鋁合金閥門殼體交叉孔數控去毛刺的工藝優化與應用

王偉鋒，況 康，李林洮，朱 磊

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 引言

隨著航空航天事業的蓬勃發展，火箭增壓輸送系統的閥門制造任務日益繁重，閥門零件交叉孔相貫線毛刺的去除急需穩定高效的工藝方法保障。目前，運載火箭的增壓輸送閥門系統的主要材料為鋁合金，具有塑性好、延展性強的特點。交叉孔機加工后相貫線形成的毛刺和翻邊需要全部去除，否則毛刺進入燃料的輸送系統，將會造成閥體活門卡滯的質量事故。

目前，國內外去除交叉孔毛刺的工藝方法主要有四種：1）電化學去毛刺；2）電解質去毛刺；3）電火花去毛刺；4）磨粒流去毛刺。電化學去毛刺需要根據零件的幾何特征設計復雜的絕緣防護工裝與工具陰極，并根據加工情況調整電解液配方、電壓與加工時間，工藝流程復雜，加工后形成的廢液也難以處理，環境污染較嚴重［1-3］。電解質去毛刺是在直流高壓的作用下對浸入電解質溶液的金屬工件進行毛刺去除，零件整體浸入電解質溶液，非加工表面需要工裝防護，防護過程較復雜［4-6］。電火花去毛刺需要為每個不同交叉孔制作電極，由于使用過程中存在損耗，電極加工壽命不穩定［7-8］。磨粒流去毛刺作為去毛刺的主流工藝方法，其適用的材料范圍廣泛，毛刺去除效率較高，但不適用于存在止口、銳邊保持和非通路孔等幾何特征的閥門零件交叉孔去毛刺［9-10］。電化學去毛刺、電解質去毛刺和電火花去毛刺三種加工方法需要設計電極或者防護工裝保護，輔助工作量大，且需要另設工序加工，工序集成度不高，降低了零件的流轉效率。主流的磨粒流去毛刺方法應用在閥門殼體的限制條件較多，而且存在引入二次多余物磨粒的風險。由于交叉孔毛刺尺寸隨著切削條件和刀具幾何參數的變化而改變［11］，優化切削加工方法不能完全避免毛刺的產生。

本文為解決鋁合金閥門殼體交叉孔高效穩定去毛刺的工藝難題，采用過孔刀數控加工（Computer Numerical Control， CNC）進行交叉孔毛刺去除的工藝試驗研究，研究了過孔刀去除交叉孔毛刺的加工原理，分析了不同工藝參數對去毛刺加工質量的影響規律，得出了鋁合金交叉孔去毛刺質量最優的工藝參數，并將最優工藝參數應用到閥門殼體交叉孔去毛刺的實物驗證中。

1 工藝試驗

如圖1所示，以鋁合金閥門殼體中常見的Ф3mm／Ф20mm、Ф4mm／Ф20mm 和Ф6mm／Ф20mm交叉孔為試驗對象，進行過孔刀去除交叉孔毛刺的工藝試驗，分析去除交叉孔毛刺的加工原理及工藝參數對交叉孔去毛刺質量的影響。

1.1 試驗材料及設備

試驗材料選用熱處理狀態T6的2A14鋁合金，數控設備為DMU80P加工中心，線性重復定位精度為3μm。試驗的過孔刀具結構如圖2所示，該刀具由中間開槽刀桿與兩處切削塊組成。過孔刀的兩處切削塊的1和2位置存在切削刃，外側3位置沒有切削刃存在。試驗過程中，選用Ф3mm、Ф4mm和Ф6mm的過孔刀，使用HSK63刀柄夾持進行數控加工去除交叉孔相貫線毛刺，現場試驗如圖3所示，待加工的存在交叉孔毛刺的試件如圖4所示。交叉孔毛刺去除試驗完成后，使用VHX-200內窺鏡進行交叉孔相貫線多余物的檢查。

圖2 過孔刀的結構圖Fig.2 Structure of deburring-tool

圖3 試驗加工現場圖Fig.3 Diagram of machining devices

圖4 存在交叉孔毛刺的試件Fig.4 Specimen with cross-hole burr

1.2 加工參數

采用過孔刀去除交叉孔毛刺過程中涉及的加工工藝參數為主軸轉速n（r／min）和進給速度vf（mm／min）。為了研究主軸轉速和進給速度對交叉孔毛刺去除加工質量的影響規律，本次試驗選用的工藝參數如表1所示，進行2因素5水平的試驗，列舉的試驗方案共計25組，試驗方案的工藝參數組合如表2所示。

