CN101856754B - 一种空气舵扭杆加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种空气舵扭杆加工工艺，扭杆生产流程为：机械加工->热处理->加温加荷->磁粉探伤->线切割->机械加工->表面处理->角度检验->持久试验->角度检查->交付入库；其特征在于：其加工工作环境温度不低于25℃，加温加荷步骤，在工装上将扭杆扭转90度后固定，工件入炉温度不得超过30℃，随炉升温；在110-120℃情况下保持2-3小时后不马上出炉，随炉降至25-30℃后，出炉对工件卸载，使扭杆恢复原状，再对扭杆重新扭转90度安装固定，进炉随炉升温至110-120℃情况下保持1.5-2小时，产品不立即出炉，随炉降至25-30℃后，然后才出炉进行卸载，使扭杆恢复原状。

Description

一种空气舵扭杆加工工艺

技术领域

本发明涉及机械加工科学，特别提供了一种空气舵扭杆加工工艺。

背景技术

空气舵是按制导指令，控制飞行的关键装置。其中，空气舵扭杆是保证空气舵出筒后，展开、锁定的极其重要的部件。其性能的好坏，直接影响空气舵能否正常工作。空气舵扭杆在研制阶段和批生产初期，合格率一直比较低，在40％左右，严重影响了产品的生产进度和交付节点，不但增加了承制方生产成本，也不能满足产品对质量的可靠性的追求。对此，我公司在对空气舵扭杆的验收工作中，为保证产品质量，在严格生产过程控制的同时，注重对生产过程和工艺的调查、研究，开始批生产初期，就对产品生产过程全面跟踪，对每一道工序和采用的工艺手段进行分析、比对，力求在摸清规律的基础上，找出提高合格率的工艺方法。经过2005和2006年近两年的研究，已经取得成效产品合格率上升到85％以上。

该项成果在提高产品合格率的同时，保证了产品生产进度，产品质量有了进一步的保障，大幅降低了承制方生产成本，在时间紧、任务量大的情况下，保证了产品批生产的交付进度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种空气舵扭杆加工工艺。

空气舵扭杆的材料是弹簧钢，长度为371mm，工作直径为6mm，一端为长10mm的六方，一端为长10mm直径为9mm带销孔φ4的圆柱，六方端固定在空气舵的端盖的六方孔上，另一圆柱端通过φ4销钉固定在舵轴上；空气舵扭杆是空气舵舵面展开的关键零件。在发射筒中空气舵折成76°存放，扭杆也扭转76°，发射出筒后，由于扭杆的恢复作用将空气舵展开，同时，压缩在舵轴内的弹射锁钉弹出插入舵面定位孔中，将舵面与舵轴固定，舵面被固定为工作状态；弹簧是机械上的重要部件，它利用其弹性变形来吸收和释放外力，所以要求要有高的弹性极限，为防止在交变应力下发生疲劳和断裂，弹簧应具有高的疲劳强度和足够的塑性和韧性。弹簧钢为低合金弹簧钢，锰主要是提高粹透性，硅提高弹性极限。为保证弹簧有高的疲劳寿命，要求钢的纯净度高，非金属夹杂物少，表面质量高。弹簧钢的热处理工艺是淬火和中温回火，得到回火屈氏体，渗碳体以细小的颗粒分布在相的基体上，由马氏体分解产生的相已发生回复，高碳马氏体孪晶结构已经消失，相变引起的内应力已经大幅度下降。弹簧钢热处理为830℃油淬，430℃回火。

通过对已经生产的六批不合格扭杆进行分析归类，找出不合格扭杆的主要原因是：扭杆表面发纹占不合格的77％，线切割φ4孔超差占不合格的15％，永久变形试验残余角度超差占不合格的8％。根据分析归类确定了研制工作的主要方向，就是要解决扭杆表面发纹、线切割φ4孔超差问题、永久变形试验残余角度超差问题。

