CN103252619A - 轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法及其夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法及其夹具。加工方法包括以下步骤：1）安装及车加工固定喷管壳体；2）配车活动喷管壳体；3）组合铣；4）车除活动喷管壳体坯料下端的定位凸台。实现该加工方法的夹具，包括法兰盘底板，法兰盘底板中央设有中心杆，中心杆下部同轴套设有支撑环，支撑环底部与法兰盘底板固定连接，支撑环顶部内壁设有用于搁置活动喷管壳体坯料的凸缘，中心杆上部套设有用于压紧活动喷管壳体坯料的活动压板。用本发明所提供的方法和夹具制成的轴承球窝摆动喷管经过多次地面试验考核，产品质量完全满足设计要求。本发明方法不仅可以用于加工求轴承球窝摆动喷管壳体，还可以用于其他类似组合产品的加工控制。

Description

轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法及其夹具

技术领域

本发明涉及固体火箭发动机轴承球窝摆动喷管，具体指一种轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法及其夹具。

背景技术

在固体火箭发动机制造领域，推力矢量控制技术也称推力转向技术，通过控制火箭发动机喷管喷流方向来控制导弹机动变轨飞行。目前，常用的推力矢量控制装置包括柔性摆动喷管和球窝摆动喷管。如图1~3所示，轴承球窝摆动喷管属于球窝摆动喷管中的一种，主要包括固定喷管壳体1、活动喷管壳体2、一对摆动轴3、密封圈等零部件组成，活动喷管壳体2和固定喷管壳体1之间用密封腻子填充，喷管具有单向摆动功能。与柔性喷管相比，轴承球窝摆动喷管具有作动力矩小、摆心偏移小和结构简单等优点。

密封性良好是轴承球窝摆动喷管正常工作的前提，喷管静止和摆动过程中都应具备良好的密封性。喷管静止时，密封性受固定喷管壳体1与活动喷管壳体2装配后两者之间的内球面B和外球面E之间间隙分布影响，间隙过大，喷管无法密封，间隙过小或不均匀，喷管摆动困难。喷管摆动时，固定喷管壳体1和活动喷管壳体2相互转动，球面间隙受固定喷管壳体1的球心、活动喷管壳体2的球心和连接两者的摆动轴安装孔中心轴线重合精度影响，当三者重合时喷管摆动球面间隙不变。因此，保证轴承球窝摆动喷管密封性的关键是控制球面间隙，以及固定喷管壳体1、活动喷管壳体2、摆动轴内安装孔101、102、摆动轴外安装孔201、202中心轴线重合精度。设计要求指标为：固定喷管壳体1和活动喷管壳体2装配后球面单边间隙值0.1mm～0.2mm，固定喷管壳体1内球面B球心、活动喷管壳体2外球面E球心和摆动轴3中心轴线重合，位置度不超过±0.03mm。

现有技术中一般采用固定喷管壳体1和活动喷管壳体2分开铣加工轴承安装孔，产品组装时易出现摆动轴内安装孔101、102与摆动轴外安装孔201、202孔径错位，摆动轴3安装困难，同时喷管摆动时球面间隙值不断变化。并且，由于摆动轴3与安装孔为小间隙配合，单边间隙值为0.01mm～0.25mm，分开加工导致固定喷管壳体1和活动喷管壳体2对应轴承孔内径不一致，摆动轴3无法顺利安装。分开加工后的误差积累还容易导致固定喷管壳体1、活动喷管壳体2、摆动轴内安装孔101、102、摆动轴外安装孔201、202孔径中心轴线不重合，喷管工作时球面间隙值不断变化，影响了喷管密封性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中对轴承球窝摆动喷管进行分开铣加工，导致喷管密封性能不佳的缺陷，提供一种能保证喷管内轴承安装孔尺寸一致、并与中心轴线重合的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法。

本发明的另一目的是提供实现上述方法的夹具。

为实现上述目的，本发明所设计的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法，包括以下步骤：

1）安装及车加工固定喷管壳体：将固定喷管壳体坯料的法兰盘向下固定在带有支撑环的夹具上，支撑环的内壁具有向上突出的凸缘，将固定喷管壳体坯料和支撑环一起车加工，加工固定喷管壳体坯料的上端面A、固定喷管壳体坯料内的球型内腔的内球面B、支撑环的内孔及凸缘上端面C，车加工前，所述凸缘抵住内球面B的下边缘，且凸缘上端面C高于内球面B的下边缘，以保证凸缘上端面C有余量同固定喷管壳体坯料一起车加工；实测记录所述上端面A到凸缘上端面C的高度值、内球面B球径、支撑环内孔径；

