CN112059306B - 一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具及加工方法。加工刀具包括锥头和铰刀柄部，锥头为6°±5′锥形结构，型面为圆弧齿背，均布有4齿切削刃，切削刃具有2°刃倾角。深锥孔的加工方法是在普车上采用上述铰刀，将铰孔工序分为粗铰、半精铰、精铰，加工过程采用啄孔方式进行，刷豆油冷却。本发明采用铰孔工艺加工深锥孔，较传统镗孔工艺锥孔圆度好，刀具振动小，加工质量及一致性好，圆锥精铰刀切削刃通过修磨出特殊的前后角及刃倾角，配合加工方法实现了某液体火箭发动机汽蚀管扩张段深锥孔的批量加工，有效降低汽蚀管锥孔加工的铰刀磨损，降低了孔内表面粗糙度，提高了汽蚀管的加工效率，在批量生产中效果较为显著。

Description

一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具及加工方法

技术领域

本发明涉及一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具及加工方法，特别涉及一种液体火箭发动机深锥孔的精铰刀的设计方案及铰加工方法，属于液体火箭发动机深锥孔的加工技术领域。

背景技术

液体火箭发动机汽蚀管是发动机的重要零件，主要用于发动机系统流量调节。汽蚀管结构为喉部呈收敛/扩张型面的喇叭状部件，当液体流过汽蚀管时，喉部发生汽蚀，入口压力保持不变时，出口流量可保持不变，且流量不受反压影响，并能抑制脉动压力反向传递，从而保证系统处于稳定工作状态。

汽蚀管材料为1Cr18Ni9Ti棒材，内腔收敛段为60°锥孔，入口直径Φ24，喉部直径为Φ8.10～Φ8.22mm，每0.02mm加工一种规格，每种规格公差±0.01mm。扩散段为6°±10′深锥孔，锥度超过19：1，出口直径为Φ18.93mm，收敛段与喉部连接处为R3圆角，整个内腔表面粗糙度要求为Ra0.8。

汽蚀管深锥孔传统加工方案是采用深孔钻钻直通孔，再用不同扩孔钻扩直通孔，最后用镗刀或铰刀精加工锥孔到尺寸。由于深锥孔的孔径由大到小，限制了传统镗刀杆不能大于锥孔的最小直径，导致镗刀杆直径较小，加工过程中极易振动，导致加工尺寸精度及表面粗糙度无法保证要求。采用变径镗刀杆在加工过程中刚性较普通镗刀杆好，但由于切削过程中是单刃切削，且存在刀具磨损，容易造成锥孔圆度下降，尺寸一致性差，难以实现汽蚀管的批次加工。采用普通圆锥铰刀的铰孔工艺，加工过程中刃口磨损严重，切削刃易折断，加工后孔内有沟痕，表面粗糙度难以满足要求。采用带涂层的锥度铰刀，其加工稳定性优于镗孔工艺和普通锥铰刀，但刀具无法刃磨，刀具成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种刚性、耐磨性好，经济实用的锥度精铰刀，并提出一种工艺简单、加工时间较少的汽蚀管深锥孔加工方法，实现某型号液体火箭发动机汽蚀管深锥孔在普通车床上的批量加工，有效保证产品质量。

本发明采用的技术方案为：

一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具，该加工刀具为圆锥精铰刀，包括锥头和铰刀柄部，锥头为锥形结构，型面为圆弧齿背，均布有4齿切削刃，锥头后部连接铰刀柄部。

进一步的，锥头为6°±5′的锥形结构，铰刀柄部为3号莫氏锥柄结构。

进一步的，切削刃的前角角度为12°、紧挨着刃口的第一后角角度为12°，第一后角之后研磨出角度为30°的第二后角。

进一步的，切削刃的刃倾角角度为2°，用于控制铁屑流向方向。

进一步的，切削刃的圆锥刃口修磨出小刃带，用于减少铰加工过程的刀具摆动。

进一步的，所述小刃带的宽度不大于0.05mm。

进一步的，圆锥精铰刀采用M42高速钢材料制造。

进一步的，基于所述的液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工刀具，本发明还提出一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工方法，步骤如下：

