CN102626848B - 柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法及其装置。加工方法包括以下步骤：1)锻件坯料制备；2)粗车；3)调质热处理；4)半精车内球面；5)去应力回火；6)车基准；7)精车内球面；8)精车外球面。实现该加工方法的装置，包括内球面专用夹具和外球面专用夹具。本发明采用专用工装以及特殊的装夹及找正方法，加工薄壁双球面增强件，加工精度较高，形位公差完全满足产品设计精度要求。用本发明所提供的方法制成的产品，经多次地面试验考核，均取得圆满成功。本发明的加工方法不仅可以用于加工薄壁双球面增强件，还可以用于其他类似薄壁球面产品的加工控制。

Description

柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机柔性喷管增强件的加工方法，具体指一种柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法及其装置。

背景技术

固体火箭发动机是航天飞行器的动力装置，它是由装药燃烧室、喷管和点火装置等构成。柔性喷管是固体火箭发动机的喷管中应用比较普遍的一种可动喷管。

柔性喷管是固体火箭发动机的一个关键部件，它是由活动体、固定体及柔性接头3大部件组成。喷管摆动的执行部件是柔性接头，借助于柔性接头实施喷管摆动，达到推力向量调节的目的，具有性能稳定，密封可靠、可潜入等一系列优点。

柔性接头是一种非刚性承压密封连接件，由若干同心的环状球体的弹性件(橡胶)和增强件(钢或复合材料)相互交替地粘接在一起，前后各有法兰组成的一个完整部件。柔性接头在受到轴向及横向载荷作用时，增强件是使柔性接头保持基本结构形状的承力件，因此，增强件应满足保护柔性接头、防止柔性接头有受压变形的要求。

依据增强件的工作环境，增强件主要承受拉伸和压缩应力的作用，破坏多由压缩应力或层间剪切所致，因此，增强件的材质多选力学性能较高的高强度钢(抗拉强度1000MPa～1100MPa)。作为柔性接头的增强件应当具有高比强度、高比模量、且有良好的力学性能和工艺性能，因此，选用30CrMnSiA锻件进行加工。

由于柔性接头是由增强件与弹性件相互叠加而成，组装后要求柔性接头上、下两端面的平行度不大于0.06mm，同轴度不大于0.2mm，这就对组成柔性接头的10个增强件提出了很高的精度要求。对于每一个球半径不同的双球面增强件来说，要求它们的厚度均匀性好、内外球面的同轴度高。

为了确保产品精度满足要求，不但要在产品加工方面寻求最佳的工艺流程和参数，同时需要制做十套不同的专用工装，工装的精度要精准，否则容易造成增强件的型面偏差大以及柔性接头的不同轴。因此，薄壁双球面增强件产品加工的难点是壁厚薄、球半径以及同轴度精度高。

由于柔性接头要具有足够的刚性和较小的质量，因此，要求柔性接头的增强件在满足刚性的前提下，壁厚尽可能薄。柔性接头的增强件产品设计要求壁厚偏差不大于±0.1mm，上、下两端面平行度要求不大于0.06mm，内外球面的同轴度要求不大于0.2mm，内球面半径要求为SR±0.08，外球面半径要求为SR±0.08；表面粗糙度要求为Ra3.2。

目前，制造柔性喷管球形薄壁增强件时，先采用增加锻件长度用于工艺夹头，一次装夹数控车加工内外球面后，再将工艺夹头切掉。此工艺存在的问题是加工中零件振动大、表面粗糙度差、尺寸精度差，切掉工艺夹头后零件变形较大，而且还浪费了大量的材料。

因此，在加工中首先要解决的问题是装夹，另外就是在加工中控制装夹变形和切削变形，同时要保证内外球面的同轴度。这样在增强件与弹性件交互叠加粘接时才能保证柔性接头的整体同轴度及平行度。

