙度值Ra＝3.2μm，垂直度0.3mm。凸緣的厚度、表面粗糙度加工難度不大，容易保證，而垂直度則需要定位裝置來保證。

（2）定位形式 薄壁回轉(zhuǎn)體零件一般以內(nèi)型面為定位基準(zhǔn)，并且設(shè)計成脹胎結(jié)構(gòu)[6-8]。由于噴管上段屬于薄壁回轉(zhuǎn)體零件，因此噴管上段也以內(nèi)型面為定位基準(zhǔn)。但是，傳統(tǒng)的定位形式都是用在零件尺寸不大、水平放置且支承方便的場合。此薄壁大零件，采用設(shè)計基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)重合的原則，故以A面作為夾具定位基準(zhǔn)，這樣不僅能提高定位精度，而且易于保證垂直度精度。該基準(zhǔn)限制X、Y、Z方向3個自由度，以及限制繞X、Y軸的2個轉(zhuǎn)動自由度，一共限制了5個自由度。繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度對加工精度不影響，因此不限制。

（3）夾緊方式 夾緊方式采用圓周均布樣式夾緊結(jié)構(gòu)，通過圓周方向形成壓緊合力。夾緊力的施加很關(guān)鍵，不僅需要足夠的夾緊力，而且需要避免局部零件特征干涉。因此，需要從零件上找到合適的夾緊部位。通過觀察零件特征，確定夾緊位置。這個夾緊位置位于出口集合器下方，在出口加強筋間隔之間，靠近定位基準(zhǔn)外表面。這樣不僅可以避開出口法蘭、出口加強筋和加強環(huán)筋等特征的干涉，而且夾緊力方向面向定位基準(zhǔn)，有助于盡可能消除貼胎間隙。

（4）輔助頂緊 輔助頂緊的方式是從正下方對零件施加向上的輔助夾緊力。施加輔助夾緊力有兩個作用：一是可以進(jìn)一步增大壓緊力，消除貼合間隙；二是可以避免零件晃動。以入口端面B為輔助頂緊位置。

3 夾具設(shè)計

3.1 定位裝置

定位裝置是整套夾具的關(guān)鍵，采用一種獨特的倒錐式內(nèi)撐胎體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。定位裝置由定位胎體、頂緊螺釘、提升螺桿和固定頂板等主要零件組成。定位胎體與中心定位柱形成滑動配合關(guān)系，通過導(dǎo)向平鍵限制了繞Z軸的轉(zhuǎn)動自由度，沒有限制沿B面的上下移動。頂緊螺釘用來頂緊定位胎體，限制上移位置。提升螺桿用于抬升定位胎體，它與頂緊螺釘相互配合可以調(diào)節(jié)固定定位胎體的高度。固定頂板安裝在夾具體中心定位柱頂端，形成剛性連接，對定位胎體起支承作用。

圖2 定位裝置剖視

這種可調(diào)上下位置的定位胎體結(jié)構(gòu)設(shè)計，能調(diào)節(jié)零件與胎體的脹緊程度，實現(xiàn)定位胎體外錐面與零件的定位面緊密貼合，不僅可以提高支承穩(wěn)定性和剛性，而且可以避免切削振動。

3.2 夾緊裝置

夾緊裝置包括均布式弧形壓緊結(jié)構(gòu)與輔助頂緊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)分述如下。

（1）均布式弧形壓緊結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)是夾具的重要部分，主要由支承環(huán)、頂緊螺桿、支座、導(dǎo)向銷和弧形壓板組成，如圖3所示。支承環(huán)、頂緊螺桿、支座和導(dǎo)向銷都用于輔助弧形壓板，實現(xiàn)夾緊力的施加。弧形壓板設(shè)計成傾斜的結(jié)構(gòu)，可直接伸入出口集合器下方與零件外表面貼合，能避免出口法蘭等特征干涉?；⌒螇壕o結(jié)構(gòu)的布置采用20塊環(huán)形均布形式，不僅可以使壓緊力均勻分布，而且可以形成較大壓緊力，減少切削力的影響。頂緊螺桿具備自鎖功能，能驅(qū)動弧形壓板上下移動，具有壓緊與松開的功能。