(1)镗制用于装夹汽蚀管的软爪；

具体为：

首先将软爪保持夹紧状态，在软爪孔口加工一个Φ40mm，深度5mm的台阶孔，然后将准备好的Φ40mm圆环装夹在台阶孔处，保持夹紧状态下粗镗软爪内孔，内孔留0.1～0.2mm余量，松开软爪并再次夹紧，保证夹紧力与精加工工件时夹紧力度一致，最后精镗软爪至尺寸，保证软爪尺寸大于工件直径0.03mm；

(2)软爪装夹汽蚀管一端外圆，采用深孔钻在汽蚀管上钻直通孔；

(3)软爪装夹，采用扩孔钻扩所述直通孔，扩孔后的孔径小于待加工目标锥孔的最小直径0.2mm；

(4)采用扩孔钻头扩台阶孔，根据待加工目标锥孔的锥度大小和孔深分别加工多个台阶孔，保证直径方向余量最大不超过0.2mm，台阶孔与主轴回转中心同轴；

(5)采用圆锥双刃螺旋铰刀粗铰6°锥孔；车床转速S＝85r/min，采用啄孔式的加工方法，每进给0.5mm退刀一次，退刀一次用毛刷清洗铰刀上缠绕的铁屑，反复以上动作直至加工到所需尺寸，加工过程中，刷豆油冷却；

(6)采用圆锥精铰刀进行6°锥孔的半精铰，主轴转速S＝63r/min，轴向进给通过铁屑的出屑状态确定，半精铰在锥孔轴线方向留3-5mm余量；

(7)修光圆锥精铰刀的刃口，采用圆锥精铰刀进行6°锥孔的精铰加工，加工时车床转速S＝32r/min；

修光圆锥精铰刀的刃口，具体为：使用油石从切削刃大端至小端沿刃带方向修磨刃口3次，修磨过程刷机油润滑，保证刃口修光。

(8)软爪装夹汽蚀管另一端外圆，镗60°锥孔内型面，镗最后一刀时保证60°锥孔连接喉部加工至要求直径，保证汽蚀管内型面相关尺寸。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明设计一种圆锥精铰刀，铰刀型面为圆弧齿背结构，增加了刃口强度，减少了铰孔崩刃的情况。刃口的前、后角较普通铰刀更大，且设计了两个后角，降低了铰刀切削的切削力，并降低了深锥孔铰孔后的表面粗糙度；刃口相对普通直刃铰刀，具有2°的刃倾角，能够控制铁屑流出方向，降低已加工孔内的表面粗糙度；刃口约0.02mm的刃带能够提高刀具铰孔过程的稳定性和耐用性。

(2)本发明采用圆锥精铰刀在普车上进行铰加工汽蚀管深锥孔，较镗孔工艺，加工一致性好，孔的圆度好；

(3)本发明的软爪，通过镗台阶孔，在装夹圆环状态下粗镗软爪、松紧软爪夹紧力提高了软爪的镗制精度，通过增大软爪的接触面积等方式降低了零件装夹的圆周跳动，提高了零件加工过程的稳定性；

(4)将深锥孔的铰加工分为粗铰、半精铰、精铰，加工过程中采用豆油冷却，有效降低铰刀的刃口磨损，保证了锥孔的加工质量，适用于汽蚀管深锥孔的批量加工。

附图说明

图1为圆锥精铰刀的主视方向结构示意图；

图2为圆锥精铰刀的俯视方向结构剖面图；

图3为图1之A-A、B-B向剖面图；

图4为图3之Z处放大图；

图5为本发明软爪的示意图。

图6为图5之A-A向剖面图。

具体实施方式

本发明提出一种刚性、耐磨性好，经济实用的锥度精铰刀，并提出一种工艺简单、加工时间较少的汽蚀管深锥孔加工方法，实现某型号液体火箭发动机汽蚀管深锥孔在普通车床上的批量加工，有效保证产品质量。

加工锥孔，现有技术中存在几种方式，包括传统镗刀杆、变径镗刀杆、普通圆锥铰刀、带涂层的锥度铰刀等几种。但对于主要用于发动机系统流量调节的液体火箭发动机汽蚀管，汽蚀管结构为喉部呈收敛/扩张型面的喇叭状部件。在汽蚀管上加工深锥孔，由于深锥孔的孔径由大到小，限制了传统镗刀杆不能大于锥孔的最小直径，导致镗刀杆直径较小，加工过程中极易振动，导致加工尺寸精度及表面粗糙度无法保证要求。

