高壓水射流機(jī)床的應(yīng)用研究

□ 劉軍偉 □ 丁 巍

中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 西安 710077

1 研究背景

筆者所在企業(yè)是我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制和部分飛機(jī)液壓裝置的研制與生產(chǎn)基地，60年來(lái)，為國(guó)家研制和生產(chǎn)了幾十種燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及自動(dòng)控制裝置,承擔(dān)著高新工程發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)的研制任務(wù)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制器產(chǎn)品中,殼體類零件是整個(gè)產(chǎn)品裝配的基礎(chǔ)性零件。從某種意義上而言,殼體類零件雖然只是一個(gè)零部件,但是卻能決定整個(gè)產(chǎn)品的安全性、可靠性和持久性。

某殼體類零件內(nèi)部油路系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可以看出,殼體類零件外部幾何形狀復(fù)雜，內(nèi)部型腔繁多，油路孔縱橫交錯(cuò)。零件從鑄件毛坯到成品,要經(jīng)過(guò)多次銑削、研磨、電火花加工，零件內(nèi)部型腔和油路孔內(nèi)會(huì)殘留難以去除的鋁屑、毛刺、油污等。對(duì)此，筆者研究高壓水射流機(jī)床的應(yīng)用。

2 毛刺分析

毛刺是金屬切削加工的必然產(chǎn)物,也是金屬切削理論研究領(lǐng)域中迄今為止尚未完全解決的兩大難題之一[1]。毛刺的存在不僅影響零件后續(xù)裝夾,而且會(huì)降低產(chǎn)品的整體裝配質(zhì)量。隨著精密復(fù)雜的殼體日益增多,受加工零件外形尺寸、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和毛刺位置的影響[2-3],去毛刺的難度越來(lái)越大。由于毛刺的形成和刀具選用、刀具參數(shù)、切削參數(shù)、工藝方案等密切相關(guān)[4],因此零件毛刺所展現(xiàn)的形式也多種多樣[5-6]。針對(duì)不同的毛刺,去毛刺的方法和所使用的刀具及檢查方法也各不相同。筆者以孔口倒角處的毛刺和油路孔相交處的毛刺為例進(jìn)行研究。

▲圖1 殼體類零件內(nèi)部油路系統(tǒng)

孔口倒角處毛刺如圖2所示，用刮刀去除孔口倒角處毛刺如圖3所示。工人在使用刮刀去除孔口倒角處毛刺時(shí),不能一次操作就去除整個(gè)圓周上的毛刺,需要將零件翻轉(zhuǎn)180°，兩次操作去除整個(gè)圓周上的毛刺，由此，造成倒角和孔的連接線在單個(gè)零件上不均勻。當(dāng)整批零件由若干位工人分別去除毛刺時(shí),不同工人操作形成的倒角和孔的連接線均不一致。

▲圖2 孔口倒角處毛刺▲圖3 刮刀去除孔口倒角處毛刺

油路孔相交處毛刺如圖4所示，采用鉆頭捅毛刺如圖5所示。油路孔相交處毛刺的去除流程為:先用比孔徑稍小的鉆頭反復(fù)捅相交的兩孔,再用內(nèi)孔研磨刷反復(fù)去除兩孔相交處毛刺,最后用壓縮空氣反復(fù)吹除脫落的毛刺。油路孔相交處毛刺的去除流程復(fù)雜,毛刺是否被捅掉不易觀察。雖然制訂了詳細(xì)的去毛刺方法和流程,但是因?yàn)槿ッ坦ぷ魅繛槭止げ僮?去毛刺的質(zhì)量與工人的技術(shù)水平、熟練程度密切相關(guān),操作困難且極易損傷已加工孔系,所以效率極低。同時(shí),由于殼體類零件的油路孔系繁多,在實(shí)際操作過(guò)程中很容易發(fā)生漏加工現(xiàn)象。

3 高壓水射流技術(shù)概述

高壓水射流以水為能量載體,通過(guò)液體增壓裝置將電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為水的動(dòng)能[7-8]。高壓水從特殊的1～2 mm小孔徑噴頭中噴射出去,形成高速射流強(qiáng)烈地沖擊到零件上。零件表面存在的附著物和微小毛刺在高壓水連續(xù)不斷的噴射沖擊下脫落,從而達(dá)到清洗和去除微小毛刺的目的[9]。1972年,第一臺(tái)高壓水射流設(shè)備由Alton Boxboard制造完成,開創(chuàng)了制造業(yè)加工工具的新紀(jì)元[10]。隨后,高壓水射流技術(shù)作為一項(xiàng)新工藝、新技術(shù)，被應(yīng)用于金礦開采、木材切割等領(lǐng)域。近年來(lái),隨著高壓水射流技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,各個(gè)研究機(jī)構(gòu)通過(guò)大量試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用,提出了關(guān)于高壓水射流技術(shù)的新理論,推出了一些新設(shè)備。特別是加工中心式高壓水射流機(jī)床,可以通過(guò)數(shù)控操作系統(tǒng)編程,對(duì)不同噴頭進(jìn)行自動(dòng)換刀，并可以控制噴頭位置,極大提高了高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用效率[11]。

