航空增壓油箱內孔浮動拋光技術

劉艷坤，李桃豐，李嬌嬌

1.空軍裝備部駐新鄉地區軍事代表室 河南新鄉 453000 2.新鄉航空工業（集團）有限公司 河南新鄉 453000

1 序言

航空產品配套的某增壓油箱產品，其箱體零件與活塞組件組成活塞運動副，既要運動靈活、又要密封可靠，因此對箱體零件的內孔尺寸精度、圓柱度、表面粗糙度等質量要求較高，而且為了提升內孔表面的耐磨性，采用鋁合金硬質陽極化處理，要求硬質陽極化膜層厚度40～60μm，拋光后不低于20μm，典型箱體零件結構如圖1所示。

圖1 典型箱體零件結構

因鋁合金硬質陽極化（以下簡稱硬陽）層的表面一般呈蜂窩狀/魚鱗狀等凹凸不平，其表面質量較差（一般表面粗糙度值Ra≥1.0μm），與產品設計質量要求（Ra≤0.4μm）相差較大，且硬陽膜厚對尺寸精度的影響，以及硬陽表面硬度較高（≥250HV[1]，可達400HV）等原因，所以必須采用去除余量的拋光作業來實現提升。但已有拋光技術如珩磨、豪克能[2]及傳統拋光技術如拋光輪、手動砂紙拋光等方法，要么投資大、成本高，要么有質量風險，要么拋光效率低，要么勞動強度大等，不利于精益生產和零件齊套交付。

本技術研制的仿生機械臂拋光裝置，在數控車床上實現了能浮動、可機動的連續平穩且高效的拋光作業，達到國內先進水平。下面著重介紹仿生機械臂拋光裝置的制作與應用。

2 夾具設計思路

1）箱體類零件的結構為回轉體，拋光作業設備選擇數控車床。利用數控車床所具備的功能特點：可調轉速、可控吃刀量、可調進給速度等提供前提條件，開發數控車宏/子程序、優化切削參數，實現可機動、可循環往返連續作業的功能。

2）模擬手動拋光作業原理，研發/選用包括導柱導套組件和可調彈簧的一種裝置，通過調節彈簧力，實現拋光過程平穩、能浮動的功能。

3）鋁合金硬陽層的表面質量差、表面硬度較高，拋光作業就是將硬陽層的不平高點去除直至形成平滑弧面的過程，因此選用砂紙作拋光介質的方案較佳。為克服手動拋光的缺點，提升機動拋光的質量和效率，設計、制作弧面軸瓦結構的拋光頭夾持砂紙，旨在增大拋光接觸面，且方便更換作業。

4）同類型的液壓油箱、膨脹箱等產品的箱體類零件的內徑尺寸一般在150～350mm、長度尺寸一般在200～550mm時差異較大。所以，不僅拋光裝置外形設計要小一些，與機床連接的連接桿應適當加長加粗設計，必要時采取連接桿中部設減重孔、填充聚氨酯泡沫填縫劑，達到提升拋光過程中連接桿的高剛度、減重及減振等使用性能。

5）刀桿連接桿、浮動裝置以及軸瓦拋光頭三者之間，采取分體結構設計，提高工裝基礎部分的通用性、互換性。

3 夾具設計與制造方案

3.1 夾具結構設計

仿生機械臂拋光裝置的結構如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 拋光裝置結構

圖3 拋光裝置實物

本夾具包括連接桿（刀桿）、浮動裝置、拋光頭/拋光材料三大部分，具體介紹如下。

1）連接桿的結構設計類同內孔車刀桿，安裝在車床刀架上，將車床與浮動裝置連接在一起。為了滿足該連接桿在拋光過程中對加粗加長刀桿的高剛度、減重、減振等使用性能，采用了我廠具有自主知識產權的“一種刀桿及采用該刀桿的刀具（授權專利號ZL201520720437.2）”專利技術，即采取刀桿連接桿中部加工出減重孔、填充聚氨酯泡沫填縫劑。

