復合舵機本體精密加工技術

鄭自澤，吳輝劍，袁 超，阮東海，朱力敏，王利峰

（上海航天控制技術研究所，上海201109）

0 引言

復合舵機是控制系統中重要的執行部件，在航空航天等領域有著廣泛的應用。復合舵機本體是控制艙復合舵機的核心零件，是過濾器、活塞和殼體組件等零組件的 “裝配母體”。在控制艙中，本體主要起支撐各控制元件和氣流引導作用，并通過四個安裝角與控制艙體連接。本體的重要作用決定了其精度要求高，且其結構復雜不規則，導致加工難度大，已成為影響控制艙復合舵機產品研制和生產進度的瓶頸零件。

當前行業中該類型零件以車削加工為主，存在工藝流程冗長、工序繁多、人工裝夾次數多、數控化程度較低等一系列問題，嚴重制約了零件生產效率。研究人員對該類型難加工典型零件工藝方法的研究重點集中在數控加工領域，主要采用數控精密銑削或數控精密車削的加工方法［1-4］。該加工方法在提高加工效率的同時又能有效保證尺寸形位精度要求，但對表面粗糙度要求極高的零件效果不佳。本文通過分析復合舵機本體結構特點及加工難點，制定合理的工藝流程并設計所需裝夾工裝，通過試驗驗證了該工藝流程的合理性與可行性，并重點介紹了本體精度保證方法及精密加工技術。

1 復合舵機本體結構特點和加工難點

1.1 結構特點

圖1 復合舵機本體結構Fig.1 Structure of compound steering gear body

1.2 加工難點

復合舵機本體材料為ZG0Cr17Ni4Cu4Nb，硬度為HRC32～HRC36，是一種具有高強度和良好韌性的沉淀硬化型不銹鋼，在冷加工過程中具有很高的形變阻力和很差的加工性能［5-6］。本體毛坯為鑄造毛坯，受鑄造工藝制約，復雜的外型面精度低，給加工定位帶來較大難度。鑄造毛坯殘留應力大，加工過程易造成零件變形，這對加工過程尺寸精度和高形位公差精度的保證造成很大困難。

本體活塞孔具有極高的形位精度要求和表面粗糙度等級要求，需要通過精密研磨保證，且要求在內窺鏡下觀察孔壁無可見劃痕，這對于研磨加工是一個重大挑戰。研磨膏的選擇是關鍵，給操作人員的技能水平提了很高的要求。

2 工藝流程設計

復合舵機本體加工分為三個階段，即粗加工階段、半精加工階段和精加工階段。由于鑄造毛坯殘余應力大，為保證殘余應力能夠充分釋放，在半精加工和精加工前應分別加入去應力時效和正負溫穩定化處理，避免加工過程應力釋放導致零件變形。

零件定位基準的選擇應盡可能遵循基準重合原則，以設計基準作為定位精基準，并盡可能一次裝夾定位設計基準來加工盡量多的零件表面［7］。采用基準統一，以同一精基準安裝后加工，避免因基準轉換產生誤差，易于保證位置精度［8］。根據設計基準，精密銑削和精密車削統一選擇殼體組件安裝孔為基準孔，其端面為基準面，采用一面兩銷定位，工藝流程安排應先加工基準，后加工其他特征。

結合數字化車間建設目標，工藝流程應緊扣數控化主線，盡可能使工序集中，采用數控銑削加工為主、數控車削加工為輔的加工方法，既保證加工質量又要著眼于加工效率的提高。本體的粗加工、半精加工階段主要在五軸數控銑加工中心上進行銑削加工，對于高精度要求的孔系，在精加工階段通過數控精密車削和精密研磨相結合的方法，確?？紫堤卣鞯某叽缧挝痪纫?。根據以上分析，制定如圖2所示加工工藝流程。

圖2 本體加工工藝流程Fig.2 Technological process of the body

3 裝夾工裝設計

根據上述定位基準的選擇，設計的本體精加工裝夾工裝如圖3所示。一個主定位銷與本體基準孔配合，一側基準面貼緊，另一側基準面通過壓板壓緊。同時，翼軸安裝孔起角向定位作用，與角向定位銷配合構成一面兩銷定位，定位銷安裝在底盤（底座）上。圖3（a）為精車活塞孔系及翼軸孔系所需的車工裝，底盤通過花盤安裝在精密數控車床上，底盤上有多組定位銷孔，用于不同孔系特征的加工；圖3（b）為精銑舵軸孔系及加工腰部槽和孔所需銑工裝，兩種工裝保持基準統一。

圖3 本體工裝Fig.3 Camping tools of the body

4 工藝驗證

根據上述工藝流程，進行本體試驗件機械加工驗證，其加工工藝主要包含銑削加工、車削加工和研磨加工。銑削加工貫穿本體加工工藝過程的粗加工、半精加工和精加工階段，除進行鑄造毛坯粗加工之外，還需完成精加工階段定位基準、高精度孔系基孔和其他孔系的精密銑削加工；車削加工完成活塞孔系等高精度孔的精密車削加工；研磨加工能使活塞孔達到最高表面粗糙度等級。本文主要針對定位基準的精密銑削、活塞孔精密車削及精密研磨方法進行闡述。

4.1 定位基準精密銑削

（1）定位基準精度要求

為保證精加工階段的加工精度，基準孔與基準面應具有較高的尺寸形位精度，如圖4所示?；鶞士椎目讖焦顬?.01mm，圓柱度不超過0.008mm，基準孔與基準面的垂直度不超過Φ0.02mm，兩基準面的平行度不超過0.01mm。