采用变径镗刀杆在加工过程中刚性较普通镗刀杆好，但由于切削过程中是单刃切削，且存在刀具磨损，容易造成锥孔圆度下降，尺寸一致性差，难以实现汽蚀管的批次加工。采用普通圆锥铰刀的铰孔工艺，加工过程中刃口磨损严重，切削刃易折断，加工后孔内有沟痕，表面粗糙度难以满足要求。采用带涂层的锥度铰刀，其加工稳定性优于镗孔工艺和普通锥铰刀，但刀具无法刃磨，刀具成本较高。

基于上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具，该加工刀具为圆锥精铰刀，圆锥精铰刀采用M42高速钢材料制造，具有高钴韧性、高热硬性。

如图1和图2所示，该圆锥精铰刀包括锥头和铰刀柄部两部分，锥头后部连接铰刀柄部，铰刀柄部采用3号莫氏锥柄结构。锥头为6°±5′的锥形结构，型面为圆弧齿背，增加了刃口强度，防止崩刃。如图3和图4所示，圆周均布有4齿切削刃，切削刃的刃口前、后角较普通铰刀修磨的更大，且设置了连续两个后角。

切削刃的前角1角度为12°，能够减小铰孔时的切削力，减小刀具磨损，紧挨着刃口的第一后角3为12°，第一后角之后磨出的第二后角4为30°，能够减少铰刀与已加工表面的接触面积，降低孔内表面粗糙度，切削刃的圆锥刃口修磨出小刃带2，用于减少铰加工过程的刀具摆动，提高孔内光洁度及尺寸一致性，提高刀具耐用性，经试验小刃带不宜大于0.05mm，防止较大的摩擦力导致孔径尺寸及表面粗糙度增大。圆锥刃口较普通直刃铰刀增加一个约2°的刃倾角，能够起到控制铁屑流向方向，使铁屑流向未加工面，不会划伤已加工表面。

基于所述的液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工刀具，本发明还提出一种液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工方法，步骤如下：

(1)镗制用于装夹汽蚀管的软爪。

一组软爪由三个独立的软爪组成，如图5、6所示，软爪孔口根据需要加工有台阶。

首先将软爪保持夹紧状态，在软爪孔口加工一个Φ40mm，深度5mm的台阶孔，然后将准备好的Φ40mm圆环装夹在台阶孔处，保持夹紧状态下粗镗软爪内孔，内孔留0.1～0.2mm余量，松开软爪并再次夹紧，保证夹紧力与精加工工件时夹紧力度一致，最后精镗软爪至尺寸，保证软爪尺寸大于工件直径0.03mm；

(2)软爪装夹汽蚀管一端外圆，保证软爪与外圆之间的接触面积最大化，采用深孔钻在汽蚀管上钻直通孔；

(3)软爪装夹，采用扩孔钻扩所述直通孔，扩孔后的孔径小于待加工目标锥孔的最小直径0.2mm；

(4)采用扩孔钻头扩台阶孔，根据待加工目标锥孔的锥度大小和孔深分别加工多个台阶孔，保证直径方向余量最大不超过0.2mm，台阶孔与主轴回转中心同轴；

(5)采用圆锥双刃螺旋铰刀粗铰6°锥孔；车床转速S＝85r/min，采用啄孔式的加工方法，每进给0.5mm退刀一次，退刀一次用毛刷清洗铰刀上缠绕的铁屑，反复以上动作直至加工到所需尺寸，加工过程中，刷豆油冷却；

(6)采用圆锥精铰刀进行6°锥孔的半精铰，主轴转速S＝63r/min，轴向进给通过铁屑的出屑状态确定，工人根据主轴转速、进给切削力感觉、出屑状态综合判断产品的加工质量，正常切屑呈箔卷状或呈很短的螺卷状，若切屑呈条的弹簧状，说明铰削余量太大，若切屑呈针状、碎片状，说明铰刀刃磨磨损。半精铰在锥孔轴线方向留3-5mm余量；