2）浮動裝置的結構由雙導柱導套合成的導向副和彈簧作用可調機構兩個部分組成，其中導向副的配合間隙控制在0.005～0.008mm，雙導柱導套副之間的平行度≤0.005mm，確保導向平穩、滑動靈活；考慮到彈簧力是可調節的，彈簧力設計按壓縮5mm、彈力達9N指標參照設計即可。

3）軸瓦拋光頭設計時，模擬手指扣緊弧面上軟布使其貼緊弧面的原理，設計成雙齒咬合結構來平展砂紙，且拋光接觸弧面半徑的設定應考慮砂紙和襯布的厚度。本工裝選用雙層麂皮布做襯布，再加上砂紙厚度，一般相對被拋光內孔半徑小0.3～0.5mm為宜。

3.2 夾具的關鍵技術制造方案

（1）精密雙導柱導套組件 本夾具選用的雙導柱導套副結構[3]，相比單導柱導套副結構有明顯的優點，就是工裝導向方向的寬度尺寸較小，可滿足較小直徑內孔的加工需求，而且導向穩定可靠、剛度高，利于軸向運動的穩定性，但雙導柱的制造難度非常大。為此，采用以下特殊加工方案確保雙導柱的高精度配合。

如圖4所示，要保證導柱孔1和導柱孔2之間的平行度≤0.005mm、導柱孔與連接座螺紋基孔同軸度≤φ0.003mm的要求，因此采用慢走絲線切割以同等加工條件完成分布在兩個不同部件的導柱孔和螺紋基孔的精加工，確保兩孔之間的同軸度以及雙導柱孔軸線之間的平行度達微米級別的高精度要求。

圖4 雙導柱孔加工示意

慢走絲線切割加工具體步驟如下（雙導柱孔處和連接座螺紋基孔處均已鉆有φ3mm穿絲孔）。

1）使用V型壓板將導向座安裝固定在線切割機床上，并靠平導向座上端面保證水平。

2）用內六角圓柱頭螺釘將連接座和導向座固定，并找正連接座與導向座角向一致，同時使用標準桿或鉆頭上下對齊穿絲孔。

3）導向座和連接座裝配后穿絲，先按連接座的螺紋基孔尺寸將連接座和導向座的導柱孔切割至螺紋基孔尺寸，保證導向座和連接座的中心距尺寸完全一致。

4）取下內六角圓柱頭螺釘及連接座，整個拆卸過程中勿觸動導向座，避免引起導向座移動。

5）再次穿絲將導向座兩處導柱孔切割達到圖樣尺寸，待與導柱配研加工。

如圖5所示，加工前將雙頂尖孔對研，導柱的外圓面加工采用雙頂尖裝夾磨削精加工，保證磨削導柱外圓與導柱孔之間的微間隙要求，然后采用雙頂尖裝夾磨螺紋工藝方案，確保導柱的外圓柱面與螺紋之間同軸度達微米級別的高精度要求。

圖5 導柱零件示意

這種特殊工藝措施實現了雙導柱過定位結構的滑動靈活、無卡滯的質量要求，確保僅靠彈簧作用施力可浮動的功能要求。“巧、精”工藝方案的有機結合，成功突破了精密雙導柱過定位這一關鍵技術難題。

（2）軸瓦拋光頭組件 軸瓦拋光頭組件的實物及應用實況如圖6所示。

圖6 軸瓦拋光頭組件

如圖6所示，本夾具的拋光頭結構，采用雙齒咬合、圓弧過渡達到平展砂紙的目的。因砂紙韌性差、易破損，故采用有韌性、有彈性的麂皮布作襯底來改善。經驗證，襯雙層麂皮布較理想，不僅大大延長了單塊砂紙的壽命，而且彈性較好，益于與被拋光孔的貼合，增進砂紙拋光的質量和效率。因該結構弧面過渡處較多，選用了線切割加工方案，且單件料一次裝夾完成軸瓦拋光頭的主體、兩側壓板3個部件的外輪廓加工。需注意的是，螺釘的螺紋大徑與壓板過孔的直徑差0.2mm較適宜，不宜過大，否則會隨著螺釘預緊致壓板向外移動不良。

