董 悅，劉永剛，郭 研

(西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

某型號球形隔離閥裝配在航天液體火箭發(fā)動機(jī)燃料和氧化劑路的入口上，通過氣動活塞和彈簧控制開啟和關(guān)閉。球形閥芯作為該閥的關(guān)鍵密封件，球面是其工作面，其表面質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)閥門在發(fā)動機(jī)工作中的性能。球在工作過程中，受齒條翻轉(zhuǎn)運(yùn)動徑向力的作用進(jìn)行靈活的翻轉(zhuǎn)，球面與塑料閥座的接觸面形成密封副，保證閥門關(guān)閉時(shí)的密封性。閥門在使用中，若球形閥芯表面粗糙度較大，如表面有凹坑、凸起、劃痕等缺陷，將不能很好的與閥座形成密封副實(shí)現(xiàn)完全密封，這對運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)的正常工作將產(chǎn)生致命的影響。

筆者以該隔離閥中的高精密鋁合金球形閥芯為研究對象，以其結(jié)構(gòu)特征及設(shè)計(jì)圖紙對型面的形位公差要求為基礎(chǔ)，對其表面質(zhì)量保證的難點(diǎn)進(jìn)行分析，并基于表面光整技術(shù)理論，提出了隔離閥球閥芯表面光整的工藝方案，并結(jié)合工藝試驗(yàn)，確定了最優(yōu)的表面光整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了球形閥芯表面的高質(zhì)量精密加工，解決了球形閥芯加工難的問題。

1 形閥芯加工難點(diǎn)分析

1.1 球形閥芯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該球形閥芯材料為鋁合金，外形為直徑SΦ60 0～0.03的球面，球面圓度要求0.003 mm，表面粗糙度Ra0.1，球形表面存在一字槽結(jié)構(gòu)，特征槽寬6 mm，槽底為R25弧面，側(cè)壁為兩平面，其關(guān)于球長度方向?qū)ΨQ中心的對稱度為0.02 mm，側(cè)壁相對內(nèi)孔軸線垂直度為0.02 mm，內(nèi)腔型面為Φ30.9的通孔，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。較高的行為公差要求，給零件的加工帶來了較大的難度。

圖1 球形閥芯零件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 加工難點(diǎn)分析

根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)的定義，通常將精度在0.1～1 μm、加工表面粗糙度Ra在0.02～0.1 μm之間的加工方法稱為精密加工[1]。按照該標(biāo)準(zhǔn)，本文研究的球形閥芯屬于精密加工的范疇。

在零件加工過程中，零件一方面受到切槽和去夾頭切削力的影響，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形；同時(shí)，還受到環(huán)境溫度、機(jī)床振動、刀具磨損等因素影響，使零件難以滿足其0.003 mm球面圓度要求。另一方面，閥芯外形為球形曲面，且表面粗糙度Ra0.1 μm。要達(dá)到如此高的表面粗糙度要求，采用傳統(tǒng)磨削加工方法和經(jīng)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，需通過表面光整技術(shù)的研究和驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)高精密加工。目前，曲面光整技術(shù)已經(jīng)很成熟的應(yīng)用于曲面的最后精加工工序，重點(diǎn)是利用硬脆性材料的磨粒產(chǎn)生滾壓和微切削，去除被加工零件表面的微量金屬材料，消除高點(diǎn)等缺陷，使零件形狀和精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)很好的降低表面粗糙度值，使零件表面均勻、光滑，提高性能可靠性[2]。

文中主要結(jié)合球形閥芯的結(jié)構(gòu)、材料，通過對表面光整的原理、影響因素、拋光膏成分、拋光材質(zhì)的選用、工裝設(shè)計(jì)、方法設(shè)計(jì)等方面的分析，制定出一套球形閥芯表面光整的工藝方案。

2 表面光整技術(shù)理論分析

2.1 表面粗糙度對零件性能的影響分析

在零件切削加工過程中，刀具或砂輪切削被加工表面后，會在零件表面產(chǎn)生刀痕紋路以及塑性變形等，同時(shí)受機(jī)床精度、振動等不可控因素的影響，會使被加工零件的表面產(chǎn)生微小的峰谷[3]。這些微小谷峰的高低變化和間距差異稱為表面粗糙度，它是一種微觀幾何形狀誤差。

表面粗糙度輪廓大小是對零件表面質(zhì)量的考核指標(biāo)之一，其直接影響著密封零件的密封性能及壽命，尤其在苛刻條件下對密封零件的工作性能影響更大[4]，其影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1) 對抗腐蝕性的影響

凹凸不平的零件表面，容易使腐蝕性外在物質(zhì)積存在零件表面的微觀凹谷處，并滲入到金屬內(nèi)部，致使金屬基體產(chǎn)生腐蝕，如圖2所示。因此，提高零件表面粗糙度的加工質(zhì)量，可以有效增強(qiáng)加工零件的抗腐蝕性。