材料发纹产生原因

材料表面发纹是钢中夹杂物、气泡或疏松等在钢的加工变形过程中沿锻轧方行被延伸所至。其磁粉探伤的磁痕表现为呈线状，形细而直，显示强烈、磁粉聚集浓密，轮廓清晰，重现性好，多与金属纤维方向一致。发纹对工件材料的机械性能无明显影响，但在要求严格的工件上，有可能成为产生疲劳裂纹的裂纹源；钢材在加热温度不均、钢温过低或轧后冷却不当也可能形成发纹。钢中总是有夹杂物，如硫化锰、氧化铝、硅酸盐等，这些夹杂物在应力作用下都容易和基体分离，形成空洞。当加载达到滑移线场中的应力最大点落在夹杂物上时，夹杂物也就落在塑性应变较大的区域内，夹杂物与基体分离或本身碎裂，形成显微空洞，这种空洞在裂纹顶端三向应力作用下不断扩大，这时可能有两种情况：或者裂纹顶端位移再增加一些，最终达到失稳；或者裂纹顶端位移基本上不再增加而裂纹顶端的材料沿着对数螺线切变开裂；从对扭杆表面发纹大量出现在扭杆加温加荷(失效处理)后的情况分析，扭杆表面发纹应该是扭杆在扭转过程扭杆表面的夹杂物在应力作用下夹杂物与基体分离或本身碎裂，形成显微空洞，这种空洞在裂纹顶端三向应力作用下不断扩大，形成表面裂纹；原材料表面发纹是钢中夹杂、气泡或疏松等在钢的加工变形过程中沿锻轧方行被延伸所至。1％的原材料表面发纹是原材料在钢棒拉伸成型过程中产生的。

热处理后表面发纹产生原因

热处理后表面发纹是由于淬火过程有淬火应力的存在，淬火应力分为热应力和组织应力两种，工件淬火变形或开裂是这两种应力综合作用的结果。当淬火应力超过材料的屈服极限时，工件就会产生塑性变形，当淬火应力超过材料的强度极限时，工件则发生开裂。工件在加热或冷却时，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不一致而产生的内应力称为热应力。园柱工件在快速冷却过程中，表层先冷，中心后冷，表层冷却快，中心冷却慢，表层和心部始终存在着温度差。在冷却初期，由于表层冷却快、温度低、收缩量大，心部温度较高、收缩量小，故表面的收缩受到心部的抵制，于是在表层产生拉应力，心部产生压应力。到了冷却后期，表层温度的降低和体积的收缩已经终止，而心部体积继续收缩，由于心部受到表层的牵制，应力逐渐转变为拉应力，而表层则受到压应力。当整个工件冷却至室温时，内外温差消失，冷却后期的应力状态被保留下来成为残余内应力。如图1.

因此，工件淬火冷却至室温时，由热应力引起的残余应力表层为压应力，心部为拉应力。因为热应力是由于快速冷却时工件截面上温差造成的，因此，冷却速度越大，截面上的温差越大，则热应力越大。此外，淬火温度高，工件截面尺寸大或钢材导热性差，线膨胀系数大，也会增大截面温差，增大热应力。工件在冷却时，由于温差造成的不同部位组织转变不同属性而引起的内应力称为组织应力。淬火初期，当工件表层温度降到Ms点以下发生马氏体转变时，体积产生膨胀，而心部温度尚处在Ms点以上，仍为奥氏体组织，体积不发生变化。因此，表层体积膨胀受到心部的牵制，而产生压应力，心部则产生拉应力。随后在继续冷却过程中，当心部温度降低到Ms点以下，开始发生马氏体转变，体积发生膨胀时，由于表层马氏体转变已经基本结束，形成强度高、塑性低的硬壳，不能发生塑性变形，因此，心部体积膨胀受到表层的约束，则在心部产生压应力，表层产生拉应力，见图1。由此可见，组织应力引起的残余应力与热应力恰好相反，表层为拉应力，心部为压应力。组织应力的大小除与钢在马氏体转变温度范围的冷却速度、工件的尺寸、钢的导热性及奥氏体的屈服强度等有关外，还与钢的含碳量、马氏体的比容及钢的淬透性等密切相关。1％热处理后出现的表面发纹是淬火过程有淬火应力造成的。