综上所述，如何解决薄壁双球面增强件的装夹变形与加工变形，保证尺寸精度及形位公差是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是寻求最佳的装夹及加工方法，克服现有技术的缺陷，保证无加长夹头薄壁双球面增强件加工精度及形位公差，提供一种合理有效的柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法。

本发明的另一目的是提供实现该加工方法的装夹装置。

为实现上述目的，本发明所设计的柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法，包括以下步骤：

1)锻件坯料制备：按照产品最大外形尺寸留加工余量，采用常规锻造工艺方法制备环形锻件坯料；

2)粗车：车加工去除环形锻件坯料的表面缺陷及大部分加工余量，保证后续调质热处理的淬透性和机械加工效率，并在外表面上车加工出后续装夹的工艺夹头；

3)调质热处理：按照常规的热处理方法对粗车后的零件进行淬火+高温回火调质热处理；

4)半精车内球面：找正粗车后的零件的外圆及端面对称四点，装夹工艺夹头，将零件的A端面及工艺夹头的B端面车加工见光，并半精车加工内球面；

5)去应力回火：对半精车后的零件进行去应力回火，减小加工应力；

6)车基准：装夹工艺夹头外圆面，找正后，将零件的A端面及工艺夹头的B端面再进行车加工见光；

7)精车内球面：采用内球面专用夹具装夹，以工艺夹头的B端面定位，压紧工艺夹头的C端面，精车零件的内球面、出口锥面及A端面；

8)精车外球面：采用外球面专用夹具装夹，使外球面专用夹具的球面与零件的内球面相吻合，以零件的内球面定位，找正零件的A端面和外圆，压紧出口锥面后，精车零件的外球面，将工艺夹头和零件的A端面一并车除，即可得到柔性喷管薄壁双球面增强件。

进一步地，所说的步骤1)中，环形锻件坯料按照零件最大外形尺寸留单面加工余量5～10mm。

进一步地，所说的步骤2)中，零件粗车留后续单面加工余量3～6mm。

进一步地，所说的步骤3)中，调质热处理后材料硬度要求为33～38HRC，以提高零件材料的机械性能。

进一步地，所说的步骤4)中，半精车内球面采用端面定位、装夹，减少径向装夹变形；半精车留后续精车单面加工余量1～2mm。

进一步地，所说的步骤5)中，去应力回火的条件为350～450℃，保温180～320min。这样，可以减小零件后序加工变形。

进一步地，所说的步骤6)中，车基准加工后在自由状态检测零件的A端面及工艺夹头的B端面的平行度、平面度误差在0.03mm以内。这样，为后续精车加提供精准的基准。

进一步地，所说的步骤8)中，精车外球面找正零件的A端面、外圆均布4点跳动不大于0.02mm。

本发明采用数控车加工以提高加工精度和加工效率。

本发明中，精车内球面采用内球面专用夹具，精车外球面采用外球面专用夹具，装夹时既保证零件便于装夹，又可控制零件加工变形。

本发明所设计的实现上述加工方法的装夹装置，包括内球面专用夹具和外球面专用夹具，所述内球面专用夹具包括环形底板，所述环形底板上端面靠近内圈处嵌置有用于支承工艺夹头的B端面的环形平台，所述环形底板上端面靠近环形平台外侧处沿周向均布有用于压紧工艺夹头的C端面的压板，所述压板通过联接螺栓与环形底板上端面相连，从而将工艺夹头固定在压板和环形底板之间；所述外球面专用夹具包括底座，所述底座的上部外球面与零件的内球面相吻合，所述底座顶部设置有用于压紧零件出口锥面的锥面压板，所述锥面压板通过压紧螺栓与底座上端面相连，从而将零件固定在锥面压板和底座之间。

优选地，所述底座的上部外球面沿周向均布有便于手动调整零件坐落位置的U形槽。这样，可以在找正调整时，防止底座与零件的内球面形成真空。

本发明的有益效果：采用本发明的加工方法和专用夹具来加工薄壁双球面增强件，加工精度高，完全满足产品设计精度要求，产品设计要求壁厚偏差不大于±0.06mm；上、下两端面平行度不大于0.04mm；内外球面的同轴度要求不大于0.15mm；内球面半径为SR±0.06；外球面半径为SR±0.05；表面粗糙度为Ra3.2，而且还节约了80％的原材料，技术效果明显。

