劉 翔 劉向東 曹飛龍 劉彥剛 成 濤

限流微小孔精密加工技術(shù)研究

劉 翔 劉向東 曹飛龍 劉彥剛 成 濤

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710100）

限流微小孔是限流零件上1～2mm孔，以限流圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)結(jié)合使用性能要求得到限流微小孔的目標(biāo)加工狀態(tài)，再以目標(biāo)加工狀態(tài)為指導(dǎo)并采用精密車(chē)削、研磨加工工藝技術(shù)重新設(shè)計(jì)完成限流微小孔加工工藝方案，并進(jìn)行批量限流圈加工。分析加工零件可知，限流微小孔孔徑精準(zhǔn)、孔壁表面質(zhì)量高、孔口銳邊形貌完整，同時(shí)限流圈液流試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格率顯著提升，這表明重新設(shè)計(jì)的工藝方案能夠有效提高限流微小孔加工質(zhì)量和限流圈使用性能。

限流微小孔；精密車(chē)削；研磨加工；有限元模擬

1 引言

限流零件在航天液體動(dòng)力中主要用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，裝配后能夠限制流體流量并降低流體壓力，最終達(dá)到調(diào)節(jié)并穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的目標(biāo)。限流圈具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝配、壓力調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是最具代表性的限流類(lèi)零件[1]。此前研究已建立ISO 6358—2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)使用流體Standard k-ε湍流模型理論分析流體通過(guò)限流孔的過(guò)程建立了流量特性方程，使用流量特性方程能夠快速確定限流孔孔徑、數(shù)量、位置、孔口形貌等重要特征參數(shù)，再通過(guò)數(shù)值模擬仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以最終設(shè)計(jì)完成限流圈設(shè)計(jì)[2～6]。分析研究成果可知，限流孔的數(shù)量、位置、特征尺寸、流量系數(shù)、孔徑與流道直徑比、流體密度等參數(shù)均直接影響限流圈調(diào)節(jié)性能，其中限流微小孔的數(shù)量、位置、長(zhǎng)徑比例、流體密度等參不受零件加工過(guò)程影響的定量參數(shù)，限流孔加工后尺寸、孔口形貌特是與限流孔成型過(guò)程相關(guān)的參數(shù)。

隨著液體動(dòng)力系統(tǒng)向小型輕量化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，限流孔由此前大于5mm的宏觀限流孔逐件轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮?mm的微小限流孔。針對(duì)小于2mm的微小孔常采用電火花加工方案進(jìn)行加工，通過(guò)研究已完成硬度高、損耗小、加工精度高的微細(xì)電極制備及加工參數(shù)優(yōu)化工作，并能夠完成微小孔的加工，檢測(cè)電火花加工完成的微小孔存在0.05～0.08mm的錐度[7，8]。若加工1～2mm的限流孔會(huì)在微小孔的出、入口形成0.00125～0.004mm的直徑差，限流微小孔直徑的公差為0.005～0.01mm，該直徑差值為公差范圍的25%～40%，較大的出、入口直徑差值會(huì)導(dǎo)致限流圈性能不合格，故限流微小孔仍采用機(jī)械加工方案。

針對(duì)小于1mm的限流孔因去除量較小，直接采用鉆削方案加工完成，但1～2mm限流孔直接采用鉆削加工后存在孔口銳邊質(zhì)量低、孔徑尺寸精度低的缺點(diǎn)，因此需設(shè)計(jì)限流微小孔成型工藝方案進(jìn)行限流孔加工。

2 限流圈機(jī)械加工方案設(shè)計(jì)

2.1 限流圈結(jié)構(gòu)分析

典型的航天液體動(dòng)力系統(tǒng)中限流類(lèi)零件上設(shè)計(jì)有1～2mm、公差0.005～0.01mm的限流微小孔，液體通過(guò)限流微小孔時(shí)壓力降低，當(dāng)限流微小孔入口的壓力值、流量值繼續(xù)增大并超過(guò)臨界值時(shí)，通過(guò)限流微小孔的流量、壓力降低值保持平穩(wěn)產(chǎn)生限流作用。

限流微小孔加工后常見(jiàn)缺陷為孔口形貌缺陷和尺寸超差?？卓谛蚊踩毕轂榧庸み^(guò)程中因毛刺去除產(chǎn)生的倒角或倒角。建立限流微小孔孔口狀態(tài)為銳邊、倒角、倒角的模型，然后采用該模型模擬觀察流體通過(guò)限流孔時(shí)的壓力情況，如圖1所示。