2）配车活动喷管壳体：依据步骤1）的实测尺寸，配车活动喷管壳体坯料的外球面E、外球面E上边缘处的上环台面F、外球面E下边缘处的下环台面D、下环台面D内侧的定位凸台、以及定位凸台的下端面G，所述下环台面D用以与所述凸缘上端面C抵接配合；其中，根据所述内球面B与所述外球面E的理论间隙值计算得到外球面E的球径；所述上环台面F到所述下端面G的高度等于所述上端面A到凸缘上端面C高度值加上6mm；所述定位凸台的外壁与支撑环内孔间隙配合；

3）组合铣：将车加工后的固定喷管壳体坯料及活动喷管壳体坯料以内球面B与外球面E的球心重合的方式固定在夹具上，并压紧以防止发生相对位移，同步铣加工内球面B上对称布置的摆动轴内安装孔、外球面E上对称布置的摆动轴外安装孔，得到加工完毕的固定喷管壳体；

4）车除活动喷管壳体坯料下端的定位凸台，然后车出活动喷管壳体坯料上的密封槽，得到加工完毕的活动喷管壳体。

优选地，所述步骤1）中，车加工前，支撑环的凸缘上端面C高于内球面B的下边缘0.3mm。

优选地，所述定位凸台的外壁与支撑环内孔之间的单边间隙值为0.02mm～0.04mm。

本发明所设计的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工夹具，包括法兰盘底板，所述法兰盘底板边缘沿周向设置有螺栓组件，用以与固定喷管壳体坯料的法兰盘固定连接；所述法兰盘底板中央设有中心杆，所述中心杆下部同轴套设有支撑环，所述支撑环底部与法兰盘底板固定连接，所述支撑环顶部内壁设有用于搁置活动喷管壳体坯料的凸缘，所述中心杆上部套设有用于压紧活动喷管壳体坯料的活动压板。

优选地，所述活动压板上面的中心杆上设有锁紧螺母。

本发明的有益效果：

本发明加工方法将固定喷管壳体和活动喷管壳体组装后加工，使内外球面的球心重合，球面间隙均匀，加工成品完全满足设计精度要求，降低了产品的报废率，并且大幅提高加工精度和加工效率。

本发明提供的夹具与固定喷管壳体连接固定，活动喷管壳体预留定位凸台与夹具配车，借助活动压板压紧固定两喷管壳体。实现了轴承球窝摆动喷管壳体的组合铣加工，固定喷管壳体和活动喷管壳体加工精度高，完全满足产品设计要求。固定喷管壳体和活动喷管壳体球面单边间隙设计值0.1mm～0.2mm，实际值为0.1mm～0.17mm，间隙均匀。固定喷管壳体内球面球心、活动喷管壳体外球面球心、摆动轴外安装孔、摆动轴内安装孔中心轴线重合，位置度不超过±0.03mm，实际位置度不超过±0.02mm。

用本发明所提供的方法和夹具制成的轴承球窝摆动喷管经过多次地面试验考核，产品质量完全满足设计要求。本发明的处理方法不仅可以用于加工求轴承球窝摆动喷管壳体，还可以用于其他类似组合产品的加工控制。

附图说明

图1为固定喷管壳体的结构示意图。

图2为活动喷管壳体的结构示意图。

图3为图1所示固定喷管壳体与图2所示活动喷管壳体的装配结构结构图。

图4为本发明轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工夹具的结构示意图。

图5为安装在图4所示夹具的法兰盘底板上的固定喷管壳体坯料的结构示意图。

图6为活动喷管壳体坯料的结构示意图。

图7为图4所示夹具的使用状态示意图。

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1~3为现有轴承球窝摆动喷管壳体的结构示意图已在背景技术中详细，此处不再重复叙述。