(7)精铰前使用油石从切削刃大端至小端沿刃带方向修磨刃口3次，修磨过程刷机油润滑，保证刃口修光。采用修光后的圆锥精铰刀进行锥孔的精铰加工，加工时车床转速S＝32r/min，轴向进给根据切削力感觉确定，一般退刀两次即可修圆锥孔，并满足锥孔的表面粗糙度要求；

(8)软爪装夹汽蚀管另一端外圆，镗60°锥孔内型面，镗最后一刀时保证60°锥孔连接喉部加工至要求直径，保证汽蚀管内型面相关尺寸。

实施例：

加工某型液体火箭发动机汽蚀管深锥孔。汽蚀管结构为喉部呈收敛/扩张型面的喇叭状部件，当液体流过汽蚀管时，喉部发生汽蚀，入口压力保持不变时，出口流量可保持不变，且流量不受反压影响，并能抑制脉动压力反向传递，从而保证系统处于稳定工作状态。

汽蚀管材料为1Cr18Ni9Ti棒材，内腔收敛段为60°锥孔，入口直径Φ24，喉部直径为Φ8.10～Φ8.22mm，每0.02mm加工一种规格，每种规格公差±0.01mm。扩散段为6°±10′深锥孔，锥度超过19：1，出口直径为Φ18.93mm，收敛段与喉部连接处为R3圆角，整个内腔表面粗糙度要求为Ra0.8。

圆锥精铰刀包括锥头和铰刀柄部两部分，锥头后部连接铰刀柄部，铰刀柄部采用3号莫氏锥柄结构。锥头为6°的锥形结构，型面为圆弧齿背，增加了刃口强度，防止崩刃。圆周均布有4齿切削刃，切削刃的刃口前、后角较普通铰刀修磨的更大，且设置了连续两个后角。切削刃的前角角度为12°、第一后角角度为12°、第二后角角度为30°，切削刃的刃倾角角度为2°，刃口存在0.02mm的小刃带。刃口较大的前、后角能够减小铰孔时的切削力，减小刀具磨损，能够减少铰刀与已加工表面的接触，降低孔内表面粗糙度。刃倾角能够控制铁屑流向方向，防止铁屑对孔内的划伤，刃口小刃带用于减少铰加工过程的刀具摆动，提高孔内光洁度及尺寸一致性，提高刀具耐用性。

采用上述刀具即可完成汽蚀管深锥孔的加工，具体工艺步骤如下：

1、镗制软爪：首先将软爪保持夹紧状态，在软爪孔口加工一个Φ40mm，深度5mm的台阶孔，然后将准备好的Φ40mm圆环装夹在台阶孔处，并保持夹紧状态，粗镗软爪内孔，内孔留0.1余量，松开软爪并再次夹紧，保证夹紧力与精加工工件时夹紧力度一致，最后精镗软爪至尺寸，保证软爪尺寸大于工件直径0.03mm。

2、软爪装夹汽蚀管外圆，保证软爪与外圆之间的接触面积最大化，采用深孔钻钻通孔；

3、软爪装夹，采用扩孔钻扩直通孔，要求扩孔后的孔径小于锥孔最小直径0.20mm；

4、采用扩孔钻头扩台阶孔，根据锥孔的锥度大小和孔深计算台阶孔的孔径及加工深度，保证粗铰时直径方向余量为0.1mm左右,保证台阶孔与主轴回转中心同轴；

5、采用圆锥双刃螺旋铰刀粗铰6°锥孔。车床转速S＝85r/min,采用啄孔式的加工方法，每进给0.5mm退刀一次，退刀一次用毛刷清洗铰刀上缠绕的铁屑，反复以上动作直至加工到所需尺寸，直径方向留余量0.10-0.20mm,加工过程中，刷豆油冷却；

6、采用本发明设计的圆锥精铰刀进行6°锥孔的半精铰，主轴转速S＝63r/min，轴向进给通过铁屑的出屑状态确定，工人根据主轴转速、进给切削力感觉、出屑状态综合判断产品的加工质量，正常切屑呈箔卷状或呈很短的螺卷状，若切屑呈条的弹簧状，说明铰削余量太大，若切屑呈针状、碎片状，说明铰刀刃磨磨损。半精铰在锥孔轴线方向留4mm左右余量；

