火箭發動機噴管車床夾具設計與應用

2023-03-16 09:04:04何凡鋒畢凱馮憲冬丁浩

金屬加工(冷加工) 2023年3期

何凡鋒，畢凱，馮憲冬，丁浩

首都航天機械有限公司北京 100076

1 序言

大推力補燃氫氧發動機是我國目前正在研制的大型火箭發動機[1-5]，其研制過程需要解決諸多關鍵技術問題。其中，發動機噴管上段的車削加工技術問題便是其中之一。需要考慮三個方面的問題：第一，零件的材料是高溫合金，切削受力大，需要足夠的夾緊力；第二，零件成喇叭狀，入口小，出口大，加工時，零件處于倒置狀態，重心不穩，需要提供穩定支承；第三，零件直徑2.5m、高2.2m，尺寸大，側壁薄，剛性不足，需要防止切削振動。解決這些問題的關鍵在于確定合理的裝夾定位方式。因此，普通裝夾方式難以滿足加工要求，必須設計專用車床夾具。

2 零件工藝分析

在本工序加工之前，噴管上段的集合器、法蘭、加強筋等相關部件已經焊接成形。由于零件尺寸大，壁厚較薄，存在較大變形，因此被加工端面留5mm加工余量。本工序的加工內容是出口端面的精密車削加工，具體加工尺寸要求如圖1所示。加工時，零件固定于專用夾具正中，呈出口朝上垂直裝夾狀態。

圖1 加工尺寸要求

（1）加工要求出口端面車削加工保證凸緣厚度10mm，表面粗糙度值Ra＝3.2μm，垂直度0.3mm。凸緣的厚度、表面粗糙度加工難度不大，容易保證，而垂直度則需要定位裝置來保證。

（2）定位形式薄壁回轉體零件一般以內型面為定位基準，并且設計成脹胎結構[6-8]。由于噴管上段屬于薄壁回轉體零件，因此噴管上段也以內型面為定位基準。但是，傳統的定位形式都是用在零件尺寸不大、水平放置且支承方便的場合。此薄壁大零件，采用設計基準與定位基準重合的原則，故以A面作為夾具定位基準，這樣不僅能提高定位精度，而且易于保證垂直度精度。該基準限制X、Y、Z方向3個自由度，以及限制繞X、Y軸的2個轉動自由度，一共限制了5個自由度。繞Z軸的轉動自由度對加工精度不影響，因此不限制。

（3）夾緊方式夾緊方式采用圓周均布樣式夾緊結構，通過圓周方向形成壓緊合力。夾緊力的施加很關鍵，不僅需要足夠的夾緊力，而且需要避免局部零件特征干涉。因此，需要從零件上找到合適的夾緊部位。通過觀察零件特征，確定夾緊位置。這個夾緊位置位于出口集合器下方，在出口加強筋間隔之間，靠近定位基準外表面。這樣不僅可以避開出口法蘭、出口加強筋和加強環筋等特征的干涉，而且夾緊力方向面向定位基準，有助于盡可能消除貼胎間隙。

（4）輔助頂緊輔助頂緊的方式是從正下方對零件施加向上的輔助夾緊力。施加輔助夾緊力有兩個作用：一是可以進一步增大壓緊力，消除貼合間隙；二是可以避免零件晃動。以入口端面B為輔助頂緊位置。

3 夾具設計

3.1 定位裝置

定位裝置是整套夾具的關鍵，采用一種獨特的倒錐式內撐胎體結構，如圖2所示。定位裝置由定位胎體、頂緊螺釘、提升螺桿和固定頂板等主要零件組成。定位胎體與中心定位柱形成滑動配合關系，通過導向平鍵限制了繞Z軸的轉動自由度，沒有限制沿B面的上下移動。頂緊螺釘用來頂緊定位胎體，限制上移位置。提升螺桿用于抬升定位胎體，它與頂緊螺釘相互配合可以調節固定定位胎體的高度。固定頂板安裝在夾具體中心定位柱頂端，形成剛性連接，對定位胎體起支承作用。

圖2 定位裝置剖視

這種可調上下位置的定位胎體結構設計，能調節零件與胎體的脹緊程度，實現定位胎體外錐面與零件的定位面緊密貼合，不僅可以提高支承穩定性和剛性，而且可以避免切削振動。

3.2 夾緊裝置

夾緊裝置包括均布式弧形壓緊結構與輔助頂緊結構，現分述如下。

（1）均布式弧形壓緊結構該結構是夾具的重要部分，主要由支承環、頂緊螺桿、支座、導向銷和弧形壓板組成，如圖3所示。支承環、頂緊螺桿、支座和導向銷都用于輔助弧形壓板，實現夾緊力的施加。弧形壓板設計成傾斜的結構，可直接伸入出口集合器下方與零件外表面貼合，能避免出口法蘭等特征干涉。弧形壓緊結構的布置采用20塊環形均布形式，不僅可以使壓緊力均勻分布，而且可以形成較大壓緊力，減少切削力的影響。頂緊螺桿具備自鎖功能，能驅動弧形壓板上下移動，具有壓緊與松開的功能。

圖3 弧形壓緊裝置局部

（2）輔助頂緊結構該結構起輔助頂緊、輔助調節和輔助支承作用，由調節螺桿、移動楔塊和升降頂塊等組成。調節螺桿正反轉可以帶動移動楔塊左右運動，同時驅動升降頂塊沿著定位柱A面上下移動。移動楔塊存在楔角，具備自鎖功能。另外，調節螺桿采用螺紋傳動，也具備自鎖功能。兩種自鎖結構串連后形成了雙自鎖結構。這種結構設計，能確保車床在高速轉動過程中不松動，避免了振動，提高了穩定性。輔助頂緊裝置局部剖視如圖4所示。

