磨粒流技術在航天零件相貫孔去毛刺中的應用

北京控制工程研究所 (100190) 陳 曦 劉 軍

1.毛刺的產生及危害

毛刺是工件在切削力作用下產生晶粒剪切滑移、塑性變形，使材料被擠壓、撕裂，導致零件表面或交接處出現的多余材料。如圖1所示，塑性變形區(剪切區)未深入切削表面時 (見圖1a)，工件表面就不會產生毛刺，反之則會產生毛刺 (見圖1b)。

機械零件在加工制造過程中產生的毛刺，對零件的加工精度、裝配精度、使用要求、再加工定位、操作安全和外觀質量等許多方面都會產生不良影響。近年來，隨著機械工業的發展，對零件精度等方面的要求越來越高，對去毛刺工藝的要求也越來越高，使去毛刺技術得到了普遍重視，去毛刺工藝也得到了迅速的發展，已從簡單的手工作業向機械化、自動化、智能化方向發展。

圖1 工件在切削力作用下產生毛刺示意圖

目前航天領域仍大量使用手工方法去除毛刺，對于零件表面的可見邊緣毛刺，主要通過鉗工使用刮刀、銼刀、電動打磨機、油石及砂紙等機械式方法手工去除毛刺;對于肉眼不可見的毛刺，則主要由操作者在顯微鏡下采用類似方法手工去除。手工去除毛刺的方法，勞動強度大，效率低，且去毛刺的質量受具體操作人員的影響較大，難以穩定地控制。

航天推進系統產品中有大量的閥體、管路聯接件及過濾器骨架等零件，其結構中有很多相貫孔，并且結構復雜，相貫孔的尺寸很小，工具難以深入，這就導致相貫孔處的毛刺使用常規手工去毛刺的方法很難去除。這類零件中有很多為流體通道，對零件表面質量要求較高，一旦出現毛刺，可能導致通道堵塞，進而影響零組件乃至單擊產品的工作性能，對整個系統造成嚴重后果。

2.磨粒流技術的研究現狀

擠壓研磨去毛刺是一種比較新的技術，是20世紀70年代發展起來的一種效率高、適應性強、可控性好的去毛刺方法，也稱為磨料流動加工 (AFM)，簡稱磨粒流。其原理是采用一種含磨粒的流動狀態的粘性磨料，放置在一個磨料室中，兩端各有一個氣缸，使磨料來回通過被加工表面，在磨料流動受到限制的部位產生擠壓磨削作用，從而將毛刺去除。

磨粒流加工技術已經廣泛應用于航空、航天、電子、汽車及模具等制造業中關鍵零件的去毛刺、拋光及倒圓等，磨粒流介質的柔軟性和流動性，使其易與任何形狀的加工表面吻合，去毛刺效果較好，切削量很小，適合于內部的、手工難以接觸的深孔及復雜型面的表面光整加工，對于以深孔相貫孔為代表的推進系統產品，即可采用磨粒流技術去除毛刺。

3.產品簡介

圖2 銜鐵組件裝配圖

流量控制電磁閥是航天推進系統中的典型單機產品，作為開關活動部件，要求其不能產生任何自污染。如圖2所示的銜鐵組件為該單機中的重要組件，擋板組件作為該組件中最重要的組成部分，其結構設計有一個φ1 mm孔與另外兩個φ1 mm十字交叉孔相貫，行成5通孔。由于工藝要求，5通孔在粗加工階段由鉗工完成加工。該5通孔部位作為閥門的流體通道，一旦殘留毛刺，極可能成為多余物進入通道中，從而影響零組件乃至單機產品的工作性能，對整個系統造成嚴重后果。故要求5通孔通道內壁光滑，嚴格控制毛刺的產生。5通孔孔徑小，孔深長，工具難以深入，手工方法對孔交叉處的毛刺難以去除，鑒于磨粒流技術的優點與適用性，選用磨粒流技術去除毛刺。

4.工藝流程分析

擋板組件采取如下的加工工藝流程:復驗材料→粗車→加工5通孔→磨粒流去除5通孔通道內毛刺→精車→裝配去除外部微小毛刺→半成品檢驗。

5通孔加工工序在粗車與精車之間進行，加工完成后隨即進行磨粒流工序去除孔內毛刺。粗車加工后的零件如圖3所示，即需要對該零件的5通孔進行磨粒流加工。

圖3 擋板組件粗車圖

5.磨粒流加工方法

(1)加工設備。擋板組件的5通孔磨粒流加工采用EXTRUDE HONE 77－C擠壓研磨機床進行，該設備由液壓系統控制，磨料缸直徑為82 mm，容積1491 cm3。

(2)磨料流動通道設計。由于磨粒流加工中磨料往復運動的特點，需設計工裝與工件共同形成一個磨料的流通通道，從而使磨料在通道中流動，在工件上限制磨料流動的孔徑部位產生磨削作用。

設計的工裝如圖4所示，由上蓋、中段、下座以及尼龍頂芯和尼龍底座組成。上蓋、中段、下座組成一個外部密封空間，保證磨料在空間中流動，選用45鋼材料制作以保證工裝具有較好的抗磨性能。經試驗，在較小的通道孔徑經多次磨削條件下，尼龍材料相比金屬材料的通道孔徑變形更小，可以增加工裝使用壽命，故采用尼龍材料制作頂芯和底座固定零件，同時保護零件已加工的零件表面不被磨料破壞，并與外部金屬工裝共同形成磨料工作的流通通道，完成磨粒流加工過程。流動通道如圖5所示。