▲圖4 油路孔相交處毛刺▲圖5 鉆頭捅毛刺

4 數(shù)控高壓水射流機(jī)床應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 機(jī)床功能

某型號(hào)數(shù)控高壓水射流機(jī)床采用發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng),由X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸實(shí)現(xiàn)五軸三聯(lián)動(dòng)。工作臺(tái)繞A軸可實(shí)現(xiàn)360°任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)，最高出口壓力為50 MPa,可通過(guò)編程進(jìn)行調(diào)整。機(jī)床設(shè)置回水、出水等共三級(jí)過(guò)濾系統(tǒng),最終過(guò)濾精度可達(dá)5 μm。通過(guò)不同的功能組合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件六個(gè)面和面上孔系進(jìn)行沖洗。

4.2 試驗(yàn)

數(shù)控高壓水射流機(jī)床通過(guò)噴頭射出流束，以噴頭中心線為中心,呈對(duì)稱發(fā)散分布[12]。隨著流束離開噴頭越來(lái)越遠(yuǎn),流束的打擊力和速度都大幅下降,并逐漸霧化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)噴頭固定在一個(gè)位置時(shí),流束離開噴頭的距離，即打擊距離，和流束的打擊效果成反比,流束的出口壓力、打擊時(shí)間和打擊效果成正比。若出口壓力過(guò)小,打擊距離過(guò)遠(yuǎn),打擊時(shí)間過(guò)短，則可能無(wú)法清除毛刺和鋁屑。若出口壓力過(guò)大,打擊距離過(guò)近,打擊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能會(huì)對(duì)零件造成損傷。可見，出口壓力、打擊距離和打擊時(shí)間是影響打擊效果的關(guān)鍵試驗(yàn)要素[13-15]。為了對(duì)出口壓力、打擊距離和打擊時(shí)間進(jìn)行合適匹配,進(jìn)行高壓水射流去除毛刺、鋁屑試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見表1。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),出口壓力是影響高壓水射流去除毛刺、鋁屑效果的最主要因素,打擊距離次之,停留時(shí)間影響最小。為了達(dá)到清除毛刺和鋁屑且不損傷零件的目的,兼顧生產(chǎn)效率,高壓水射流機(jī)床的出口壓力應(yīng)控制為30 MPa～40 MPa,在一個(gè)點(diǎn)上停留的時(shí)間應(yīng)不長(zhǎng)于2 s,噴頭距零件表面的打擊距離應(yīng)為10～20 mm。

表1 高壓水射流去除毛刺、鋁屑試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果

4.3 效果驗(yàn)證

采用數(shù)控高壓水射流機(jī)床對(duì)機(jī)械加工后殼體類零件典型部位的毛刺和油路孔內(nèi)的鋁屑進(jìn)行清除[16-17]。對(duì)于平面和孔相交處的翻邊毛刺、油路孔相交處的毛刺,去除前后效果對(duì)比見表2。對(duì)于油路孔內(nèi)堆積的鋁屑，去除前后效果對(duì)比見表3。

表2 毛刺去除前后效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)高壓水射流機(jī)床的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)控高壓水射流機(jī)床去除殼體類零件中毛刺、鋁屑試驗(yàn)確認(rèn),相比傳統(tǒng)去除毛刺、鋁屑的方法,采用數(shù)控高壓水射流機(jī)床去除毛刺、鋁屑有以下顯著優(yōu)點(diǎn):

表3 油路孔內(nèi)堆積鋁屑去除前后效果對(duì)比

(1) 特別適合清除油路孔相交處的毛刺和油路孔內(nèi)堆積的鋁屑;

(2) 根據(jù)零件形狀進(jìn)行編程,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定點(diǎn)清除和自動(dòng)化控制,確保所有零件的清除效果一致,不發(fā)生遺漏，且效率比傳統(tǒng)去毛刺、鋁屑的方法高5～10倍;

(3) 使用水作為介質(zhì),可以循環(huán)利用,環(huán)保，并且無(wú)污染。

通過(guò)研究可知，高壓水射流機(jī)床具有較高的應(yīng)用價(jià)值。