圖3 弧形壓緊裝置局部

（2）輔助頂緊結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)起輔助頂緊、輔助調(diào)節(jié)和輔助支承作用，由調(diào)節(jié)螺桿、移動楔塊和升降頂塊等組成。調(diào)節(jié)螺桿正反轉(zhuǎn)可以帶動移動楔塊左右運動，同時驅(qū)動升降頂塊沿著定位柱A面上下移動。移動楔塊存在楔角，具備自鎖功能。另外，調(diào)節(jié)螺桿采用螺紋傳動，也具備自鎖功能。兩種自鎖結(jié)構(gòu)串連后形成了雙自鎖結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，能確保車床在高速轉(zhuǎn)動過程中不松動，避免了振動，提高了穩(wěn)定性。輔助頂緊裝置局部剖視如圖4所示。

圖4 輔助頂緊裝置局部剖視

3.3 整體結(jié)構(gòu)

夾具由夾具體、輔助頂緊、弧形壓板和倒錐內(nèi)撐胎4個部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。夾具體采用焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間板料進(jìn)行開孔，做減重處理。輔助頂緊部分位于中心立柱的最下方，通過調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)向上輔助頂緊零件的功能?；⌒螇喊宀糠治挥趭A具體的工作面之上，靠近圓周邊緣，采用螺釘聯(lián)接結(jié)構(gòu)，方便夾緊制造與拆卸。倒錐內(nèi)撐胎部分位于夾具體正中，采用可拆卸的螺釘聯(lián)接結(jié)構(gòu)。

圖5 夾具剖視

夾具的安裝使用步驟如下。

第一步，將內(nèi)撐胎體組件部分全部拆卸，包括定位胎體、頂緊螺釘、提升螺桿和固定頂板（見圖2）等，同時退回弧形壓板（見圖3）與升降頂塊（見圖4）到最低位置。

第二步，先將夾具體組件吊裝至立式車床花盤之上，垂直放置。然后，利用撬棒與墊塊配合的方法，手動調(diào)整夾具與花盤的相對位置，同時以夾具中心立柱的外表面為夾具中心基準(zhǔn)打表找正。最后，利用壓板將夾具體壓緊固定于立式車床花盤之上。

第三步，將噴管上段零件以出口朝上的狀態(tài)垂直吊裝放置在夾具之中，置于升降頂塊之上，然后，使用弧形壓緊裝置將噴管上段撐起，并調(diào)節(jié)至適當(dāng)高度，初步調(diào)平被加工表面。

第四步，將定位胎體吊裝至中心立柱，緩慢向下滑動，讓定位胎體定位面與噴管上段內(nèi)表面接觸，落于工件之上。然后，安裝固定頂板，并調(diào)定螺釘抬升定位胎體到一定高度位置固定好，讓定位胎體與工件暫時脫離接觸。

第五步，調(diào)節(jié)弧形壓緊裝置，利用弧形壓板將噴管上段上推至安裝位置，并壓緊。然后，調(diào)節(jié)輔助頂緊裝置，利用升降頂塊從零件底部上推壓緊，完成輔助頂緊操作。

由于噴管上段是大型的薄壁焊接件，變形大，因此在調(diào)節(jié)過程中需要機床配合打表，多次微調(diào)才能滿足工藝裝夾要求。

夾具的拆卸步驟與安裝步驟相反，先拆內(nèi)撐胎體組件，后卸工件，再將夾具體吊離花盤。

4 力學(xué)計算

4.1 車削力

車削力F在空間上可以分解成圓周切削分力Fc、徑向切削分力Fp和軸向切削分力Ff[9]

式中，F(xiàn)c表示圓周切削分力（N）；Fp表示徑向切削分力（N）；Ff表示軸向切削分力（N）；f表示進(jìn)給量（mm/r）；ap表示背吃刀量（mm）；vc表示切削速度（m/min）；σb表示材料屈服強度（MPa）；Kp表示圓周切削分力、徑向切削分力和軸向切削分力的修正系數(shù)；n表示考慮工件材料系數(shù)；Kkrp、Kγ0p、Kλsp、Krp表示考慮刀具幾何參數(shù)系數(shù)。

切削力作為夾緊力計算的依據(jù)，以極限工況考慮。相關(guān)參數(shù)的選取見表1。

表1 切削力計算參數(shù)