圖4 工裝設計圖

圖5 磨料流動通道示意圖

(3)磨料型號及工作循環次數的選用。擠壓研磨機配有兩種常規磨料，型號分別為120#細砂磨料和70#粗砂磨料，圖6為兩種磨料在顯微鏡下觀測到的磨粒對比圖，圖中較亮的部分為磨粒，較暗的部分為磨料介質。可以看出細砂磨料中磨粒較小，粗砂磨料中磨粒較大。同時，細砂磨料的粘度較低，粗砂磨料的粘度較高。從圖7磨料粘度對材料去除率的影響中可以看出，隨著磨料粘度的提高，材料去除率逐漸增大，對于毛刺的去除效果也會隨之增強。但同時，較高粘度的磨料流動性差，不容易從細小孔擠出，有可能造成孔的堵塞或破壞。另外在選用相同磨料型號工作的情況下，不同的工作循環次數，即磨料在流動通道中往復運動的次數，也將對毛刺去除效果產生直接影響。因此，通過試驗進行磨料型號及工作循環次數的的選用。

圖6 120#細砂與70#粗砂磨粒對比 (左為120#細砂)

圖7 磨料粘度對材料去除率的影響

根據經驗預設循環次數為5，分別用120#細砂和70#粗砂進行試驗，磨削后的孔口加工效果如圖8所示，發現70#粗砂無法正常完成工作循環。由于磨料粘性太大導致其在小孔中流動時發生了堵塞，且磨削后的孔徑發生嚴重的不規則變化。120#細砂加工效果尚可，但測量發現孔徑變大0.3 mm，材料去除量稍大。進而選用120#細砂，將工作循環次數減少為3，得到了較好的加工效果，孔徑變化控制在0.2 mm以內。最終選定磨料型號為120#細砂，工作循環次數為3。

6.應用效果

按照設計的磨粒流工藝方法完成流量控制電磁閥擋板組件5通孔磨粒流去毛刺的批次加工，加工出的產品尺寸和表面狀態均滿足設計要求，相貫孔交叉部分由尖角變為圓滑過度，毛刺得到去除，杜絕了因相貫孔毛刺帶來的隱患，同時表面質量得到極大改善，表面粗糙度值由Ra=3.2 μm減小到0.4 μm，加工前后的擋板組件相貫孔表面質量改善效果如圖9所示。

圖8 孔口加工效果示意圖

圖9 擋板組件相貫孔表面質量改善效果

7.其他推廣應用

目前，磨粒流去毛刺技術已經在航天推進系統產品中得到廣泛的推廣應用，對于以自鎖閥閥桿為代表的十字交叉孔類型零件，以及液體過濾器骨架為代表的均布多孔類型零件，磨粒流技術均取得了較好的應用效果。

(1)十字交叉孔類型零件的磨粒流去毛刺應用情況。自鎖閥閥桿加工有一個長55.5 mm的φ2.2 mm深長孔與φ2 mm十字交叉孔相交，形成5通，解剖如圖10所示。深長孔靠車床采用“啄鉆”方式鉆孔完成，容易在孔內側壁產生刀瘤，導致表面粗糙度值高，十字交叉相貫孔毛刺手工去除難度極大，效率低，并且往往很難將毛刺去除干凈，對產品的可靠性帶來隱患，采用磨粒流技術進行去毛刺工作。根據擠壓研磨機床特點和零件形狀設計、加工完成如圖11所示的閥桿磨粒流工裝，最終毛刺去除效果如圖12所示。

圖10 閥桿剖切圖

圖11 閥桿磨粒流工裝

圖12 閥桿磨粒流去毛刺效果

(2)均布多孔類型零件的磨粒流去毛刺應用情況。液體過濾器骨架加工有多排小孔，自上而下均布排列，孔與孔之間存在高度差，由于磨料在加工過程中的壓力變化，導致一次磨粒流加工的小孔存在上下排小孔毛刺去除效果不均勻的現象。通過分析加工原理，總結規律，最終設計方案進行兩次磨粒流工步，第二次將零件進行180°上下倒置加工，實現了毛刺均勻去除的效果，骨架零件及磨粒流工裝如圖13所示。

圖13 過濾器骨架磨粒流工裝

8.結語

磨粒流技術對于航天推進系統中手工方法較難去除的相貫孔毛刺具有較好的適應性，在已經完成的多種類多批次零件去毛刺加工中均取得了理想的應用效果，與手工相比去除效率可以提高75%以上，大大降低了勞動強度，提高了加工效率，同時零件的表面質量與可靠性均得到大幅度提高。

針對以往的加工經驗，磨粒流技術在航天產品中的應用仍存在以下改進方向:

(1)設計工裝同時加工多個零件，提高加工效率。

(2)改進工裝，在磨料進出口流通部位均采用尼龍工裝，提高工裝抗磨性能，延長工裝使用壽命。

(3)采用新型磨粒流設備，增大磨料缸容量，進一步推廣加工技術。