圖4 輔助頂緊裝置局部剖視

3.3 整體結構

夾具由夾具體、輔助頂緊、弧形壓板和倒錐內撐胎4個部分組成，整體結構如圖5所示。夾具體采用焊接件結構設計，中間板料進行開孔，做減重處理。輔助頂緊部分位于中心立柱的最下方，通過調節可以實現向上輔助頂緊零件的功能。弧形壓板部分位于夾具體的工作面之上，靠近圓周邊緣，采用螺釘聯接結構，方便夾緊制造與拆卸。倒錐內撐胎部分位于夾具體正中，采用可拆卸的螺釘聯接結構。

圖5 夾具剖視

夾具的安裝使用步驟如下。

第一步，將內撐胎體組件部分全部拆卸，包括定位胎體、頂緊螺釘、提升螺桿和固定頂板（見圖2）等，同時退回弧形壓板（見圖3）與升降頂塊（見圖4）到最低位置。

第二步，先將夾具體組件吊裝至立式車床花盤之上，垂直放置。然后，利用撬棒與墊塊配合的方法，手動調整夾具與花盤的相對位置，同時以夾具中心立柱的外表面為夾具中心基準打表找正。最后，利用壓板將夾具體壓緊固定于立式車床花盤之上。

第三步，將噴管上段零件以出口朝上的狀態垂直吊裝放置在夾具之中，置于升降頂塊之上，然后，使用弧形壓緊裝置將噴管上段撐起，并調節至適當高度，初步調平被加工表面。

第四步，將定位胎體吊裝至中心立柱，緩慢向下滑動，讓定位胎體定位面與噴管上段內表面接觸，落于工件之上。然后，安裝固定頂板，并調定螺釘抬升定位胎體到一定高度位置固定好，讓定位胎體與工件暫時脫離接觸。

第五步，調節弧形壓緊裝置，利用弧形壓板將噴管上段上推至安裝位置，并壓緊。然后，調節輔助頂緊裝置，利用升降頂塊從零件底部上推壓緊，完成輔助頂緊操作。

由于噴管上段是大型的薄壁焊接件，變形大，因此在調節過程中需要機床配合打表，多次微調才能滿足工藝裝夾要求。

夾具的拆卸步驟與安裝步驟相反，先拆內撐胎體組件，后卸工件，再將夾具體吊離花盤。

4 力學計算

4.1 車削力

車削力F在空間上可以分解成圓周切削分力Fc、徑向切削分力Fp和軸向切削分力Ff[9]

式中，Fc表示圓周切削分力（N）；Fp表示徑向切削分力（N）；Ff表示軸向切削分力（N）；f表示進給量（mm/r）；ap表示背吃刀量（mm）；vc表示切削速度（m/min）；σb表示材料屈服強度（MPa）；Kp表示圓周切削分力、徑向切削分力和軸向切削分力的修正系數；n表示考慮工件材料系數；Kkrp、Kγ0p、Kλsp、Krp表示考慮刀具幾何參數系數。

切削力作為夾緊力計算的依據，以極限工況考慮。相關參數的選取見表1。

表1 切削力計算參數

數控車刀選用硬質合金刀片，刀具幾何參數相關系數選取見表2。

表2 切削分力修正系數

根據表1、表2及式（1）～式（4）計算出車削力的各個分力，結果見表3。

表3 分力計算結果（N）

4.2 夾緊力

夾緊力不僅要足夠大，而且需要滿足手動擰緊操作要求。夾緊力是由20塊弧形壓板共同作用產生的，受力情況復雜，這里對受力情況進行簡化處理。假定20塊弧形壓板受的夾緊力相同，以車削受力點正下方壓板來做受力分析，簡化后的受力情況如圖6所示。

圖6 受力情況

圖中，A點為壓板受力點，B點為車削受力點。FN0是弧形壓板的支承反力，FN1、FN2和FN3是中心立柱產生的支承反力，這些力對結果無影響，不做計算。FN為壓板受力點A點的法向約束力，它與F'N大小相等、方向相反。對于夾緊力F0計算，有以下兩種途徑。

（1）依據摩擦力力矩平衡計算圖6a中，夾緊力F0與法向約束力FN的關系

最大靜摩擦力

圖6b中，受力點A的圓周切削分力與摩擦力的力矩平衡關系

FS是抵抗圓周切削分力Fc所需的摩擦力，它的大小必須滿足FS＜FSmax約束條件，才能確保工件不轉動。依據此約束條件，以及式（5）～式（7）得出

（2）依據自重受力平衡關系計算由圖6b所示關系，得到

顯然，只有克服零件自重，才能壓住零件。于是由式（5）、式（9）得到

整理得

按式（8）與式（11）分別計算夾緊力F0。已知條件：Fc＝289N，Fp＝169N，G＝5000N，L＝1265mm，α＝13.1°，β＝59°，l＝1185.3mm，μ＝0.2。按式（8）計算結果為F0＞794.3N，按式（11）計算結果為F0＞11746N。顯然，后者結果更大，選后者為下一步計算輸入條件。最終夾緊力合力

式中的K表示修正安全系數乘積，即

各修正安全系數的選擇見表4。