7、精铰前使用油石从切削刃大端至小端沿刃带方向修磨刃口3次，修磨过程刷机油润滑，保证刃口修光。采用修光后的圆锥精铰刀进行锥孔的精铰加工，加工时车床转速S＝32r/min，轴向进给根据切削力感觉确定，一般退刀两次即可修圆锥孔，并保证锥孔的粗糙度要求；

8、软爪装夹另一端外圆，镗60°锥孔内型面，镗最后一刀时保证60°锥孔连接喉部加工至要求直径，保证汽蚀管内型面最终尺寸。

本发明的优越性在于：采用铰孔工艺加工深锥孔，较传统镗孔工艺锥孔圆度好，刀具振动小，加工质量及一致性好，圆锥精铰刀切削刃通过修磨出特殊的前后角及刃倾角，配合加工方法实现了某液体火箭发动机汽蚀管扩张段深锥孔的批量加工，有效降低汽蚀管锥孔加工的铰刀磨损，降低了孔内表面粗糙度，提高了汽蚀管的加工效率，在批量生产中效果较为显著。

Claims (3)

1.一种基于液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工刀具实现的液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工方法，其特征在于：

液体火箭发动机汽蚀管深锥孔的加工刀具为圆锥精铰刀，包括锥头和铰刀柄部，锥头为锥形结构，型面为圆弧齿背，均布有4齿切削刃，锥头后部连接铰刀柄部；锥头为6°±5′的锥形结构，铰刀柄部为3号莫氏锥柄结构；切削刃的前角角度为12°、紧挨着刃口的第一后角角度为12°，第一后角之后研磨出角度为30°的第二后角；切削刃的刃倾角角度为2°，用于控制铁屑流向方向；切削刃的圆锥刃口修磨出小刃带，用于减少铰加工过程的刀具摆动；所述小刃带的宽度不大于0.05mm；

液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工方法的步骤如下：

(1)镗制用于装夹汽蚀管的软爪；

(2)软爪装夹汽蚀管一端外圆，采用深孔钻在汽蚀管上钻直通孔；

(3)软爪装夹，采用扩孔钻扩所述直通孔，扩孔后的孔径小于待加工目标锥孔的最小直径0.2mm；

(4)采用扩孔钻头扩台阶孔，根据待加工目标锥孔的锥度大小和孔深分别加工多个台阶孔，保证直径方向余量最大不超过0.2mm，台阶孔与主轴回转中心同轴；

(5)采用圆锥双刃螺旋铰刀粗铰6°锥孔；车床转速S＝85r/min，采用啄孔式的加工方法，每进给0.5mm退刀一次，退刀一次用毛刷清洗铰刀上缠绕的铁屑，反复以上动作直至加工到所需尺寸，加工过程中，刷豆油冷却；

(6)采用圆锥精铰刀进行6°锥孔的半精铰，主轴转速S＝63r/min，轴向进给通过铁屑的出屑状态确定，半精铰在锥孔轴线方向留3-5mm余量；

(7)修光圆锥精铰刀的刃口，采用圆锥精铰刀进行6°锥孔的精铰加工，加工时车床转速S＝32r/min；

(8)软爪装夹汽蚀管另一端外圆，镗60°锥孔内型面，镗最后一刀时保证60°锥孔连接喉部加工至要求直径，保证汽蚀管内型面相关尺寸。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工方法，其特征在于：所述镗制用于装夹汽蚀管的软爪，具体为：

首先将软爪保持夹紧状态，在软爪孔口加工一个Φ40mm，深度5mm的台阶孔，然后将准备好的Φ40mm圆环装夹在台阶孔处，保持夹紧状态下粗镗软爪内孔，内孔留0.1～0.2mm余量，松开软爪并再次夹紧，保证夹紧力与精加工工件时夹紧力度一致，最后精镗软爪至尺寸，保证软爪尺寸大于工件直径0.03mm。

3.根据权利要求1所述的液体火箭发动机汽蚀管深锥孔加工方法，其特征在于：修光圆锥精铰刀的刃口，具体为：使用油石从切削刃大端至小端沿刃带方向修磨刃口3次，修磨过程刷机油润滑，保证刃口修光；圆锥精铰刀采用M42高速钢材料制造。

Images