精密球體零件加工工藝的研究與應用

徐鴻翔，趙?？?，趙 飛，吳 平，張 航

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

精密球體零件加工工藝的研究與應用

徐鴻翔，趙?？?，趙 飛，吳 平，張 航

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

球體零件是某國家重點型號發動機某一球閥的核心零件，它具有高形位公差要求、形狀不規則、表面質量要求高等特點，給實際的加工生產帶來極大難度，該零件被列入某國家重點型號發動機研制中的關鍵工藝技術之一。通過反復試加工與參數摸索，在充分了解鋁材質球體零件結構特點及加工難點的基礎上，總結出一套粗加工、半精加工、精加工的加工工藝流程方法，并依據金屬材料熱處理原理在粗加工后、精加工前分別穿插進行不同熱處理以達到消除粗加工去除大余量過程中產生的機械加工應力與穩定零件尺寸的目的，最后采用自制輔助工裝夾具、刀具選擇以及優化切削參數等措施，成功生產出一批完全滿足設計要求的精密球體零件，裝配該球體零件的球閥順利通過熱試車考核。

球面加工；數控車削工藝；閥門加工技術

0 引言

隨著我國載人航天工程、探月工程、新一代運載火箭研制等科研生產任務的深入開展，對火箭發動機的精確控制、高可靠性與安全性等要求也日益增長。某閥門作為某在研型號發動機的重要零部件，是一項可靠性要求極高的閥門，其中零件球又是構成某閥門的重要部件之一，其球面的面輪廓度僅為 0.01 mm，表面粗糙度高達0.1 μm，而且球面上有一窄槽子結構。這使得該零件相比以往產品無論在尺寸精度保證上，還是在加工難度上都增加很多，因此亟須對零件球的加工工藝進行大膽的探索與嘗試。

1 零件結構分析及加工難點

1.1 零件球分析

零件球（如圖1所示），材料為鋁棒6A02，淬火時效，球面的面輪廓度要求較高、粗糙度要求較高，且鋁棒材料不宜采用磨削加工實現粗糙度要求。綜合分析，該零件適合數控車削加工。

圖1 球零件圖Fig.1 Two-dimensional structure of spherical valve core

1.2 加工難點

通過分析零件球的尺寸精度、形位公差及現有的加工、測量設備等因素發現，該零件的加工主要存在以下難點。

1） 球面廓度0.01mm與表面粗糙度0.1 μm的保證：一方面車削加工來保證球面廓度0.01 mm與表面粗糙度0.1 μm的要求本身較為困難；另一方面，零件球的尺寸及形位公差無法直接在加工中測量，必須借助計量設備；計量設備存在的誤差會更加縮小工件實際的加工公差。

2）斷續切削問題：零件球屬于回轉類零件，由于球面上有一寬為d mm槽子的存在，使得加工球面時存在斷續切削；斷續切削時刀具容易損壞，很有可能傷到零件球的已加工表面，進而影響到零件面輪廓度與表面粗糙度要求的保證。

3） 變形問題：車加工該零件時需留工藝夾頭，在切斷工藝夾頭時，刀具的沖擊力又會造成球面的微觀變形，進而影響零件的面輪廓度要求；此外，使用夾具時夾緊力大小適宜與否也會引起零件球的加工變形。

2 解決方案

為解決上述零件球加工中存在的三大主要難點，從加工流程、夾具設計、刀具選擇及切削參數等方面制定了詳細的解決方案。

2.1 加工流程

針對車削加工保證球面廓度0.01 mm，表面粗糙度0.1 μm的要求以及斷續切削的難點，需要制定合理的加工流程，既要考慮到各車削工序加工余量的大小、加工基準的選擇等因素，又要顧及加工過程中的應力變形，以及如何盡量減小斷續切削給零件加工帶來的困難。

綜合分析后，對零件的加工工序作如下安排：

1）粗車內外形；

2）去應力熱處理；

4）穩定尺寸熱處理；

6）銑槽；

8）切掉工藝夾頭；

主要的加工工序圖如下圖2所示。

圖2 零件球加工工序流程圖Fig.2 Flow chart of manufacturing technique for spherical valve core

從上述球零件加工工序流程圖2可以看出，粗車內外形需留取直徑為ΦF工藝夾頭作為后續加工定位基準；后續每次加工時，通過自制胎具裝夾在該工藝夾頭后通過找正外圓，控制跳動量在0.01以內，以保證基準的一致性；在粗車外形、半精車球面工序后分別安排熱處理工序，實現消除加工過程中的應力變形及穩定尺寸的目的；銑加工寬為d mm槽子時會影響到已加工球面的面輪廓與表面粗糙度要求，銑槽后再進行精車球面工序時又存在斷續切削問題，通過多次工藝試驗件加工探索，最終安排銑槽前先進行一次精車球面，且在球面上留取0.2 mm余量，銑槽后再安排一道精車球面工序并控制好切削參數，這樣便很好的解決了斷續切削問題與零件形位公差保證之間的矛盾；最后，進行車拋光工序，裝夾時采用自制胎具與車床漲罐相結合的方式，裝夾后找正外圓，保證跳動量在0.01以內，選用500 mm×50 mm條狀的白羊布，并在白羊布上均勻涂一層氧化鋁研磨膏，機床的主軸轉速控制在800 γ·min-1以內，在機床上進行拋光可使工件粗糙度達到0.1 μm，且不影響工件精度。

2.2 夾具設計

為實現既夾緊零件又不使零件變形的目的，通過分析與試驗摸索，切掉工藝夾頭前，利用自制工裝Ⅰ裝夾在工藝夾頭圓柱面進行加工；切掉工藝夾頭后，利用零件內孔，因機床設備的現有漲罐最大直徑不能直接使用，需通過自制工裝Ⅱ與機床漲罐相結合的方式來實現零件進行拋光工序的裝夾定位，輔助工裝夾具的結構圖及使用方式如圖3所示。