圖1 流體通過(guò)限流孔壓力分布圖

由圖1可知，三種狀態(tài)的孔口形貌限流微小孔均能夠產(chǎn)生壓降，當(dāng)限流孔口為銳邊狀態(tài)時(shí)流體進(jìn)入限流圈總長(zhǎng)小于1/4處即完成壓力調(diào)節(jié)，在限流圈孔口處存在微小負(fù)壓，當(dāng)限流孔口為倒角狀態(tài)時(shí)流體進(jìn)入限流圈總長(zhǎng)1/2處完成壓力調(diào)節(jié)，在限流圈孔口倒角處存在微小負(fù)壓，當(dāng)限流孔口為倒角狀態(tài)時(shí)在限流孔出口仍未完成壓力調(diào)節(jié)過(guò)程，同時(shí)限流圈孔口倒角處存在顯著負(fù)壓，因此由模擬結(jié)果可知限流孔入口為銳邊狀態(tài)時(shí)能夠快速完成壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)液體系統(tǒng)穩(wěn)定。

隨機(jī)抽取2批現(xiàn)階段加工后限流圈計(jì)量孔徑實(shí)測(cè)值如圖2所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，孔徑合格率為78.66%和79.24%，孔徑極差為0.032mm、0.043mm，是限流微小孔孔徑設(shè)計(jì)公差帶0.02mm的160%和215%。

圖2 限流微小孔孔徑分析圖

結(jié)合孔徑與液流壓力降低值關(guān)系式（1）和實(shí)際液流試驗(yàn)參數(shù)可知，當(dāng)限流微小孔孔徑超出設(shè)計(jì)要求值上偏差和下偏差0.005mm時(shí)，壓力降低值超出合格壓力降低下限和上偏差0.0073MPa和0.0083MPa，是合格壓力降低值公差范圍0.02MPa的36.34%和41.97%，同時(shí)孔徑變化0.3%會(huì)導(dǎo)致壓力降低1.4%～1.7%。且上述2批限流圈液流試驗(yàn)過(guò)程中均返修，返修數(shù)量為67%～75%，存在4%～7%的限流圈返修后液流數(shù)據(jù)仍無(wú)法滿(mǎn)足使用要求而報(bào)廢。

其中：Q——流量，g/s；C——流量系數(shù)；——流體密度，g/mm3；Δ——壓力降低值，MPa；——限流微小孔孔徑，mm。

因此精準(zhǔn)的限流微小孔加工孔徑能夠保證限流圈具備良好的使用性能，同時(shí)提高液流試驗(yàn)效率，降低零件報(bào)廢率。

由理論分析和液流試驗(yàn)結(jié)果可知，限流微小孔在加工后精準(zhǔn)的加工孔徑和完整的銳邊結(jié)構(gòu)為限流微小孔的目標(biāo)加工狀態(tài)。

2.2 限流圈加工工藝方案設(shè)計(jì)

以限流微小孔的目標(biāo)加工狀態(tài)為導(dǎo)向，重新設(shè)計(jì)的限流微小孔成型工藝方案如圖3所示。

圖3 限流微小孔加工工藝方案

為達(dá)到限流微小孔具備精準(zhǔn)孔徑的目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)階段的精密加工技術(shù)提出“車(chē)床鉆孔粗加工—車(chē)床鏜孔精加工”的微小孔成形工藝方案。首先，車(chē)床鉆孔將大余量材料去除，然后鏜孔加工保證為小孔具備精準(zhǔn)的孔徑和良好的孔壁質(zhì)量[9]，同時(shí)車(chē)床鏜孔精加工過(guò)程中使用精密數(shù)控車(chē)床進(jìn)行車(chē)削軌跡控制，在限流微小孔孔口車(chē)削形成0.02～0.04mm的圓弧倒角，最后分別研磨限流孔入口和出口端面，去除車(chē)削加工后形成的圓弧倒角。該方案可在加工量化控制條件下使限流微小孔的出、入口形成小于0.03mm的銳邊狀態(tài)，同時(shí)無(wú)人工去毛刺工序，可有效避免去毛刺過(guò)程中在孔口產(chǎn)生倒角、豁口等缺陷。

3 限流圈車(chē)削、研磨加工技術(shù)研究

3.1 限流圈車(chē)削加工技術(shù)研究

精密鏜孔加工技術(shù)是宏觀孔精加工方案，可保證孔徑尺寸精度小于0.005mm，同時(shí)孔壁具備R0.6μm的表面質(zhì)量，為保證限流微小孔加工后具備精準(zhǔn)的孔徑，將精密鏜孔加工技術(shù)應(yīng)用于限流微小孔加工，因限流微小孔孔徑較宏觀特征孔尺寸減小，需對(duì)加工方案、加工刀具、加工參數(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