圖4 定位基準精度要求Fig.4 Accuracy requirements of locating datum

（2）定位基準精密銑削方法

定位基準在半精加工階段由五軸數控銑加工中心進行加工，如圖5（a）所示，使用Lang夾具夾緊本體腰部（腰部在粗銑時銑平光出）。由于存在裝夾誤差導致零件偏移，夾緊后采用探頭自動找正?？紤]三圓柱面在粗加工時中間區域開孔，面積狹小，探頭難以在三圓柱面上直接打點找正。如圖5（b）所示，本文采用一塊等高墊塊通過三個吸鐵石貼緊本體三圓柱面，探頭在等高墊塊上打3個點來計算三圓柱面位置及偏移量，最后通過機床五軸自動修正來保證零件加工的定位精度。

本體基準孔對稱線上分布有多個交叉孔，如圖5（a）所示。交叉孔的加工順序直接影響基準孔的加工精度，其有兩種加工方案：方案一先鉆交叉孔后精鏜基準孔，該方案在鏜孔時鏜刀在交叉孔孔口位置會產生碰刀，刀具磨損嚴重，導致基準孔兩端大中間小，圓柱度易超差，影響定位精度；方案二先精鏜基準孔后再鉆交叉孔，該方案加工的基準孔形位精度良好，但交叉孔孔口位置產生毛刺外翻且難以去除干凈，對后續定位造成影響。

綜合兩種方案的不足，本文在方案二基礎上進行優化，采用先鏜基準孔后鉆各交叉孔的加工方法。同時配備兩把鏜刀，一把負責基準孔的精鏜，另一把在鉆交叉孔后再鏜基準孔，但不做余量切除，只負責去毛刺，兩把鏜刀不混用。根據優化后的加工方案進行試驗件的加工，任選3件測量其基準的形位精度。如表1所示，各形位精度均符合工藝要求。

表1 定位基準形位精度測量值Table 1 Measurement value of shape and position accuracy of locating datum

4.2 活塞孔精密車削

（1）活塞孔精密車削精度要求

精密車削主要加工翼軸孔系和活塞孔系，活塞孔精密車削為活塞孔研磨的前道工序，其加工質量的好壞直接影響研磨加工的最終質量，因此對活塞孔精密車削精度要求較高。圖6為活塞孔精密車削的精度要求，其分左右兩段，加工孔徑為，公差為 0.01mm，兩端同軸度為Φ0.002mm，圓柱度為 0.003mm，表面粗糙度為 Ra0.4μm。

圖6 活塞孔精度要求Fig.6 Accuracy requirements of piston hole

（2）活塞孔精密車削方法及參數選擇

活塞孔精密車削設備為高精密數控車床，為滿足左右兩段活塞孔同軸度要求，采用加長桿鏜刀一刀落加工完成。由于活塞孔表面粗糙度要求較高，為保證后續研磨的加工質量，活塞孔分兩步加工，先粗鏜，再留0.05mm余量精鏜，精鏜分兩次走刀。為獲得良好的表面粗糙度，精鏜切削參數選用較高的主軸轉速和較小的進給量，主軸轉速選擇500r／min，進給量選擇0.03mm／r。圖7為精車加工實物圖，任選3件加工后試驗件測量其精度。如表2所示，各測量精度均符合工藝要求。

圖7 車削加工實物圖Fig.7 Physical drawing of turning process

表2 精密車削精度測量值Table 2 Accuracy measurement value of precision turning

4.3 活塞孔精密研磨

研磨是精密和超精密零件精加工的主要方法之一，是磨具通過磨料作用于零件表面進行微量加工，使零件獲得極高的幾何形狀精度以及最高的表面粗糙度等級［9］。本體活塞孔表面粗糙度要求不大于Ra0.1μm，且內窺鏡觀察應無劃痕，僅靠精密車削無法實現，需要精密研磨的保證。

對于精密研磨加工，研磨膏的選擇至關重要。由于本體零件硬度較低，外購氧化鋁研磨膏直接與孔壁作用易產生劃痕，研磨效果不佳。為提高研磨效果，選用M10氧化鋁研磨膏，另加油酸、硬脂酸等材料按比例配置研磨膏，配方如表3所示。油酸等酸性材料具有腐蝕性，在研磨過程中會對孔壁產生微腐蝕，配合研磨加工起到拋光作用，減少劃痕的產生。對兩種研磨膏研磨效果進行對比，使用內窺鏡進行觀察，圖8（a）為外購的氧化鋁研磨膏研磨活塞孔效果，可見明顯的交叉劃痕；圖8（b）為配置的研磨膏研磨活塞孔效果，孔壁光滑無明顯劃痕。由此可見，配置的研磨膏效果明顯優于外購的研磨膏。檢測的表面粗糙度在Ra0.05μm以下，遠低于表面粗糙度要求的 Ra0.1μm。

表3 研磨膏配方Table 3 Formula of abrasive paste

圖8 研磨后活塞孔內窺鏡觀察結果Fig.8 Result of endoscopic observation for pistion hole after lapping

5 結論

本文所設計的工藝流程是基于數控加工并結合手工研磨方法，在縮短工藝流程、提高生產效率的同時有效保證了本體的高精度要求。工藝驗證表明，復合舵機本體的工藝流程具有合理性與可行性。針對基準孔上多交叉孔的特點，采用雙鏜刀切削的方法能夠在保證基準孔形位精度的同時有效去除交叉孔處毛刺，避免了毛刺對定位精度的影響。對于表面質量要求高的本體活塞孔，給出了精密研磨的研磨膏配方，通過自配研磨膏與外購研磨膏的效果對比，表明自配研磨膏適合本體活塞孔精密研磨，研磨膏配方合理有效。