圖2 粗糙表面腐蝕原理示意圖

(2)對閥門氣密性的影響

密封零件的表面加工精度及表面粗糙度，對閥門的氣密性產(chǎn)生直接影響，其表面質(zhì)量決定了閥門的密封性能。多方專家研究表明：密封零件在空氣中的滲漏量與表面粗糙度成正比，隨著表面粗糙度的惡化，密封性能隨之降低。

圖3中可以看出不同工作比壓下密封面表面粗糙度與空氣滲透量的關(guān)系?？傊?，降低密封型面表面粗糙度，即減小加工表面微觀的間距和峰谷不平度，可以有效提高閥門的密封可靠性。

圖3 表面粗糙度與密封性的關(guān)系示意圖1.工作比壓q=3.0 MPa 2.工作比壓q=6.5 MPa 3.工作比壓q=10.0 MPa 4.工作比壓q=20.0 MPa

2.2 表面光整技術(shù)原理分析

目前，研磨光整技術(shù)和拋光光整技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的表面微量去除光整技術(shù)，用于加工最精密的零件，如測量使用的量塊、精密部件等[5]。

(1) 研磨光整技術(shù)

研磨是指利用硬度比被加工材料更高的微米級磨粒，在硬質(zhì)研磨盤作用下產(chǎn)生的微切削和滾軋作用實(shí)現(xiàn)被加工表面的微量材料去除，使工件的形狀、尺寸精度達(dá)到要求值，并降低表面粗糙度值、減小加工變質(zhì)層的加工方法[6]。

如圖4所示，在力的作用下，磨粒重復(fù)作用于凸凹表面上，在不斷地研磨過程中，一部分磨粒會被壓入研磨盤，用露出的磨粒剪斷零件表面，實(shí)現(xiàn)微切削。臨沂部分磨粒在零件與研磨盤之間擠壓滾動，產(chǎn)生滾壓效果。金屬材料的研磨過程，相當(dāng)于金屬刀具切削或磨削的深度極小狀態(tài)。但是，因切削使用的是游離狀態(tài)不可控的磨粒，很難實(shí)現(xiàn)連接的切削加工，僅是磨粒和零件之間的斷續(xù)研磨切削。

圖4 磨粒作用的模型

(2) 拋光光整技術(shù)

拋光加工是在軟紙拋光工具(如砂紙、麂皮)、化學(xué)加工液(拋光膏)、電/磁場(如電拋光)等輔助工具作用下，利用微小磨粒之間的機(jī)械作用和化學(xué)作用，實(shí)現(xiàn)表面光滑的零件，減小或完全消除加工變質(zhì)層，從而獲得提高表面質(zhì)量的加工方法[7]。拋光和研磨的不同，主要表現(xiàn)在磨料和研具材料上。拋光加工通常使用的是1 μm以下的微小細(xì)磨粒，可根據(jù)接觸狀態(tài)自動調(diào)整磨粒的切削深度，減緩較大磨粒對加工表面引起的二次損傷，提高表面質(zhì)量。

3 球形閥芯表面光整的工藝方案設(shè)計(jì)

3.1 球形閥芯表面光整的影響因素

依據(jù)研磨和拋光理論，研磨的目的是提高工件的形狀、尺寸精度，并降低表面粗糙度值，而拋光的主要目的是提高表面粗糙度。所以，決定采用拋光方法解決球形閥芯表面粗糙度低的問題[8-9]。

拋光工藝設(shè)計(jì)的主要考慮因素有加工設(shè)備、研具、磨粒、加工液、工藝參數(shù)和加工環(huán)境等，見表1所列，這些因素決定了被加工零件的最終表面質(zhì)量。

表1 拋光加工的主要工藝因素

3.2 拋光膏的選用

拋光膏選擇的優(yōu)劣，直接影響工件的表面質(zhì)量。拋光膏的選擇應(yīng)遵循散熱快、粘性低、無污染、化學(xué)性能穩(wěn)定、磨粒分散性好等優(yōu)點(diǎn)，這樣不會對零件表面產(chǎn)生大的熱變形。拋光膏一般由磨粒、基液(水性或油性)、添加劑三部分組成，作用是供給磨粒、排屑、冷卻和潤滑。

研磨拋光使用的磨粒見表2所列，其中金剛石為磨粒具有大小均勻、磨削效率高、散熱快等特點(diǎn)。金剛石拋光膏原料成分見表3所列，具有良好的潤滑性能、冷卻性能，有水性、油性兩溶性，其油性能使拋光膏拋光表面具有良好的浸潤作用，其水性可以降溫并減少拋光時(shí)間，提高拋光效率，節(jié)約金剛石拋光膏。另外拋光膏具有兩溶性，有利于拋光表面的清洗。