限流微小孔車(chē)削采用“粗鉆加工—半精鏜孔加工—精鏜孔加工”的工藝方案，首先粗鉆以“啄鉆”加工方式去除余量，然后半精鏜孔加工去除鉆削產(chǎn)生的溝槽，最后精鏜加工提高孔壁表面質(zhì)量并將孔徑加工至目標(biāo)尺寸，各階段加工余量如表1所示。

表1 限流微小孔加工余量分配表

針對(duì)1～2mm限流微小孔精鏜刀具需在宏觀鏜孔刀基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，以保證精鏜孔刀具備合理的切削角度和良好的剛性，重新設(shè)計(jì)的限流微小孔鏜孔刀具如圖4所示。

圖4 微小孔鏜刀刀具角度示意圖

微小孔鏜刀具前角為10°～15°，在精鏜過(guò)程中能夠去除微小余量同時(shí)提高孔壁質(zhì)量，并保證切屑排出，后角設(shè)計(jì)為10°，以保證刀具與加工表面不產(chǎn)生接觸磨損，同時(shí)避免大量刃磨去除刀具材料后降低刀具剛性，主偏角和副偏角設(shè)計(jì)為5°和10°。設(shè)計(jì)完成后選取主切削刃上一處切削單元結(jié)合三維切削模型進(jìn)行切削模擬，如圖5所示。

圖5 副偏角10°切削模擬

由圖5可知，切削單元在切削過(guò)程中能夠進(jìn)行材料切削去除，但仍存在未去除材料形變大、模擬過(guò)程中網(wǎng)格畸變嚴(yán)重的缺點(diǎn)，觀察圖5可知，畸變嚴(yán)重的網(wǎng)格位于副后刀面，與副后刀面相關(guān)的刀具角度為副偏角，調(diào)整副偏角至8°、5°、2°后重新進(jìn)行切削模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6 副偏角2°～8°切削模擬圖

由圖6模擬結(jié)果可知，切削面的形變、應(yīng)力隨副偏角的減小而減小，在副偏角減小至5°后基本趨于穩(wěn)定，故將副偏角調(diào)整至2°～5°，確保刀具切削過(guò)程中能夠順利將材料去除。

圖7 鏜刀磨削后外觀形貌

刀具角度設(shè)計(jì)完成后按照此設(shè)計(jì)模型進(jìn)行刀具制備用于限流微小孔精鏜加工，結(jié)合微型車(chē)削刀具的研究成果，使用2～3mm硬質(zhì)合金棒料磨削微小孔精鏜孔刀具，刃磨過(guò)程按照“粗磨—半精磨—精磨—修光—精修”的步驟進(jìn)行刀具磨削[10]，刀具切削刃尖角圓弧刃磨至不大于0.02mm，切削刃半徑刃磨至不大于0.1mm。磨削后鏜刀如圖7所示，40倍顯微鏡下檢查刀具切削刃及外觀形貌無(wú)缺損后用于限流孔加工。

鏜孔刀具制備、安裝完成后后進(jìn)行限流微小孔鏜孔加工。因限流微小孔孔徑小于5mm，為保證鏜孔過(guò)程中刀具具備正常的切削速度，加工過(guò)程中需采用2500～3500r/min的高轉(zhuǎn)速，在背吃刀量為0.03～0.05mm、進(jìn)給量為0.02～0.03mm/r條件下進(jìn)行2～3次走刀可完成限流微小孔精鏜加工。

采用精密鏜孔加工技術(shù)加工完成1批限流孔徑(1.65±0.01)mm的限流圈，計(jì)量限流微小孔孔徑結(jié)果如圖8所示。

圖8 限流微小孔孔徑分析圖

重新加工完成的限流微小孔孔徑合格率為95.48%，較此前加工后合格率提高16.82%，極差為0.012mm，是設(shè)計(jì)要求公差的60%，這表明精密鏜孔加工工藝方案能夠精確控制限流孔孔徑，最終保證限流微小孔孔徑的批次一致性和與設(shè)計(jì)要求值的一致性。

3.2 限流圈研磨加工技術(shù)研究

限流圈車(chē)削加工完成后對(duì)限流微小孔出、入口所在平面進(jìn)行端面研磨加工去除孔口倒角，使限流微小孔出、入口形成銳邊狀態(tài)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，限流零件經(jīng)研磨加工后整批零件液流試驗(yàn)合格率提高至90%以上，壓力降低值極差小于0.02MPa，是此前批次限流圈壓力降低值極差的33%。

此前采用手工研磨限流圈端面操作將零件端面的余量進(jìn)行去除，存在加工效率低的缺點(diǎn)，因此采用機(jī)器研磨方案進(jìn)行端面研磨工作，傳統(tǒng)機(jī)器研磨工作方案為將零件固定在工裝內(nèi)，工裝帶動(dòng)限流圈做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行端面研磨，該種研磨方式在限流圈端面的加工痕跡為單向圓弧狀痕跡，研磨后限流微小孔孔口形成微小鋸齒形貌，這與孔口銳邊狀態(tài)的目標(biāo)不一致，因此需重新設(shè)計(jì)研磨方案。