如图4所示，本发明的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工夹具，包括法兰盘底板4，其法兰盘底板4边缘沿周向设置有螺栓组件8，用以与固定喷管壳体坯料10的法兰盘11固定连接；其法兰盘底板4中央设有中心杆5，中心杆5下部同轴套设有支撑环7，支撑环7底部与法兰盘底板4固定连接，支撑环7顶部内壁设有用于搁置活动喷管壳体坯料20的凸缘7.1，中心杆5上部套设有用于压紧活动喷管壳体坯料20的活动压板6，活动压板6上面的中心杆5上设有锁紧螺母9。

如图7所示，使用上述夹具时，将法兰盘底板4与固定喷管壳体坯料10的法兰盘11对接，通过螺栓组件8连接固定，首次使用夹具时，支撑环7的凸缘上端面C比固定喷管壳体坯料10的内球面B的下边缘高约0.3mm，保证凸缘上端面C有余量一起车加工；非首次使用夹具前应车法兰盘底板4上与所述法兰盘11相对接的法兰圈K面，车削余量约0.3mm，保证与固定喷管壳体坯料10装配后，凸缘上端面C有余量。

由于每次夹具和固定喷管壳体坯料10组合车加工时，支撑环7内孔均会见光，凸缘7.1的宽度值δ在使用过程中会逐渐变小，当δ小于3mm时，夹具停止使用，需新制，因为δ值过小时，活动喷管壳体坯料20的定位凸台21与夹具装配后定位面较小，活动喷管壳体坯料20定位不牢，易引起加工中活动喷管壳体坯料20和固定喷管壳体坯料10产生相互移动，导致产品超差甚至报废。因此，夹具为有限寿命夹具。

以下详述利用上述轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工夹具实现本发明铣加工方法的步骤。

实施例1

针对某轴承球窝摆动喷管壳体，固定喷管壳体内球面球径为SR130 mm±0.05mm，固定喷管壳体1和活动喷管壳体2球面单边间隙值要求0.1mm～0.2mm，固定喷管壳体球心、摆动轴内安装孔、活动喷管壳体球心和摆动轴外安装孔中心轴线重合，位置度不超过±0.03mm。

轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法，包括以下步骤：

1）安装及车加工固定喷管壳体：如图5所示，将固定喷管壳体坯料10法兰盘11向下固定在夹具上，与夹具连接固定，对称拧紧12个M15螺钉，保证连接牢靠，夹具上设有支撑环7，支撑环7的内壁具有向上突出的凸缘7.1，将固定喷管壳体坯料10和支撑环7一起车加工；

在车加工前，先找正固定喷管壳体坯料10的上端面A、固定喷管壳体坯料10内的球型内腔的内球面B跳动不大于0.02mm，支撑环7的凸缘7.1抵住内球面B的下边缘且凸缘上端面C高于内球面B的下边缘0.03mm，以保证凸缘上端面C有余量同固定喷管壳体坯料10一起车加工；

利用四爪卡盘装夹夹具，车加工固定喷管壳体坯料10的上端面A、内球面B、支撑环7内孔及凸缘上端面C；

实测记录上端面A到凸缘上端面C的高度值、内球面B球径、支撑环7内孔径；

2）配车活动喷管壳体：依据步骤1）的实测尺寸，配车活动喷管壳体坯料20的外球面E、外球面E上边缘处的上环台面F、外球面E下边缘处的下环台面D、下环台面D内侧的定位凸台21、以及定位凸台21的下端面G，其中，根据内球面B与外球面E的理论间隙值计算得到外球面E的球径（外球面E球径等于内球面B球径实测值减去球面单边间隙值0.1mm～0.2mm的2倍），上环台面F到下端面G的高度等于上端面A到凸缘上端面C高度值加上6mm，定位凸台21的外径等于支撑环7内孔径加上单边间隙值0.02mm～0.04mm的2倍；

如图6所示，以活动喷管壳体坯料20上端面J定位压紧，找正内孔22及外球面E和定位凸台下端面G跳动不大于0.02mm，依据计算值配车活动喷管壳体坯料20；

3）组合铣：在卧式加工中心上装夹夹具，找正固定喷管壳体坯料10的内球面B和上端面A跳动值不大于0.02mm，将车加工后的固定喷管壳体坯料10及活动喷管壳体坯料20以内球面B与外球面E的球心重合的方式固定在夹具上，使定位凸台21外侧的凹陷处与支撑环7的凸缘上端面C贴合，定位凸台21的外径与支撑环7内孔径小间隙配合，压紧活动喷管壳体坯料20的上端面J，边找正外球面E和上环台面F跳动不大于0.02mm，同时检测上环台面F到上端面A高度差满足6mm±0.03mm，使固定喷管壳体坯料10和活动喷管壳体坯料20装配牢靠。如图7所示，同步铣加工内球面B上对称布置的摆动轴内安装孔101、102、外球面E上对称布置的摆动轴外安装孔201、202，铣孔、扩孔并镗孔，C轴转动180°，完成后拆卸夹具，得到加工完毕的固定喷管壳体1；

