楊 濤，霍 亮，張 利，謝建慧，郭建民

（首都航天機(jī)械公司 北京100076）

一種閥體活門高效銑切夾具的設(shè)計與實現(xiàn)

楊 濤，霍 亮，張 利，謝建慧，郭建民

（首都航天機(jī)械公司 北京100076）

以新一代運載火箭的液氫液氧發(fā)動機(jī)上使用的泄出單向閥為研究對象，選取典型結(jié)構(gòu)，結(jié)合目前國內(nèi)先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)，探索高效的快速研制方法。針對閥體活門的結(jié)構(gòu)特點，介紹了該零件數(shù)控加工的工藝設(shè)計方法。設(shè)計制作了專用工裝，創(chuàng)新應(yīng)用分體式夾緊機(jī)構(gòu)，不僅滿足了該零件表面質(zhì)量要求高、剛度弱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的要求，而且最大程度地發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的特點和優(yōu)勢。實踐證明，針對該典型零件的工藝設(shè)計可靠，工序安排合理流暢，滿足產(chǎn)品精度需求的同時，大幅度地提高了生產(chǎn)效率。

閥體活門；數(shù)控加工；工藝設(shè)計；分體夾緊機(jī)構(gòu)

以長征五號使用的新一代發(fā)動機(jī)為代表的液氫液氧發(fā)動機(jī)的全流程自主研制，代表著國內(nèi)最先進(jìn)的低溫發(fā)動機(jī)設(shè)計和制造的最高水平。液氫液氧發(fā)動機(jī)用閥門產(chǎn)品以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輕量化、功能可靠性要求高、動作靈活性要求高、超低溫下密封要求高等特點，成為低溫液氫液氧發(fā)動機(jī)的制造難點。其具有結(jié)構(gòu)小巧、動作靈活、密封優(yōu)良、可靠性高等特點。泄出單向閥的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單向閥結(jié)構(gòu)簡圖

閥體活門內(nèi)部形狀不規(guī)則其結(jié)構(gòu)如圖2所示，各個配合表面尺寸、粗糙度、形位公差要求很高，原有的加工方法采用傳統(tǒng)的卡盤裝夾，普通銑床分步銑切，不僅會帶來夾傷、零件變形等問題，對產(chǎn)品的精度也造成不利影響，而且對操作者的技能水平也提出了很高的要求，生產(chǎn)效率始終不能有效提高。為此，利用現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床設(shè)備，重新進(jìn)行工藝設(shè)計和流程再造，制作專用銑切夾具，提高整體生產(chǎn)效能的同時保證產(chǎn)品的整體加工質(zhì)量。

1 工藝設(shè)計的實現(xiàn)分析

為滿足產(chǎn)品輕量化功能需要，閥體活門原材料采用鋁合金，設(shè)計成骨架式窗口結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)的輕量化，使得其剛度受到一定影響，數(shù)控設(shè)備無法直接應(yīng)用。因此，零件的裝夾方式，閥體活門的銑切方案成為此次工藝設(shè)計的核心。為提高生產(chǎn)效率，最大限度發(fā)揮數(shù)控機(jī)床效能，本著盡量減少加工工序的原則，重新設(shè)計工序流程。整體工藝實現(xiàn)方案如下：以普通車床加工零件內(nèi)孔、外形尺寸等要素到要求精度，設(shè)計專用夾具與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行匹配，固定零件的同時滿足數(shù)控機(jī)床銑切要求，最終完成整個零件的加工，最終優(yōu)化后的工序流程如圖3所示。

圖2 閥體活門結(jié)構(gòu)圖

圖3 閥體活門加工工序流程圖

2 專用夾具設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過分析閥體活門的使用條件及加工過程發(fā)現(xiàn)，加工到銑工工序時，閥體活門左端面φ6凹槽和右端面φ16.3圓孔面允許裝夾、接觸和使用。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和使用要求，宜采用軸向夾緊的固定方式裝夾零件，采用徑向銑削的方式完成銑加工。為此，夾具必須滿足以下三個基本要求：

（1）必須能夠提供足夠的軸向力夾緊零件，防止銑削加工過程中產(chǎn)品轉(zhuǎn)動。

（2）必須具備一定的剛度要求，防止銑削過程中零件由于剛度差而失穩(wěn)造成破壞。

（3）必須具備一定的裝夾精度，整個零件的裝夾必須方便，快速。

為滿足以上三個要求，夾具的整體設(shè)計方案如下：設(shè)計頂緊機(jī)構(gòu)夾緊零件，由零件端面和夾具端面的摩擦力平衡銑削過程中產(chǎn)生的軸向力，銑削過程中的徑向力由夾具的整體剛度平衡。將夾具設(shè)計成全包圍結(jié)構(gòu)，通過軸向夾緊將閥體活門固定在夾具的內(nèi)腔中[1]。設(shè)計分體式夾緊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)緊固和定位功能要求。具體實現(xiàn)方式為：使用φ16.3的內(nèi)孔作為閥體活門右端定位基準(zhǔn)、右端面作為承力面，左端面φ6凹槽作為定位基準(zhǔn)和承力面，采用螺紋夾緊的方式進(jìn)行夾緊[2]，設(shè)計夾緊螺釘和定位銷軸，定位夾緊螺釘與定位銷軸采用間隙配合，既能保證整體定位精度，又可避免螺紋夾緊過程中的轉(zhuǎn)動劃傷零件表面，具體結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 閥體活門夾緊示意圖