扭杆时效后表面发纹产生原因

除材料本身及热处理产生的少数发纹外，其余表面发纹都是在扭杆加温加荷时效处理时产生的。扭杆加温加荷时效处理是在扭杆热处理后，在工装上将扭杆按照实际扭转方向扭转82°，在110℃温度情况下保持2h；出炉卸载后，继续按照实际扭转方向扭转82°，在110℃温度情况下保持1.5h，卸载后完成扭杆加温加荷时效处理。其目的是将扭杆的塑性变形消耗掉，保证扭杆在工作时扭转76°，松开后能及时准确复位，没有塑性变形。

扭杆加温加荷时效处理时应力应变分析

扭杆加温加荷时效处理就是扭杆扭转变形的过程。一等直径圆杆受到扭矩作用时，其中的应力应变分布如图2所示。在横截面上无正应力而只有切应力作用，在弹性变形阶段，横截面上各点的切应力与半径方向垂直，其大小与该点距中心的距离成正比；中心处切应力为零，表面处切应力最大，见图2。当表层产生塑性变形后，各点的切应变仍与该点距中心的距离成正比，但切应力则因塑性变形而降低，如图2所示。在园杆表面上在切线和平行于轴线的方向上切应力最大，在与轴线成45°的方向上正应力最大，正应力等于切应力。如图2.

在弹性变形范围内材料力学给出了园杆表面的切应力计算公式为

τ＝M/W    3-1

式中，τ为切应力，M为扭矩，W为截面系数。对于实心圆杆， $W=\mathrm{\π}{d}_0^3$ /16，d₀为圆杆直径。

因切应力作用而在圆杆表面产生的切应变为

γ＝tanα＝ψd₀/2l₀×100％    3-2

式中，α为圆杆表面任一平行于轴线的直线因τ的作用而转动的角度，，见图；ψ为扭转角，l₀为杆的长度。

扭杆的扭转试验

扭转试验在扭转试验机上进行，试件为圆杆，见图3。试验过程中，随着扭矩的增大，试件两端截面不断发生相对转动，使扭转角ψ增大。M-ψ关系曲线，称为扭转图，如图4。它与拉伸试验测定的真应力-真应变曲线极相似。这是因为在扭转时试件的形状不变，其变形始终是均匀的，即使进入塑性变形阶段，扭转仍随变形的增大而增加，直至试件断裂。如图3；

图4.

利用扭转图和式3-1、式3-2，可确定材料的切变模量G，扭转比例极限τ_P，扭转屈服强度τ₀，和抗扭强度τ_b等性能指标如下

$G=\mathrm{\τ}/\mathrm{\γ}=32M{l}_0/\left(\mathrm{\π\ψ}{d}_0^4\right)---3-3$

τ_P＝M_P/W    3-4

式中，M_P为扭转曲线开始偏离直线时的扭矩。确定M_P时，用曲线上某点的切线与纵坐标轴夹角的正切值比与纵坐标夹角的正切值大50％，则该点所对应的扭矩即定为M_P。

τ_0.3＝M_0.3/W    3-5

式中，M_0.3为残余扭转切应变0.3％时的扭矩。确定扭转屈服强度时的残余切应变取0.3％，是为了和确定拉伸屈服强度时取残余正应变为0.2％相当。

τ_b＝M_b/W    3-6

式中，M_b为试件断裂前的最大扭矩，应当指出，τ_b仍然是按弹性变形状态下的公式计算的。由图可知，它比真实的抗扭强度大，故称为条件抗扭强度。考虑塑性变形的影响，应采用塑性状态下的公式计算真实抗扭强度τ_k。

${\mathrm{\τ}}_k=\frac{4}{\mathrm{\π}{d}_0^3}[3M_k+{\mathrm{\θ}}_k{\left(\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{d\θ}}\right)}_k]---3-7$

