磨粒流技術(shù)在航天零件相貫孔去毛刺中的應(yīng)用

北京控制工程研究所 (100190) 陳 曦 劉 軍

1.毛刺的產(chǎn)生及危害

毛刺是工件在切削力作用下產(chǎn)生晶粒剪切滑移、塑性變形，使材料被擠壓、撕裂，導(dǎo)致零件表面或交接處出現(xiàn)的多余材料。如圖1所示，塑性變形區(qū)(剪切區(qū))未深入切削表面時(shí) (見圖1a)，工件表面就不會(huì)產(chǎn)生毛刺，反之則會(huì)產(chǎn)生毛刺 (見圖1b)。

機(jī)械零件在加工制造過程中產(chǎn)生的毛刺，對(duì)零件的加工精度、裝配精度、使用要求、再加工定位、操作安全和外觀質(zhì)量等許多方面都會(huì)產(chǎn)生不良影響。近年來，隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)零件精度等方面的要求越來越高，對(duì)去毛刺工藝的要求也越來越高，使去毛刺技術(shù)得到了普遍重視，去毛刺工藝也得到了迅速的發(fā)展，已從簡(jiǎn)單的手工作業(yè)向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

圖1 工件在切削力作用下產(chǎn)生毛刺示意圖

目前航天領(lǐng)域仍大量使用手工方法去除毛刺，對(duì)于零件表面的可見邊緣毛刺，主要通過鉗工使用刮刀、銼刀、電動(dòng)打磨機(jī)、油石及砂紙等機(jī)械式方法手工去除毛刺;對(duì)于肉眼不可見的毛刺，則主要由操作者在顯微鏡下采用類似方法手工去除。手工去除毛刺的方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且去毛刺的質(zhì)量受具體操作人員的影響較大，難以穩(wěn)定地控制。

航天推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品中有大量的閥體、管路聯(lián)接件及過濾器骨架等零件，其結(jié)構(gòu)中有很多相貫孔，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相貫孔的尺寸很小，工具難以深入，這就導(dǎo)致相貫孔處的毛刺使用常規(guī)手工去毛刺的方法很難去除。這類零件中有很多為流體通道，對(duì)零件表面質(zhì)量要求較高，一旦出現(xiàn)毛刺，可能導(dǎo)致通道堵塞，進(jìn)而影響零組件乃至單擊產(chǎn)品的工作性能，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重后果。

2.磨粒流技術(shù)的研究現(xiàn)狀

擠壓研磨去毛刺是一種比較新的技術(shù)，是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、可控性好的去毛刺方法，也稱為磨料流動(dòng)加工 (AFM)，簡(jiǎn)稱磨粒流。其原理是采用一種含磨粒的流動(dòng)狀態(tài)的粘性磨料，放置在一個(gè)磨料室中，兩端各有一個(gè)氣缸，使磨料來回通過被加工表面，在磨料流動(dòng)受到限制的部位產(chǎn)生擠壓磨削作用，從而將毛刺去除。

磨粒流加工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、汽車及模具等制造業(yè)中關(guān)鍵零件的去毛刺、拋光及倒圓等，磨粒流介質(zhì)的柔軟性和流動(dòng)性，使其易與任何形狀的加工表面吻合，去毛刺效果較好，切削量很小，適合于內(nèi)部的、手工難以接觸的深孔及復(fù)雜型面的表面光整加工，對(duì)于以深孔相貫孔為代表的推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品，即可采用磨粒流技術(shù)去除毛刺。

3.產(chǎn)品簡(jiǎn)介

圖2 銜鐵組件裝配圖

流量控制電磁閥是航天推進(jìn)系統(tǒng)中的典型單機(jī)產(chǎn)品，作為開關(guān)活動(dòng)部件，要求其不能產(chǎn)生任何自污染。如圖2所示的銜鐵組件為該單機(jī)中的重要組件，擋板組件作為該組件中最重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一個(gè)φ1 mm孔與另外兩個(gè)φ1 mm十字交叉孔相貫，行成5通孔。由于工藝要求，5通孔在粗加工階段由鉗工完成加工。該5通孔部位作為閥門的流體通道，一旦殘留毛刺，極可能成為多余物進(jìn)入通道中，從而影響零組件乃至單機(jī)產(chǎn)品的工作性能，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重后果。故要求5通孔通道內(nèi)壁光滑，嚴(yán)格控制毛刺的產(chǎn)生。5通孔孔徑小，孔深長(zhǎng)，工具難以深入，手工方法對(duì)孔交叉處的毛刺難以去除，鑒于磨粒流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與適用性，選用磨粒流技術(shù)去除毛刺。