重新設(shè)計(jì)的研磨方案是將限流圈固定在工裝內(nèi)部，研磨機(jī)器帶動(dòng)限流圈進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)工裝進(jìn)行自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行端面研磨。在限流微小孔口上選取任意點(diǎn)后建立在該種研磨方式下任意點(diǎn)的研磨軌跡方程，如式（2）所示。

其中，坐標(biāo)（cos1,sin1）為限流圈圓心坐標(biāo)。

將式（2）轉(zhuǎn)換為參數(shù)方程，如式（3）所示。

其中：——工裝中心回轉(zhuǎn)半徑，mm；——零件相對(duì)于工裝的回轉(zhuǎn)半徑，mm；1——工裝自轉(zhuǎn)速度，rad/s；2——工裝公轉(zhuǎn)速度，rad/s；α——限流微小孔口上第點(diǎn)的起始角度，rad。

結(jié)合式（3）繪制的限流微小孔孔口的研磨軌跡如圖9a所示，提取一點(diǎn)的研磨軌跡如圖9b所示。

圖9 研磨軌跡圖

由圖9的研磨軌跡可知，該種限流圈的“自轉(zhuǎn)”和“公轉(zhuǎn)”的復(fù)合研磨加工軌跡可有消除單一的“公轉(zhuǎn)”運(yùn)動(dòng)在限流微小孔孔口產(chǎn)生的微觀鋸齒形貌，通過(guò)設(shè)置自轉(zhuǎn)圈數(shù)、公轉(zhuǎn)圈數(shù)、工裝自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、工裝公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，可保證限流圈研磨在量化控制條件下進(jìn)行加工，最終保證限流微小孔孔口狀態(tài)具備良好一致性，且研磨加工中冷卻液提供充足，可有效去除研磨形成的微小顆粒，加工后限流微小孔孔口如圖10b所示，與圖10a所示的限流微小孔孔口狀態(tài)相比改善顯著。

圖10 限流微小孔孔口形貌

4 限流圈加工后效果評(píng)價(jià)

采用重新設(shè)計(jì)的工藝方案加工完成的限流微小孔孔口狀態(tài)為良好的銳邊無(wú)缺陷狀態(tài)，使用高精度光學(xué)計(jì)量設(shè)備可快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行孔口邊緣的查找和判定，最終精準(zhǔn)測(cè)定孔徑。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，使用重新設(shè)計(jì)的工藝方案生產(chǎn)的限流圈加工合格率大于90%，一次液流合格率大于80%，采用平面研磨機(jī)進(jìn)行限流圈加工時(shí)同數(shù)量的限流圈加工用時(shí)為手工研磨用時(shí)的10%，有效提升了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)限流圈上的“限流微小孔”的成型方案進(jìn)行了工藝方案設(shè)計(jì)，在重新設(shè)計(jì)的工藝方案中應(yīng)用精密車(chē)削加工、研磨加工技術(shù)有效解決了限流微小孔孔徑偏差大、孔口形貌有缺陷、微小孔成型過(guò)程過(guò)程不受控的問(wèn)題。重新加工完成的限流微小孔具備孔口銳邊狀態(tài)良好、孔徑精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)限流圈零件一次液流合格率顯著提升，該項(xiàng)技術(shù)為限流類(lèi)零件的限流微小孔加工方案及設(shè)計(jì)提供了有效借鑒。

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Research on Precision Machining of Current-limiting Micro Orifice

Liu Xiang Liu Xiangdong Cao Feilong Liu Yangang Cheng Tao

(Xi’an Aerospace Engine Company Limited, Xi’an 710100)

Current-limiting micro orifices refer to1～2mm holes on current-limiting parts. The target processing state of the current-limiting micro orifice is obtained based on the design structure of the flow-limiting parts and the performance requirements. Guided by the target machining state, the current-limiting micro orifice machining process plan is redesigned and completed, and the flow-limiting parts are processed in batches by adopting precision turning and grinding technology. Observation of the current-limiting micro orifice shows that the aperture of micro orifice is accurate, the surface quality of the hole wall is high, and the sharp edge of the orifice is complete. At the same time, the qualification rate of the liquid flow test data of the flow-limiting parts has been significantly improved, which shows that the redesigned process plan can effectively improve the processing quality of current-limiting micro orifice and the performance of the flow-limiting parts.

current-limiting micro orifice；precision turning；grinding；finite element analysis

V46

A

劉翔（1990），工程師，機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：航天閥門(mén)、自動(dòng)器機(jī)械加工與裝配。

2021-08-23