4）车除活动喷管壳体坯料下端的定位凸台：以活动喷管壳体坯料20端面J定位压紧，找正外球面E和定位凸台下端面G跳动不大于0.02mm，车除工艺定位凸台21，车出活动喷管壳体坯料20上的密封槽22、23，得到加工完毕的活动喷管壳体2。

用上述方法对轴承球窝摆动喷管加工后，各项指标完全满足产品设计精度要求：固定喷管壳体内球面球径为SR130 mm，固定喷管壳体和活动喷管壳体球面单边间隙值0.12mm～0.15mm，固定喷管壳体球心、活动喷管壳体球心、摆动轴内安装孔、摆动轴外安装孔中心轴线重合，位置度0.02mm，产品多次地面热试车取得圆满成功。

实施例2

针对某轴承球窝摆动喷管壳体，固定喷管壳体内球面球径为SR200 mm±0.08mm，固定喷管壳体1和活动喷管壳体2球面单边间隙值要求0.15mm～0.3mm，固定喷管壳体球心、摆动轴内安装孔、活动喷管壳体球心和摆动轴外安装孔中心轴线重合，位置度不超过±0.05mm。

轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法，包括以下步骤：

1）安装及车加工固定喷管壳体：如图5所示，将固定喷管壳体坯料10法兰盘11向下固定在夹具上，与夹具连接固定，对称拧紧12个M15螺钉，保证连接牢靠，夹具上设有支撑环7，支撑环7的内壁具有向上突出的凸缘7.1，将固定喷管壳体坯料10和支撑环7一起车加工；

在车加工前，先找正固定喷管壳体坯料10的上端面A、固定喷管壳体坯料10内的球型内腔的内球面B跳动不大于0.03mm，支撑环7的凸缘7.1抵住内球面B的下边缘且凸缘上端面C高于内球面B的下边缘0.03mm，以保证凸缘上端面C有余量同固定喷管壳体坯料10一起车加工；

利用四爪卡盘装夹夹具，车加工固定喷管壳体坯料10的上端面A、内球面B、支撑环7内孔径及凸缘上端面C；

实测记录上端面A到凸缘上端面C的高度值、内球面B球径、支撑环7内孔径；

2）配车活动喷管壳体：依据步骤1）的实测尺寸，配车活动喷管壳体坯料20的外球面E、外球面E上边缘处的上环台面F、外球面E下边缘处的下环台面D、下环台面D内侧的定位凸台21、以及定位凸台21的下端面G，其中，根据内球面B与外球面E的理论间隙值计算得到外球面E的球径（外球面E球径等于内球面B球径实测值减去球面单边间隙值0.15mm～0.3mm的2倍），上环台面F到下端面G的高度等于上端面A到凸缘上端面C高度值加上6mm，定位凸台21的外径等于支撑环7内孔径加上单边间隙值0.02mm～0.04mm的2倍；

如图6所示，以活动喷管壳体坯料20上端面J定位压紧，找正内孔22及外球面E和定位凸台下端面G跳动不大于0.02mm，依据计算值配车活动喷管壳体坯料20；

3）组合铣：在卧式加工中心上装夹夹具，找正固定喷管壳体坯料10的内球面B和上端面A跳动值不大于0.02mm，将车加工后的固定喷管壳体坯料10及活动喷管壳体坯料20以内球面B与外球面E的球心重合的方式固定在夹具上，使定位凸台21外侧的凹陷处与支撑环7的凸缘上端面C贴合，定位凸台21的外径与支撑环7内孔径小间隙配合，压紧活动喷管壳体坯料20的上端面J，边找正外球面E和上环台面F跳动不大于0.03mm，同时检测上环台面F到上端面A高度差满足6mm±0.03mm，使固定喷管壳体坯料10和活动喷管壳体坯料20装配牢靠。如图7所示，同步铣加工内球面B上对称布置的摆动轴内安装孔101、102、外球面E上对称布置的摆动轴外安装孔201、202，铣孔、扩孔并镗孔，C轴转动180°，完成后拆卸夹具，得到加工完毕的固定喷管壳体1；