4.工藝流程分析

擋板組件采取如下的加工工藝流程:復(fù)驗(yàn)材料→粗車→加工5通孔→磨粒流去除5通孔通道內(nèi)毛刺→精車→裝配去除外部微小毛刺→半成品檢驗(yàn)。

5通孔加工工序在粗車與精車之間進(jìn)行，加工完成后隨即進(jìn)行磨粒流工序去除孔內(nèi)毛刺。粗車加工后的零件如圖3所示，即需要對(duì)該零件的5通孔進(jìn)行磨粒流加工。

圖3 擋板組件粗車圖

5.磨粒流加工方法

(1)加工設(shè)備。擋板組件的5通孔磨粒流加工采用EXTRUDE HONE 77－C擠壓研磨機(jī)床進(jìn)行，該設(shè)備由液壓系統(tǒng)控制，磨料缸直徑為82 mm，容積1491 cm3。

(2)磨料流動(dòng)通道設(shè)計(jì)。由于磨粒流加工中磨料往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，需設(shè)計(jì)工裝與工件共同形成一個(gè)磨料的流通通道，從而使磨料在通道中流動(dòng)，在工件上限制磨料流動(dòng)的孔徑部位產(chǎn)生磨削作用。

設(shè)計(jì)的工裝如圖4所示，由上蓋、中段、下座以及尼龍頂芯和尼龍底座組成。上蓋、中段、下座組成一個(gè)外部密封空間，保證磨料在空間中流動(dòng)，選用45鋼材料制作以保證工裝具有較好的抗磨性能。經(jīng)試驗(yàn)，在較小的通道孔徑經(jīng)多次磨削條件下，尼龍材料相比金屬材料的通道孔徑變形更小，可以增加工裝使用壽命，故采用尼龍材料制作頂芯和底座固定零件，同時(shí)保護(hù)零件已加工的零件表面不被磨料破壞，并與外部金屬工裝共同形成磨料工作的流通通道，完成磨粒流加工過程。流動(dòng)通道如圖5所示。

圖4 工裝設(shè)計(jì)圖

圖5 磨料流動(dòng)通道示意圖

(3)磨料型號(hào)及工作循環(huán)次數(shù)的選用。擠壓研磨機(jī)配有兩種常規(guī)磨料，型號(hào)分別為120#細(xì)砂磨料和70#粗砂磨料，圖6為兩種磨料在顯微鏡下觀測(cè)到的磨粒對(duì)比圖，圖中較亮的部分為磨粒，較暗的部分為磨料介質(zhì)。可以看出細(xì)砂磨料中磨粒較小，粗砂磨料中磨粒較大。同時(shí)，細(xì)砂磨料的粘度較低，粗砂磨料的粘度較高。從圖7磨料粘度對(duì)材料去除率的影響中可以看出，隨著磨料粘度的提高，材料去除率逐漸增大，對(duì)于毛刺的去除效果也會(huì)隨之增強(qiáng)。但同時(shí)，較高粘度的磨料流動(dòng)性差，不容易從細(xì)小孔擠出，有可能造成孔的堵塞或破壞。另外在選用相同磨料型號(hào)工作的情況下，不同的工作循環(huán)次數(shù)，即磨料在流動(dòng)通道中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，也將對(duì)毛刺去除效果產(chǎn)生直接影響。因此，通過試驗(yàn)進(jìn)行磨料型號(hào)及工作循環(huán)次數(shù)的的選用。

圖6 120#細(xì)砂與70#粗砂磨粒對(duì)比 (左為120#細(xì)砂)

圖7 磨料粘度對(duì)材料去除率的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)為5，分別用120#細(xì)砂和70#粗砂進(jìn)行試驗(yàn)，磨削后的孔口加工效果如圖8所示，發(fā)現(xiàn)70#粗砂無法正常完成工作循環(huán)。由于磨料粘性太大導(dǎo)致其在小孔中流動(dòng)時(shí)發(fā)生了堵塞，且磨削后的孔徑發(fā)生嚴(yán)重的不規(guī)則變化。120#細(xì)砂加工效果尚可，但測(cè)量發(fā)現(xiàn)孔徑變大0.3 mm，材料去除量稍大。進(jìn)而選用120#細(xì)砂，將工作循環(huán)次數(shù)減少為3，得到了較好的加工效果，孔徑變化控制在0.2 mm以內(nèi)。最終選定磨料型號(hào)為120#細(xì)砂，工作循環(huán)次數(shù)為3。