式中，M_k为试件断裂前的最大扭矩，θ_k为试件断裂时单位长度上的相对扭转角， ${\mathrm{\θ}}_k=\mathrm{d\ψ}/\mathrm{dl};{\left(\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{d\θ}}\right)}_k$ 为M-θ曲线上＝M_k点的切线的斜率tanα，如图5所示。

若M-θ曲线的最后部分与横坐标轴近于平行，则 $\left(\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{d\θ}}\right)=0.$ 于是，式3-7可简化为

${\mathrm{\τ}}_k=12M_k/\mathrm{\π}{d}_0^3---3-8$

扭杆为60Si2MnA园棒，材料的屈服强度扭转直径为6mm，σ_0.2为1180MPa，σ_0.2为扭杆的极限应力，超过σ_0.2则扭杆发生破坏。由于扭杆为关键件，因此设计安全系数应选在5以上，按5考虑，因此扭杆的许用应力[σ]

$\left[\mathrm{\σ}\right]=\frac{\mathrm{\σ}}{n}=\frac{1180}{5}=236\mathrm{MPa}$

一般对于钢材

[τ]＝0.5[σ]    3-9

因此扭杆的材料许用剪应力[τ]＝0.5×236＝118MPa

根据式3-1求得扭杆表面最大切应力

$\mathrm{\&tau;}=M/W=\frac{42\&times;1000}{16\&times;3.14\&times;6^3}=3.87N/{\mathrm{mm}}^2=3.87\mathrm{MPa}<\left[\mathrm{\&tau;}\right]=118\mathrm{MPa}$

根据理论计算可以看出扭杆扭转时扭杆表面最大切应力远小于扭杆的材料许用剪应力，因此扭杆在正常扭转时，是不应该出现开裂情况的。

但实际扭杆在扭转过程表面出现了较多的裂纹，此类裂纹应归于疲劳裂纹，由于工件两次扭转，在交变应力作用下材料本身在表面存在偏析或杂质，在切应力作用下造成该处开裂。其磁粉特征是呈线状，显示强烈，磁粉聚集集中，轮廓较清晰，重现性好。

发纹的产生是一个较简单的三个连续阶段：局部塑性应变的开始，微裂纹的形核与微裂纹的扩展。裂纹的产生与扭转变形的应变率á有关。

á＝dε/dt    3-10

由式3-2扭杆的切应变为ε＝tanα＝ψd₀/2l₀×100％

                       ＝82×6÷2÷350×100％

                       ＝70.285％

扭杆扭转时间为0.5s，则由式3-10得

应变率á＝dε/dt＝0.70285/0.5＝1.4057

应变率范围划分，属于高动态变化。扭转速度对于扭杆的表面切应力影响很大。根据式3-1求得扭杆加温加荷扭杆表面最大切应力为3.87MPa，但这是在静态下的数值。在高动态下，扭杆表面最大切应力要比静态下的大的多。在较大的扭杆表面最大切应力作用下，在扭杆表面存在偏析或杂质的薄弱部位，发生了局部塑性应变的开始，微裂纹的形核与微裂纹的扩展。同时材料对于温度也很敏感，特别在10℃以下，材料脆性增大，有利于裂纹形成。

扭杆线切割φ4孔超差问题原因

扭杆φ9端头上的φ4孔是由扭杆热处理前的φ2工艺孔线切割扩大而成，φ4孔与六方端头的角度是由工装夹具保证的。线切割φ4孔超差现象都是φ4口边缘有一侧有没割到，形成一个小倒角，基本不超过0.06mm。通过对于此问题的出现进行认真分析，产生问题的原因一是扭杆加温加荷时效处理后残余变形大，φ2工艺孔位置保证不了切割扩大为φ4孔；二是φ2可能实际比理论值要大。经过两个批次的尺寸检查跟踪，断定问题的产生是在φ2钻孔过程中由于钻头的晃动和选用的钻头为φ2，因此有一部分的φ2孔实际尺寸达到φ2.2，这部分扭杆在线切割φ4孔时大部分出现了孔超差情况，即边缘有一侧有没切割到，形成一个小倒角。