4）车除活动喷管壳体坯料下端的定位凸台：以活动喷管壳体坯料20端面J定位压紧，找正外球面E和定位凸台下端面G跳动不大于0.03mm，车除工艺定位凸台21，车出活动喷管壳体坯料20上的密封槽22、23，得到加工完毕的活动喷管壳体2。

用上述方法对轴承球窝摆动喷管加工后，各项指标完全满足产品设计精度要求：固定喷管壳体内球面球径为SR200.01 mm，固定喷管壳体和活动喷管壳体球面单边间隙值0.16mm～0.19mm，固定喷管壳体球心、活动喷管壳体球心、摆动轴内安装孔、摆动轴外安装孔中心轴线重合，位置度0.03mm，产品高低温多次试验均取得成功。

Claims (5)

1.一种轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法，包括以下步骤：

1）安装及车加工固定喷管壳体：将固定喷管壳体坯料（10）的法兰盘（11）向下固定在带有支撑环（7）的夹具上，支撑环（7）的内壁具有向上突出的凸缘（7.1），将固定喷管壳体坯料（10）和支撑环（7）一起车加工，加工固定喷管壳体坯料（10）的上端面A、固定喷管壳体坯料（10）球型内腔的内球面B、支撑环（7）的内孔及凸缘上端面C；车加工前，所述凸缘（7.1）抵住内球面B的下边缘，且凸缘上端面C高于内球面B的下边缘，以保证凸缘上端面C有余量同固定喷管壳体坯料（10）一起车加工；实测记录所述上端面A到凸缘上端面C的高度值、内球面B球径、支撑环（7）内孔径；

2）配车活动喷管壳体：依据步骤1）的实测尺寸，配车活动喷管壳体坯料（20）的外球面E、外球面E上边缘处的上环台面F、外球面E下边缘处的下环台面D、下环台面D内侧的定位凸台（21）、以及定位凸台（21）的下端面G，所述下环台面D用以与所述凸缘上端面C抵接配合；其中，根据所述内球面B与所述外球面E的理论间隙值计算得到外球面E的球径；所述上环台面F到所述下端面G的高度等于所述上端面A到凸缘上端面C高度值加上6mm；所述定位凸台（21）的外壁与支撑环（7）内孔间隙配合；

3）组合铣：将车加工后的固定喷管壳体坯料（10）及活动喷管壳体坯料（20）以内球面B与外球面E球心重合的方式固定在夹具上，并压紧以防止发生相对位移，同步铣加工内球面B上对称布置的摆动轴内安装孔（101、102）、外球面E上对称布置的摆动轴外安装孔（201、202），得到加工完毕的固定喷管壳体（1）；

4）车除活动喷管壳体坯料（20）下端的定位凸台（21），然后车出活动喷管壳体坯料（20）上的密封槽（22、23），得到加工完毕的活动喷管壳体（2）。

2.根据权利要求1所述的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法，其特征在于：所述步骤1）中，车加工前，支撑环（7）的凸缘上端面C高于内球面B的下边缘0.3mm。

3.根据权利要求1或2所述的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工方法，其特征在于：所述定位凸台（21）的外壁与支撑环（7）内孔之间的单边间隙值为0.02mm～0.04mm。

4.一种轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工夹具，包括法兰盘底板（4），其特征在于：所述法兰盘底板（4）边缘沿周向设置有螺栓组件（8），用以与固定喷管壳体坯料（10）的法兰盘（11）固定连接；所述法兰盘底板（4）中央设有中心杆（5），所述中心杆（5）下部同轴套设有支撑环（7），所述支撑环（7）底部与法兰盘底板（4）固定连接，所述支撑环（7）顶部内壁设有用于搁置活动喷管壳体坯料（20）的凸缘（7.1），所述中心杆（5）上部套设有用于压紧活动喷管壳体坯料（20）的活动压板（6）。

5.根据权利要求4所述的轴承球窝摆动喷管壳体组合铣加工夹具，其特征在于：所述活动压板（6）上面的中心杆（5）上设有锁紧螺母（9）。

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