6.應(yīng)用效果

按照設(shè)計(jì)的磨粒流工藝方法完成流量控制電磁閥擋板組件5通孔磨粒流去毛刺的批次加工，加工出的產(chǎn)品尺寸和表面狀態(tài)均滿足設(shè)計(jì)要求，相貫孔交叉部分由尖角變?yōu)閳A滑過度，毛刺得到去除，杜絕了因相貫孔毛刺帶來的隱患，同時(shí)表面質(zhì)量得到極大改善，表面粗糙度值由Ra=3.2 μm減小到0.4 μm，加工前后的擋板組件相貫孔表面質(zhì)量改善效果如圖9所示。

圖8 孔口加工效果示意圖

圖9 擋板組件相貫孔表面質(zhì)量改善效果

7.其他推廣應(yīng)用

目前，磨粒流去毛刺技術(shù)已經(jīng)在航天推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品中得到廣泛的推廣應(yīng)用，對(duì)于以自鎖閥閥桿為代表的十字交叉孔類型零件，以及液體過濾器骨架為代表的均布多孔類型零件，磨粒流技術(shù)均取得了較好的應(yīng)用效果。

(1)十字交叉孔類型零件的磨粒流去毛刺應(yīng)用情況。自鎖閥閥桿加工有一個(gè)長(zhǎng)55.5 mm的φ2.2 mm深長(zhǎng)孔與φ2 mm十字交叉孔相交，形成5通，解剖如圖10所示。深長(zhǎng)孔靠車床采用“啄鉆”方式鉆孔完成，容易在孔內(nèi)側(cè)壁產(chǎn)生刀瘤，導(dǎo)致表面粗糙度值高，十字交叉相貫孔毛刺手工去除難度極大，效率低，并且往往很難將毛刺去除干凈，對(duì)產(chǎn)品的可靠性帶來隱患，采用磨粒流技術(shù)進(jìn)行去毛刺工作。根據(jù)擠壓研磨機(jī)床特點(diǎn)和零件形狀設(shè)計(jì)、加工完成如圖11所示的閥桿磨粒流工裝，最終毛刺去除效果如圖12所示。

圖10 閥桿剖切圖

圖11 閥桿磨粒流工裝

圖12 閥桿磨粒流去毛刺效果

(2)均布多孔類型零件的磨粒流去毛刺應(yīng)用情況。液體過濾器骨架加工有多排小孔，自上而下均布排列，孔與孔之間存在高度差，由于磨料在加工過程中的壓力變化，導(dǎo)致一次磨粒流加工的小孔存在上下排小孔毛刺去除效果不均勻的現(xiàn)象。通過分析加工原理，總結(jié)規(guī)律，最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行兩次磨粒流工步，第二次將零件進(jìn)行180°上下倒置加工，實(shí)現(xiàn)了毛刺均勻去除的效果，骨架零件及磨粒流工裝如圖13所示。

圖13 過濾器骨架磨粒流工裝

8.結(jié)語

磨粒流技術(shù)對(duì)于航天推進(jìn)系統(tǒng)中手工方法較難去除的相貫孔毛刺具有較好的適應(yīng)性，在已經(jīng)完成的多種類多批次零件去毛刺加工中均取得了理想的應(yīng)用效果，與手工相比去除效率可以提高75%以上，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了加工效率，同時(shí)零件的表面質(zhì)量與可靠性均得到大幅度提高。

針對(duì)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，磨粒流技術(shù)在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用仍存在以下改進(jìn)方向:

(1)設(shè)計(jì)工裝同時(shí)加工多個(gè)零件，提高加工效率。

(2)改進(jìn)工裝，在磨料進(jìn)出口流通部位均采用尼龍工裝，提高工裝抗磨性能，延長(zhǎng)工裝使用壽命。

(3)采用新型磨粒流設(shè)備，增大磨料缸容量，進(jìn)一步推廣加工技術(shù)。