用本发明所提供的方法制成的增强件，不但各尺寸及形位公差满足设计要求，而且十件增强件与弹性件交互叠加制成的柔性接头形位公差及外形尺寸也满足设计要求，该产品已顺利通过多次地面试验。本发明的加工方法不仅可以用于加工无夹头双球面薄壁增强件加工，还可以用于其他类似产品的加工控制。

附图说明

图1为柔性喷管薄壁双球面增强件的结构示意图。

图2为环形锻件坯料的结构示意图。

图3为粗车后的结构示意图。

图4为半精车后的结构示意图。

图5为内球面专用夹具的俯视结构示意图。

图6为采用图5所示夹具精车零件内球面的安装结构示意图。

图7为外球面专用夹具的俯视结构示意图。

图8为采用图7所示夹具精车零件外球面的安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

图5中所示的内球面专用夹具5包括环形底板5.4，环形底板5.4上端面靠近内圈处嵌置有用于支承工艺夹头10的B端面的环形平台5.2，环形底板5.4上端面靠近环形平台5.2外侧处沿周向均布有用于压紧工艺夹头10的C端面的压板5.1，压板5.1通过联接螺栓5.3与环形底板5.4上端面相连，从而将工艺夹头10固定在压板5.1和环形底板5.4之间。

图7中所示的外球面专用夹具6包括底座6.2，底座6.2的上部外球面与零件的内球面7相吻合，底座6.2顶部设置有用于压紧零件出口锥面8的锥面压板6.1，锥面压板6.1通过压紧螺栓6.3与底座6.2上端面相连，从而将零件固定在锥面压板6.1和底座6.2之间。底座6.2的上部外球面沿周向均布有便于手动调整零件坐落位置的U形槽6.2.1。

实施例1

针对某柔性喷管增强件，内圆弧尺寸为SR159.15mm，外圆弧尺寸为SR161.75mm，壁厚为2.6mm，材料为30CrMnSiA高强度钢，调质后抗拉强度为1000MPa，加工控制过程如下：

1)锻件坯料制备：按照图1所示的最终产品柔性喷管薄壁双球面增强件1的最大外形尺寸，留单面加工余量5mm，采用常规锻造工艺方法制备环形锻件坯料2，其外形结构如图2所示；

2)粗车：用车床卡盘装夹环形锻件坯料2的外圆d1面，车加工去除环形锻件坯料2的表面缺陷及大部分加工余量，保证后续调质热处理的淬透性和机械加工效率，并在外表面上车加工出后续装夹的工艺夹头10，零件粗车留后续单面加工余量3mm，粗车后的零件3的外形结构如图3所示；

3)锻件坯料调质热处理：按照常规的热处理方法对粗车后的零件3进行淬火+高温回火调质热处理，提高材料的综合力学性能，调质热处理后材料硬度要求为33HRC；

4)半精车内球面：找正粗车后的零件3的外圆d2面及端面对称四点，装夹工艺夹头10，将零件的A端面及工艺夹头10的B端面车加工见光，以工艺夹头10的B端面定位，压紧工艺夹头10的C端面，找正后数控半精车加工内球面7，半精车留后续精车单面加工余量1mm，半精车后的零件4的外形结构如图4；

5)去应力回火：对半精车后的零件4进行去应力回火，减小加工应力，去应力回火采用350℃保温180min；

6)车基准：装夹工艺夹头10外圆d2面，找正后，将零件的A端面及工艺夹头10的B端面再进行车加工见光，加工后在自由状态检测零件的A端面及工艺夹头10的B端面的平行度、平面度误差在0.03mm以内；