表2 研磨拋光使用的磨粒

表3 金剛石研磨膏原料配比

針對球形閥芯結(jié)構(gòu)及表面質(zhì)量要求，拋光選用顆粒度1 μm的金剛石拋光膏。

3.3 光整工具的選用

拋光工具是用于涂覆和嵌入磨料的載體，使磨粒發(fā)揮切削作用，同時(shí)又是研磨表面的成形工具。對拋光工具的要求主要有：材料硬度一般比工件材料硬度低，組織均勻致密，無雜塵、異物、裂紋等缺陷，并有 一定的磨料嵌入性和浸含性；結(jié)構(gòu)合理，有良好的剛性、精度保持性和耐磨性，其工作表面應(yīng)具有較高的集合精度；排屑性和散熱性好。

如表4所列，為常用的拋光工具材料。球型閥芯材料為6A02鋁合金，屬于金屬材料，結(jié)合工廠現(xiàn)有條件，可選用麂皮或棉布作為拋光工具。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，決定采用棉布作為研磨工具。

表4 拋光工具材料及部分選用實(shí)例

白布全稱為平紋的白色面布，基本特征是采用平紋組織，紗線在織物中交織點(diǎn)多，質(zhì)地堅(jiān)牢、表面平整，耐磨性好、強(qiáng)度高。

3.4 光整設(shè)備的選用

由于球形零件的圓度要求在0.003以內(nèi)，表面粗糙度為Ra0.1，因此在進(jìn)行拋光設(shè)備選擇時(shí)，要求設(shè)備應(yīng)為旋轉(zhuǎn)式，零件的研拋過程中表面能均勻受力，且能夠研拋至整個(gè)球形曲面。同時(shí)，為了保證研拋過程球圓度，球在機(jī)床上旋轉(zhuǎn)時(shí)，球形閥芯軸線應(yīng)穩(wěn)定，不能出現(xiàn)擺動態(tài)勢，因此設(shè)備精度要求高，設(shè)備精度端跳徑跳應(yīng)在0.000 5 mm。綜上，采用高精度數(shù)控車床T42裝夾研拋球形閥芯，能夠滿足球形閥芯研拋的基本要求。

圖5 拋光裝夾示意圖

3.5 研拋參數(shù)的選用

為了降低研拋過程中力和熱的影響，合理的優(yōu)選研拋參數(shù)對保證零件質(zhì)量至關(guān)重要。文中根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)對球形閥芯的研拋參數(shù)進(jìn)行摸索，通過4組不同參數(shù)進(jìn)行研拋，獲取能夠保證研拋質(zhì)量的參數(shù)用于產(chǎn)品加工，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，精細(xì)研磨過程中，轉(zhuǎn)速對研磨質(zhì)量的影響較大，因此將研磨力設(shè)置為6 N，研拋時(shí)間為2 min，研拋參數(shù)及球粗糙度檢測結(jié)果如表5所列。

表5 研拋參數(shù)與表面質(zhì)量的影響

綜上，可知轉(zhuǎn)速控制在400 m/min，研磨壓力6 N，時(shí)間2 min，可以保證零件的圓度及表面質(zhì)量要求。

4 球形閥芯表面光整的試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)閥芯表面質(zhì)量的影響因素，選用顆粒度1 μm的金剛石拋光膏，使用棉布作為研磨工具，采用高精度數(shù)控車床T42裝夾研拋，及轉(zhuǎn)速控制在400 m/min，研磨壓力6 N，時(shí)間2 min的研拋參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。進(jìn)行5組試驗(yàn)，采用三坐標(biāo)測量機(jī)及圓度儀對球型面進(jìn)行測量，圓度實(shí)測值為0.002～0.003 mm，球面表面粗糙度Ra的實(shí)測值為0.036～0.048 μm，圓度和表面粗糙度均滿足技術(shù)要求，檢測結(jié)果見表6。

表6 球形閥芯拋光后實(shí)測值記錄表

圖6 球形閥芯表面粗糙度檢測過程圖

5 結(jié) 語

從表面光整技術(shù)的機(jī)理，拋光工藝方案設(shè)計(jì)的要素分析及方案的驗(yàn)證試驗(yàn)，對球形閥芯表面光整的拋光技術(shù)進(jìn)行了全面分析。選用顆粒度1 μm的金剛石拋光膏，使用棉布作為研磨工具，采用高精度數(shù)控車床T42裝夾研拋，及轉(zhuǎn)速控制在400 m/min，研磨壓力6 N，時(shí)間2 min的研拋參數(shù)進(jìn)行加工試驗(yàn)。結(jié)果表明，選用的工藝方案適用可行，可以有效保證球形閥芯形狀精度和表面粗糙度要求。