數(shù)控車刀選用硬質(zhì)合金刀片，刀具幾何參數(shù)相關(guān)系數(shù)選取見表2。

表2 切削分力修正系數(shù)

根據(jù)表1、表2及式（1）～式（4）計算出車削力的各個分力，結(jié)果見表3。

表3 分力計算結(jié)果 （N）

4.2 夾緊力

夾緊力不僅要足夠大，而且需要滿足手動擰緊操作要求。夾緊力是由20塊弧形壓板共同作用產(chǎn)生的，受力情況復(fù)雜，這里對受力情況進(jìn)行簡化處理。假定20塊弧形壓板受的夾緊力相同，以車削受力點正下方壓板來做受力分析，簡化后的受力情況如圖6所示。

圖6 受力情況

圖中，A點為壓板受力點，B點為車削受力點。FN0是弧形壓板的支承反力，F(xiàn)N1、FN2和FN3是中心立柱產(chǎn)生的支承反力，這些力對結(jié)果無影響，不做計算。FN為壓板受力點A點的法向約束力，它與F'N大小相等、方向相反。對于夾緊力F0計算，有以下兩種途徑。

（1）依據(jù)摩擦力力矩平衡計算 圖6a中，夾緊力F0與法向約束力FN的關(guān)系

最大靜摩擦力

圖6b中，受力點A的圓周切削分力與摩擦力的力矩平衡關(guān)系

FS是抵抗圓周切削分力Fc所需的摩擦力，它的大小必須滿足FS＜FSmax約束條件，才能確保工件不轉(zhuǎn)動。依據(jù)此約束條件，以及式（5）～式（7）得出

（2）依據(jù)自重受力平衡關(guān)系計算 由圖6b所示關(guān)系，得到

顯然，只有克服零件自重，才能壓住零件。于是由式（5）、式（9）得到

整理得

按式（8）與式（11）分別計算夾緊力F0。已知條件：Fc＝289N，F(xiàn)p＝169N，G＝5000N，L＝1265mm，α＝13.1°，β＝59°，l＝1185.3mm，μ＝0.2。按式（8）計算結(jié)果為F0＞794.3N，按式（11）計算結(jié)果為F0＞11746N。顯然，后者結(jié)果更大，選后者為下一步計算輸入條件。最終夾緊力合力

式中的K表示修正安全系數(shù)乘積，即

各修正安全系數(shù)的選擇見表4。

表4 安全系數(shù)選擇

根據(jù)式（12）、式（13）及表4，計算出夾緊力WK＝32323N，單塊弧形壓板的夾緊力為WK/20＝1616N。

夾緊裝置的操作方法采用活動扳手手動擰緊方式，力矩[10]

式中，d是頂緊螺桿的直徑，為40mm；F為頂緊力（N）；K是F扭矩系數(shù)，取0.2；T是活動扳手產(chǎn)生的力矩，正常人的腕力為45N，活動扳手長度為300mm，則T的大小為13.5N·m。

由式（14）算得F＝1687.5N。顯然，頂緊力大于單塊壓板的夾緊力，滿足了手動擰緊操作要求。

5 夾具應(yīng)用

夾具在立式數(shù)控車床CK5240D上進(jìn)行了測試使用，順利完成了發(fā)動機噴管上段加工，整體狀態(tài)如圖7所示。噴管上段加工時，車削平穩(wěn)、順暢，未出現(xiàn)振刀情況。夾具使用效果良好，確保了大型發(fā)動機研制工作的順利推進(jìn)。截至發(fā)稿，我國已經(jīng)完成了首臺大型火箭發(fā)動機工程樣機生產(chǎn)[11]。

圖7 夾具

6 結(jié)束語

從夾具的實際使用情況可以得出以下結(jié)論。

1）圓周均布式弧形壓板結(jié)構(gòu)，不僅避免了與加強筋干涉，而且提供了足夠的壓緊力。

2）以內(nèi)型面作為定位基準(zhǔn)，不僅定位可靠，而且解決了重心不穩(wěn)的問題。

3）雙自鎖輔助頂緊結(jié)構(gòu)，起到了輔助頂緊與提高支承剛性的作用。