7)精车内球面：采用内球面专用夹具5装夹，环形平台5.2支承工艺夹头10的B端面，压板5.1压紧工艺夹头10的C端面，通过联接螺栓5.3将工艺夹头10固定在压板5.1和环形底板5.4之间，以工艺夹头10的B端面定位，压紧工艺夹头10的C端面，找正内球面7径向跳动不大于0.05mm，数控精车零件的内球面7、出口锥面8及A端面，零件精车内球面的安装如图6所示；

8)精车外球面：采用外球面专用夹具6装夹，使外球面专用夹具6的球面与零件的内球面7相吻合，以零件的内球面7定位，找正零件的A端面、外圆均布4点跳动不大于0.02mm后，压紧出口锥面8后，数控精车零件的外球面9，将工艺夹头10和零件的A端面一并车除，即可得到柔性喷管薄壁双球面增强件1，零件精车外球面的安装如图8所示。

用上述方法对增强件精加工后，产品精度较高，完全满足产品设计精度要求，内外球面不同心度为0.1mm；壁厚偏差不大于±0.06mm；两端面平行度不大于0.03mm；内球面半径为SR159.15±0.05mm；外球面半径为SR161.75±0.04mm；表面粗糙度为Ra3.2。外形尺寸满足装配及使用要求，试验取得圆满成功。

实施例2

针对某柔性喷管增强件，内圆弧尺寸为SR179.15mm，外圆弧尺寸为SR181.75mm，壁厚为2.6mm，材料为30CrMnSiA高强度钢，调质后抗拉强度为1100MPa，加工控制过程如下：

1)锻件坯料制备：按照图1所示的最终产品柔性喷管薄壁双球面增强件1的最大外形尺寸，留单面加工余量10mm，采用常规锻造工艺方法制备环形锻件坯料2，其外形结构如图2所示；

2)粗车：用车床卡盘装夹环形锻件坯料2的外圆d1面，车加工去除环形锻件坯料2的表面缺陷及大部分加工余量，保证后续调质热处理的淬透性和机械加工效率，并在外表面上车加工出后续装夹的工艺夹头10，零件粗车留后续单面加工余量6mm，粗车后的零件3的外形结构如图3所示；

3)锻件坯料调质热处理：按照常规的热处理方法对粗车后的零件3进行淬火+高温回火调质热处理，提高材料的综合力学性能，调质热处理后材料硬度要求为38HRC；

4)半精车内球面：找正粗车后的零件3的外圆d2面及端面对称四点，装夹工艺夹头10，将零件的A端面及工艺夹头10的B端面车加工见光，以工艺夹头10的B端面定位，压紧工艺夹头10的C端面，找正后数控半精车加工内球面7，半精车留后续精车单面加工余量2mm，半精车后的零件4的外形结构如图4；

5)去应力回火：对半精车后的零件4进行去应力回火，减小加工应力，去应力回火采用450℃保温320min；

6)车基准：装夹工艺夹头10外圆d2面，找正后，将零件的A端面及工艺夹头10的B端面再进行车加工见光，加工后在自由状态检测零件的A端面及工艺夹头10的B端面的平行度、平面度误差在0.03mm以内；

7)精车内球面：采用内球面专用夹具5装夹，环形平台5.2支承工艺夹头10的B端面，压板5.1压紧工艺夹头10的C端面，通过联接螺栓5.3将工艺夹头10固定在压板5.1和环形底板5.4之间，以工艺夹头10的B端面定位，压紧工艺夹头10的C端面，找正内球面7径向跳动不大于0.05mm，数控精车零件的内球面7、出口锥面8及A端面，零件精车内球面的安装如图6所示；

8)精车外球面：采用外球面专用夹具6装夹，使外球面专用夹具6的球面与零件的内球面7相吻合，以零件的内球面7定位，找正零件的A端面、外圆均布4点跳动不大于0.02mm后，压紧出口锥面8后，精车零件的外球面9，将工艺夹头10和零件的A端面一并车除，即可得到柔性喷管薄壁双球面增强件1，零件精车外球面的安装如图8所示。