表1 試驗工藝參數Table 1 Process parameters of experiment

表2 試驗參數組合Table 2 List of process parameters

1.3 試驗方法

通過在去除交叉孔相貫線毛刺過程中對過孔刀在交叉孔不同位置時刀具狀態的分析，開展過孔刀數控去除交叉孔毛刺的加工機理研究，分析刀具對孔徑尺寸及孔壁質量的影響。

對在不同切削參數條件下的交叉孔相貫線毛刺去除質量使用放大倍數為30倍的內窺鏡進行檢查，分析切削參數對加工質量的影響，得出鋁合金交叉孔去毛刺質量最優的工藝參數，進而得出最優加工參數的經驗公式，并將相應的經驗公式進行產品應用。

2 試驗結果與分析

選用2因素5水平試驗參數進行試驗后，對過孔刀去除交叉孔去毛刺的數控加工過程和交叉孔相貫線毛刺去除結果進行分析。

2.1 加工原理

以Ф3mm／Ф20mm交叉孔去毛刺加工過程為例進行切削過程分析，過孔刀從Ф3mm孔進入直到相貫線毛刺去除完成加工過程分為三個階段：1）非切削進入；2）去除交叉孔相貫線毛刺；3）非切削退出，具體加工過程如圖5所示。在圖5（a）中，過孔刀刀桿受孔壁擠壓彈性變形，刀具外圓非切削刃部位接觸孔壁，對孔壁無切削作用，交叉孔去毛刺加工過程中不會對已完成的孔徑尺寸和孔壁質量產生影響。在圖5（b）中，過孔刀張開切削刃，隨著主軸轉動帶動過孔刀切削塊1位置處的切削刃對交叉孔相貫線的毛刺和飛邊進行切削。在圖5（c）中，相貫線加工完成后，隨著刀具向后退出，孔壁對刀桿壓力的增加，刀桿重新閉合退出。經過上述三個加工過程，交叉孔相貫線位置去除毛刺、飛邊等多余物，在相貫線銳邊處穩定高效地形成過渡圓角，如圖5（d）所示。

圖5 過孔刀加工過程Fig.5 Cutting process of deburring-tool

2.2 工藝參數對加工質量的影響

（1）最優加工質量

試驗依次選用 25組工藝參數對Ф3mm／Ф20mm、Ф4mm／Ф20mm 和Ф6mm／Ф20mm 交叉孔進行去毛刺試驗，通過內窺鏡檢查對比各試驗序號的交叉孔毛刺去除加工質量。通過內窺鏡對加工質量的檢查，得出Ф3mm／Ф20mm交叉孔使用25號試驗主軸轉速為 2500r／min、進給速度為450mm／min時加工質量達到工藝要求，內窺鏡檢查無多余物；Ф4mm／Ф20mm交叉孔使用13號試驗主軸轉速為1900r／min、進給速度為350mm／min時加工質量達到工藝要求，內窺鏡檢查無多余物；Ф6mm／Ф20mm交叉孔使用1號試驗主軸轉速為1300r／min、進給速度為250mm／min時加工質量達到工藝要求，內窺鏡檢查無多余物。三類交叉孔相貫線去毛刺的最優加工質量統計如表3所示，在合適的工藝參數下，過孔刀加工交叉孔相貫線形成光滑過渡的圓角，未形成新增多余物。

表3 交叉孔相貫線去毛刺加工質量Table 3 Machining quality of cross-hole deburring

（2）線速度對加工質量的影響

本次試驗中，為研究切削加工線速度對交叉孔相貫線去毛刺的加工質量的影響規律，對過孔刀的刀具線速度vc（m／min）進行計算和分析。刀具加工線速度的計算公式如下

式（1）中，n為主軸轉速， 單位為r／min；D為刀具直徑，單位為mm。由于過孔刀是彈性刀具，切削時刀桿的直徑隨著加工狀態而變化，實際切削過程中的刀具切削直徑等于加工孔徑尺寸，式（1）中使用通孔直徑代替刀具直徑進行加工線速度計算。

通過計算得到1號～25號試驗的刀具加工線速度，如圖6所示。其中，加工質量最優的1號、13號和25號刀具在試驗中的加工線速度分別為24.5m／min、 23.9m／min和 23.6m／min， 交叉孔相貫線形成光滑過渡的R1mm～R1.5mm圓角，無毛刺殘留。

圖6 加工線速度統計圖Fig.6 Statistical chart of cutting speed

試驗過程中，當切削速度小于23.6m／min時，過孔刀切削能力不足，交叉孔相貫線位置未形成連貫的倒圓角，存在部分毛刺未去除，造成了毛刺去除加工質量不滿足工藝要求。當切削速度超過24.5m／min時，較高的切削線速度提高了刀具的切削能力，同時也在相貫線處形成了R2mm以上的圓角，且圓角過渡位置存在過孔刀切削導致的細小毛刺，加工質量也不滿足工藝要求。只有當過孔刀加工線速度在23.6m／min～24.5m／min區域內，使用過孔刀去除交叉孔毛刺的效果良好，交叉孔相關線形成連續過渡圓角，且圓角過渡位置未出現新加工毛刺，加工質量滿足工藝要求。