4 夾具的拋光應用

該機械臂拋光裝置實施機動拋光的作業流程及作業要領如下所述。

（1）拋光前準備工作 ①領取拋光裝置主體（工裝編號21.Z19-009）和對應的軸瓦拋光頭，按照裝夾車削鏜刀桿的要求裝夾連接桿，打表校正連接桿的中心線與車床主軸回轉中心線等高和平行。②領取一定數量的砂紙和麂皮布，其中砂紙的準備/選擇：粗拋用280#～400#金相砂紙，半粗拋用600#～800#金相砂紙，精拋用1200#水砂紙。依據軸瓦拋光頭的大小，裁剪麂皮尺寸和規定的砂紙尺寸，然后組裝。裁剪的麂皮布如圖7所示，組裝效果如圖6b所示。

圖7 裁剪的麂皮布

（2）調用（或新輸入）數控程序 程序編制參照下面的指令段進行，允許針對不同直徑和內孔拋光長度對X坐標值和Z坐標值修正；一般來說，循環次數和F值不做大的改動。

（3）手動對刀與調整 先將軸瓦拋光頭組件安裝在浮動裝置的夾持部位，移動刀架使拋光頭進入孔口內即可，調整拋光頭拋光面與內孔充分接觸后，鎖緊螺母將浮動裝置等與連接桿連接到一起。然后，程序控制移動刀架將彈簧壓縮約2mm后試驗拋光作業，查看拋光后砂紙上存留粉末的均勻程度，直至調整至上下、前后都均勻為佳。

（4）運行自動拋光作業 試機后，可點擊啟動按鈕即可運行自動拋光作業。作業實況如圖8所示。

圖8 拋光作業實況

粗拋用280#～400#金相砂紙，一般往返次數50～60次后，換600#～800#金相砂紙，一般往返次數50～60次后，再換1200#水砂紙，一般往返次數50次后基本滿足表面粗糙度值Ra≤0.4μm的質量要求。以上砂紙拋光均采用干拋，不需要加水或機油，以免影響拋光效率。軸瓦拋光面上粘附的粉末，用氣槍的壓縮空氣很容易吹落去除，但為防止粉末污染導柱導套及彈簧，應蓋上棉布條遮擋，如圖9所示。

圖9 吹除粉末

5 夾具研拋的實施及效果

1）如圖10所示，研拋是選用麂皮布（或百潔布）涂上W5研磨膏和機油進行精拋作業的，進一步降低內孔表面粗糙度值、減小摩擦力。如果零件圖上標注有“拋光后進行ASL封閉處理”，可以省去研拋工序。

圖10 蘸研磨膏研拋作業

2）拋光面的檢測結果。因箱體零件的體積較大、內孔面需測量的長度較長，一般選用“MarSurf UD 130”輪廓粗糙度儀（測量不確定度3%），采用如圖11所示的裝夾計量檢測方案。本技術典型件的檢測結果：表面粗糙度值Ra為0.067～0.313μm，滿足了產品設計質量要求Ra≤0.4μm，合格。

圖11 計量實況

6 結束語

本技術在高精度薄壁箱體零件的生產中，不僅拋光質量有明顯提升、拋光工時由手動所需的7～8h縮減至機動拋光的0.5h以內，且可實施一人多機作業，使用效果非常好，大大拓展了該類零件的拋光工藝方法，具有可機動性強、可調性能好、操作簡便、拋光質量和效率高等優點，達到了國內先進水平，取得了顯著的經濟效益。