本发明提供了一种空气舵扭杆加工工艺，扭杆生产流程为：机械加工→热处理→加温加荷→磁粉探伤→线切割→机械加工→表面处理→角度检验→持久试验→角度检查→交付入库；其特征在于：其加工工作环境温度不低于25℃，加温加荷步骤，在工装上将扭杆旋转固定后，工件入炉温度不得超过30℃，随炉升温；在110-120℃情况下保持2-3小时后不马上出炉，随炉降至25-30℃后，出炉对工件卸载，使扭杆恢复原状，再对扭杆重新扭转90度安装固定，进炉随炉升温至110-120℃情况下保持1.5-2小时，产品不立即出炉，随炉降至25-30℃后，然后才出炉进行卸载，使扭杆恢复原状。

所述空气舵扭杆加工工艺，在扭杆扭转时扭转速度要均匀，每根扭杆扭转及卸载时间不小于5秒钟；将应变率á降为小于0.14057。

所述空气舵扭杆加工工艺，线切割步骤采取减少伸出钻头长度，减少钻头晃动量，减小钻头直径到1.8-1.9mm。

本发明的优点：该项成果在提高产品合格率的同时，保证了产品生产进度，产品质量有了进一步的保障，大幅降低了承制方生产成本，在时间紧、任务量大的情况下，保证了产品批生产的交付进度。

附图说明

图1为工件冷却时应力变化示意图；

图2为扭转试件中的应力与应变；

图3为扭转试件；

图4为扭转图；

图5为求

图解法。

具体实施方式

实施例1

一种空气舵扭杆加工工艺，扭杆生产流程为：机械加工→热处理→加温加荷→磁粉探伤→线切割→机械加工→表面处理→角度检验→持久试验→角度检查→交付入库；其加工工作环境温度不低于25℃，加温加荷步骤，在工装上将扭杆扭转90度后固定，工件入炉温度不得超过30℃，随炉升温；在110-120℃情况下保持2-3小时后不马上出炉，随炉降至25-30℃后，出炉对工件卸载，使扭杆恢复原状，再对扭杆重新扭转90度安装固定，进炉随炉升温至110-120℃情况下保持1.5-2小时，产品不立即出炉，随炉降至25-30℃后，然后才出炉进行卸载，使扭杆恢复原状。

本实施例所述空气舵扭杆加工工艺，在扭杆扭转时扭转速度要均匀，每根扭杆扭转及卸载时间不小于5秒钟；将应变率á降为0.14057以内。

本实施例所述空气舵扭杆加工工艺，线切割步骤伸出钻头长度小于15mm，钻头直径1.8-1.9mm。

Claims (3)

1.一种空气舵扭杆加工工艺，扭杆生产流程为：机械加工->热处理->加温加荷->磁粉探伤->线切割->机械加工->表面处理->角度检验->持久试验->角度检查->交付入库；其特征在于：其加工工作环境温度不低于25℃，加温加荷步骤，在工装上将扭杆扭转90度后固定，工件入炉温度不得超过30℃，随炉升温；在110-120℃情况下保持2-3小时后不马上出炉，随炉降至25-30℃后，出炉对工件卸载，使扭杆恢复原状，再对扭杆重新扭转90度安装固定，进炉随炉升温至110-120℃情况下保持1.5-2小时，产品不立即出炉，随炉降至25-30℃后，然后才出炉进行卸载，使扭杆恢复原状。

2.按照权利要求1所述空气舵扭杆加工工艺，其特征在于：在扭杆扭转时扭转速度要均匀，每根扭杆扭转及卸载时间不小于5秒钟；将应变率á降为0.14057以内。

3.按照权利要求1所述空气舵扭杆加工工艺，其特征在于：线切割步骤伸出钻头长度小于15mm，钻头直径1.8-1.9mm。

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