（3）每轉進給量對加工質量的影響

本次試驗中，為研究每轉進給量對加工質量的影響規律，對刀具每轉進給量f（mm／r）進行計算和分析。刀具每轉進給量的計算公式如下

式（2）中，vf為刀具進給速度，單位為mm／min；n為主軸轉速， 單位為r／min。

通過計算得到1號～25號試驗的刀具每轉進給量，如圖7所示。其中，加工質量最優的1號、13號和25號刀具在試驗中的每轉進給量分別為0.19mm／r、 0.18mm／r和 0.18mm／r， 交叉孔相貫線形成光滑過渡的圓角，圓角表面光滑平整，無毛刺殘留。

試驗過程中，當刀具每轉進給量小于0.18mm／r時，隨著每轉進給量下降導致切削刃停留在相貫線位置，切削時間延長，已形成的過渡圓角表面被切削刃多次重復加工，表面刀紋累積，表面質量下降。當刀具每轉進給量在0.18mm／r～0.19mm／r時，切削刃旋轉形成螺旋線間距合適，過渡圓角表面既沒有被多次重復切，又滿足相貫線毛刺完全去除的加工要求。當刀具每轉進給量大于0.19mm／r時，隨著每轉進給量上升，切削刃螺旋線間距增大，相貫線位置逐漸不能形成完整的過度圓角，相貫線位置出現毛刺殘留。

圖7 每轉進給量統計圖Fig.7 Statistical chart of feed rate

2.3 分析小結

通過刀具加工線速度和每轉進給量對交叉孔去毛刺加工質量影響規律進行分析，得出使用過孔刀加工鋁合金材料交叉孔的最優工藝參數為：刀具加工線速度在23.6m／min～24.5m／min，每轉進給量在 0.18mm／r～0.19mm／r。

將上述參數轉化為主軸轉速n（r／min）和進給速度vf（mm／min）， 經驗公式如下

式（3）和式（4）中，v0的取值范圍為 23.6m／min～24.5m／min；f0的取值范圍為0.18mm／r～0.19mm／r；D為刀具直徑，單位為mm。

2.4 產品驗證

使用式（3）和式（4）計算常用規格過孔刀加工交叉孔毛刺的最優加工參數，選用切削線速度v0為24.5m／min，每轉進給量f0為0.185mm／r，計算得出的最優主軸轉速和進給速度如表4所示。

選用XX-100減壓器殼體為產品驗證對象，該殼體存在4處交叉孔。如圖8（a）所示，A位置為Ф7mm／Ф18mm，B和C位置為Ф10mm／Ф28mm，D位置為Ф10mm／Ф16mm。驗證時，分別使用Ф7mm和Ф10mm過孔刀進行殼體產品交叉孔去毛刺。使用表4中的加工參數進行加工后的交叉孔去毛刺質量如圖8（b）所示，交叉孔相貫線無毛刺存在，形成了光滑過渡的圓角，加工質量滿足工藝要求。

表4 最優加工參數Table 4 Optimized deburring parameters

圖8 XX-100殼體交叉孔加工質量Fig.8 Deburring quality of cross-hole in XX-100 valve shell

3 結論

通過上述工藝試驗研究及產品驗證，得出使用過孔刀數控加工去除鋁合金殼體交叉孔毛刺的工藝方法是一種加工質量穩定、不需要輔助工裝的高效加工方法。該加工方法能在交叉孔相貫線位置形成光滑過渡圓角，有效地去除交叉孔毛刺、飛邊等多余物，加工過程中過孔刀不會對孔徑尺寸及孔壁表面質量產生影響。該工藝方法的局限性是交叉孔相貫線位置空間足夠容納刀具前端切削塊，否則刀具前端彈性部分無法展開進行毛刺去除。目前，該方法不適合Ф3mm以下交叉孔毛刺的去除。

本文研究得出的最優加工參數是：加工線速度在 23.6m／min～24.5m／min， 每轉進給量在0.18mm／r～0.19mm／r。 此時， 毛刺去除的加工質量最佳，交叉孔相貫線位置使用放大30倍的內窺鏡進行檢查，加工質量滿足無多余物的工藝要求。將該方法應用到航天型號鋁合金閥門產品中，實現了鋁合金交叉孔毛刺穩定高效的去除，提高了鋁合金閥門交叉孔去毛刺的工藝保證能力。