圖3 夾具結構圖Fig.3 Structure diagram of fixture

2.3 刀具選擇

刀具采用硬質合金刀具，尺寸為R2 mm，前角為0°，后角為12°，副后角為15°。采用硬質合金刀具克服了刀具因磨損而影響的尺寸誤差，同時要最大程度的限制刀桿的伸出長度，控制在100 mm內，防止零件因刀桿強度不夠而產生振動。加工時，采用R刀與圓弧補償相結合的方式，以便保證球面尺寸及其面輪廓度的加工要求。

為解決切掉工藝夾頭時，刀具的沖擊力又會造成球面的微觀變形問題。首先通過刃磨所用刀具，使其刀刃十分鋒利，選擇切削速度為1.57 m·s-1，進給量為0.03 mm/r；其次分兩步進行工藝夾頭的切斷，先從零件一端內孔鏜至工藝夾頭處且不切斷，再利用零件內孔裝夾定位，從另一端切斷工藝夾頭。這樣便可以最大程度上減小刀具的沖擊力造成的微觀變形。

2.4 切削參數

對精密球體零件斷續表面的加工，影響最大的因素是切削力和切削熱，而對這兩者影響最大的切削參數分別為背吃刀量和切削速度，因此需結合加工設備和刀具性能、加工質量要求及加工效率等要求，對切削參數進行優化，并經過多次反復試加工與調整后確定了切削參數見表1。

表1 切削參數Tab.1 Cutting parameters of spherical valve core

3 加工結果

通過以上加工解決方案的實施，成功加工出一批尺寸要求、形位公差、表面質量等檢測結果均滿足設計圖紙要求的合格零件球，如圖4所示。檢測結果見表2。

圖4 零件球加工成品圖Fig.4 Finished products of spherical valve cores

表2 一批球體零件加工后檢測結果Tab.2 Inspection results of several spherical valve cores produced with proposed technique and parameters

4 結論

本文所述的精密球體零件加工工藝研究成果已在科研生產中得到應用，加工出的數件產品實物均滿足設計要求，為某在研型號的順利研制攻克了難關，并順利通過熱試車考核。通過此次研究得出：對于精密球體零件的加工，保證其尺寸精度、形位公差及表面加工質量的關鍵在于減小和控制加工過程中、加工后的變形；采取合理工藝規劃、適合的工序熱處理時機、輔助裝夾工裝的使用、選擇合適刀刃形狀及切削參數等措施是加工出高精度、高質量產品的關鍵。這項研究為后續類似結構的精密球類加工提供了可靠、有價值的參考依據與借鑒。

［1］歐陽毅文.球頭加工實例及技巧［J］.煤礦機械，2010，31（6）：97-99.

［2］姚琢.通用機床球面加工方式之探［J］.河北工業科技，2001，18（1）：18-23.

［3］趙飛.大直徑薄壁球形閥芯加工工藝［J］.火箭推進，2012，38（1）：62-67. ZHAO Fei.Machining Technology ofthin-walled spherical valve core with large diameter［J］.Journal of rocket pro-pulsion.2012，38（1）：62-67.

［4］張勇峰.細長調節桿精密加工［J］.火箭推進，2010，36（4）：45-48. ZHANG Yongfeng.Precision finishing of aslender regulating rod.［J］.Journal of rocket propulsion.2010，36（4）：45-48.

［5］史永剛.發動機某型號節流圈的切削加工［J］.火箭推進，2006，32（6）：48-51. SHI Yonggang.Machining of engine throttle ring.［J］. Journal of rocket propulsion.2006，32（6）：48-51.

［6］夏其表.精密球體研磨加工的在線檢測與優化控制［J］.機電工程，2010，27（1）：15-17.

［7］殷連波.球閥固定球體軸孔加工工藝改進 ［J］.閥門，2002，（4）：20-21.

［8］王琳.鈦球閥中球體加工［J］.制造技術與工藝，2005，（12）：73-75.

［9］劉元林.球體加工方法的研究與應用［J］.煤礦機械，2000，（4）：31-32.

［10］沈少華.球閥球體工藝方案的分析［J］.機械設計制造，2009，（2）：81-101.

［11］陳天全.數控車床加工球面的工裝夾具及程序設計［J］.閥門，2006，（4）：21-22.

（編輯：馬 杰）

Research and application of manufacturing technique for precision spherical parts

XU Hongxiang，ZHAO Baoke，ZHAO Fei，WU Ping，ZHANG Hang
（Xi'an Space Engine Factory，Xi'an 710100，China）

As a key part in an aviation liquid rocket engine project，the spherical valve core makes features of high shape tolerance，irregular shape and high surface roughness，resulting in difficulty of manufacturing.Based on the repeated tests，parameter exploration，full understanding of aluminium spherical part structure and manufacturing difficulty，a technological process of rough machining，semi-finish machining and finish machining were summarized，and according to the principle of metal heat treatment，different heat treatments were conducted in the period between rough machining and finish machining to eliminate the machining stress produced during big margin removing and stabilize parts'machining size.A batch of the precision spherical parts meeting the design requirements were produced successfully with self-making auxiliary fixtures，tool selection and machining parameter optimization，and theyhave passed the engine hot test.

spherical surface manufacturing；CNC turning process；valve processing technology

V432-34

A

1672-9374（2016）05-0088-04

2016-01-13；

2016-04-21

徐鴻翔（1989—），男，碩士，研究領域為液體火箭發動機閥門制造及裝配技術