2.2 夾具的尺寸鏈設(shè)計

根據(jù)該工裝的裝夾方式可知，閥體活門嵌入到工裝夾具體結(jié)構(gòu)中，夾具體的內(nèi)徑尺寸比閥體活門的外徑大4 mm左右，這樣有利于零件的拆裝，加工過程中切屑兒能順利排出，同時不影響已加工面表面質(zhì)量。閥體活門的定位方式選用右側(cè)大端端面和左側(cè)端面孔進(jìn)行定位，采用軸孔的間隙配合，配合間隙匹配零件定位精度保證直徑方向不大于0.03 mm.夾緊螺釘與夾具體的連接選用螺紋連接的方式[3]，選用對應(yīng)外徑的粗牙螺紋連接，螺距選適中即可。夾緊螺釘與定位銷軸連接設(shè)計為內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，夾緊螺釘和定位銷軸的配合間隙是此工裝的關(guān)鍵部分，軸孔配合的間隙適中，太大無法保證精度要求，太小夾緊螺釘不能順利取出，配合間隙以定位銷軸在夾緊螺釘中自由轉(zhuǎn)動為最佳，可用選配的方法進(jìn)行實現(xiàn)[4]，如圖5所示結(jié)構(gòu)。

圖5 分體式夾緊機(jī)構(gòu)示意圖

2.3 夾具的制造及特點

為了提高整套夾具的制造工藝性，夾具體材料選用銅合金，采用車加工的方法將夾具體外形和內(nèi)腔各尺寸加工成型，采用銑加工的方法將窗口銑成型；夾緊螺釘和定位銷軸材料選用鋁合金，采用車加工的方法將其加工成型[5]。由于選用了外包圍的結(jié)構(gòu)，整個夾具的剛度得到了很好的保證，雖然機(jī)體采用銅合金，銑切窗口時也不會造成筋條扭曲和折斷。該工裝結(jié)構(gòu)簡單，可制造性好，實測定位精度達(dá)到了0.01 mm，使用方便，可有效節(jié)省裝夾找正時間，大幅縮短加工前準(zhǔn)備時間。

3 夾具的實際應(yīng)用

由于采用分體式裝夾方式，夾具實際使用過程中采用在機(jī)裝夾零件方式，完成快速裝夾定位，大大節(jié)省夾具的裝夾找正時間。實際操作方法如下：將夾具主體夾頭安裝在數(shù)控銑床（型號：VMC850）的第四旋轉(zhuǎn)軸自定心三爪卡盤上，緊固的同時找正端面圓跳動量小于0.03 mm，放入零件保證其右端面與夾具定位面貼合并能靈活旋轉(zhuǎn)，對夾緊螺釘施加適當(dāng)鎖緊力矩以保證零件在夾具體中固定，頂緊旋轉(zhuǎn)軸頂尖完成整個夾具、零件安裝定位，如圖6所示。

圖6 數(shù)控銑床應(yīng)用示意圖

因此該種裝夾方式是利用零件與夾具端面的摩擦來固定的，受接觸面積及鎖緊力的限制使得工件的緊固程度有限，制定合理的數(shù)控加工策略尤為重要。實際加工時，刀具采用φ4硬質(zhì)合金端銑刀，刀尖制圓角R0.2.粗加工采用局部挖槽，分層進(jìn)給方式，每層進(jìn)給深度控制在0.3 mm，刀具以小吃深大進(jìn)給快速切削，提高加工效率的同時也避免了切削力過大造成零件轉(zhuǎn)動的隱患。精加工時采用同型號刀具，3D等距加工策略，利用刀尖圓角保證加工表面Ra1.6的要求。機(jī)床第四旋轉(zhuǎn)軸以90°遞增，每次粗、精加工只加工工件直徑的四分之一，這樣即可縮短刀具伸出長度以提高剛性，又可減小刀具的彈性變形，提高刀具的耐用度，防止刀具折斷。

4 結(jié)束語

實踐證明，通過工藝設(shè)計的優(yōu)化，應(yīng)用新的工裝和工藝流程再造，將閥體活門的加工方法應(yīng)用到先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床加工后，單件加工時間從原來的100 min降至20 min，生產(chǎn)效率大大提高，整個生產(chǎn)過程中沒有造成廢品，同時，此工裝夾具結(jié)構(gòu)簡單實用，操作靈活，本次共完成約80件閥體活門的銑切，沒有損壞和返修，設(shè)計的可靠性得到了很好的驗證。此類工藝設(shè)計的實現(xiàn)方法對于閥體活門類復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工方法的選擇有很好的借鑒意義，值得推廣。

[1]梁國勇，王曉霞，遲 濤.三通閥體車削工裝設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2012，33（8）：123-124.

[2]燕春南，劉自輝.高效多軸鉆床的夾具設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2007（4）：97－98.

[3] 曾 林.鉆孔夾具的改進(jìn)[J].煤礦機(jī)械，2011，32（1）：131-132.

[4]張慧珍，杜志強(qiáng).異形件的加工方法與工裝設(shè)計[J].機(jī)械工程師，2005（4）：110.

[5]朱耀詳，浦林祥.現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

The Design and Implementation of Milling Jig for a Kind of Valve Body

YANG Tao，HUO Liang，ZHANG Li，XIE Jian-hui，GUO Jian-min
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

Parts of the processing and milling fixture design is introduced according to the structural characteristics of the valve of the valve body，design and production of the split type clamping mechanism，to meet the complex parts of the structure，weak rigidity，surface quality requirements of high characteristic.Practice has proved that the design of the fixture is simple and practical and can meet the use requirements，reduce the processing time and improve the work efficiency.

the valve body valve；milling fixture；split clamping mechanism；CNC milling machine

TG751.3

A

1672-545X（2017）09-0165-03

2017-06-04

楊 濤（1980-），男，河北石家莊人，工程師，主要從事航天液氫液氧發(fā)動機(jī)型號生產(chǎn)的工藝技術(shù)和工裝設(shè)計工作。