用上述方法对增强件精加工后，产品精度较高，完全满足产品设计精度要求，内外球面不同心度为0.15mm；壁厚偏差不大于±0.06mm；两端面平行度不大于0.04mm；内球面半径为SR179.15±0.05mm；外球面半径为SR181.75±0.04mm；表面粗糙度为Ra3.2。外形尺寸满足装配及使用要求，试验取得圆满成功。

Claims (6)

1.一种柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法，包括以下步骤：

1）锻件坯料制备：按照产品最大外形尺寸留单面加工余量5～10mm，采用常规锻造工艺方法制备环形锻件坯料（2）；

2）粗车：车加工去除环形锻件坯料（2）的表面缺陷及大部分加工余量，零件粗车留后续单面加工余量3～6mm，保证后续调质热处理的淬透性和机械加工效率，并在外表面上车加工出后续装夹的工艺夹头（10）；

3）调质热处理：按照常规的热处理方法对粗车后的零件（3）进行淬火+高温回火调质热处理；

4）半精车内球面：找正粗车后的零件（3）的外圆及端面对称四点，装夹工艺夹头（10），将零件的A端面及工艺夹头（10）的B端面车加工见光，并半精车加工内球面（7），半精车留后续精车单面加工余量1～2mm；

5）去应力回火：对半精车后的零件（4）进行去应力回火，去应力回火的条件为350～450℃，保温180～320min，减小加工应力；

6）车基准：装夹工艺夹头（10）外圆面，找正后，将零件的A端面及工艺夹头（10）的B端面再进行车加工见光；

7）精车内球面：采用内球面专用夹具（5）装夹，以工艺夹头（10）的B端面定位，压紧工艺夹头（10）的C端面，精车零件的内球面（7）、出口锥面（8）及A端面；

8）精车外球面：采用外球面专用夹具（6）装夹，使外球面专用夹具（6）的球面与零件的内球面（7）相吻合，以零件的内球面（7）定位，找正零件的A端面和外圆，压紧出口锥面（8）后，精车零件的外球面（9），将工艺夹头（10）和零件的A端面一并车除，即可得到柔性喷管薄壁双球面增强件（1）。

2.根据权利要求1所述柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法，其特征在于：在步骤3）中，调质热处理后材料硬度要求为33～38HRC。

3.根据权利要求1所述柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法，其特征在于：在步骤6）中，车基准加工后在自由状态检测零件的A端面及工艺夹头（10）的B端面的平行度、平面度误差在0.03mm以内。

4.根据权利要求1所述柔性喷管薄壁双球面增强件的加工方法，其特征在于：在步骤8）中，精车外球面找正零件的A端面、外圆均布4点跳动不大于0.02mm。

5.一种实现权利要求1所述加工方法的装夹装置，包括内球面专用夹具（5）和外球面专用夹具（6），其特征在于：

所述内球面专用夹具（5）包括环形底板（5.4），所述环形底板（5.4）上端面靠近内圈处嵌置有用于支承工艺夹头（10）的B端面的环形平台（5.2），所述环形底板（5.4）上端面靠近环形平台（5.2）外侧处沿周向均布有用于压紧工艺夹头（10）的C端面的压板（5.1），所述压板（5.1）通过联接螺栓（5.3）与环形底板（5.4）上端面相连，从而将工艺夹头（10）固定在压板（5.1）和环形底板（5.4）之间；

所述外球面专用夹具（6）包括底座（6.2），所述底座（6.2）的上部外球面与零件的内球面（7）相吻合，所述底座（6.2）顶部设置有用于压紧零件出口锥面（8）的锥面压板（6.1），所述锥面压板（6.1）通过压紧螺栓（6.3）与底座（6.2）上端面相连，从而将零件固定在锥面压板（6.1）和底座（6.2）之间。

6.根据权利要求5所述的装夹装置，其特征在于：所述底座（6.2）的上部外球面沿周向均布有便于手动调整零件坐落位置的U形槽（6.2.1）。

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