噴油環微孔加工快換工裝設計與應用

■ 沈陽黎明航空發動機有限責任公司工裝制造廠 （遼寧 110043） 羅 敏 申玉萍 胡東清

I區噴油環是發動機六路總管之一，采用逆噴方式，前方有擋油板，燃油從噴油環噴出之后打到擋油板上，進行蒸發霧化。噴油環由中心直徑680mm的薄壁環管、螺紋接頭、三通接頭及進油管組件焊接形成，環管上均布了24個φ0.56mm的噴油孔，提高噴油孔的加工精度，可使總管的燃油分布均勻，提高加力燃燒室的效率，同時也會延長總管的使用壽命。

1. 噴油環技術要求及加工中存在的問題

噴油環結構如圖1所示，環管的中心平面為水平基準D，進油管為角向基準K，噴油孔對基準D及基準K的位置度要求≤1mm，各孔的流量不均勻性要求≤5%。由于噴油環為薄壁彈性件且直徑尺寸公差大，整體焊接后變形量大，圓度及平面度不易控制，在自由狀態下變形量更大，無法形成穩定的定位基準，因此電火花加工噴油孔過程中，噴油環無法準確安裝定位，導致按照噴油環的理論位置編程打孔時，60%的孔位置偏離中心，偏離大時個別孔打不到環管上。因此，一直以來噴油環的噴油孔加工前，先利用人工劃線的方法劃出孔的中心點位置，再逐個找正劃線點進行電火花打孔，由于孔徑只有0.56mm，對操作人員的技能要求高，受人為因素影響大，綜合上述各種因素，導致加工后的噴油孔的尺寸精度和位置精度無法保證，從而影響流量試驗準確性及噴油均勻度，以致在后續流量試驗過程中需要反復修孔。另外，由于進油管是打孔的基準之一，但加工進油三通兩側的孔時電極夾頭與進油管干涉，因此打24個噴油孔分為兩個工序，在焊接進油管之前先加工進油三通兩側各3個孔，焊接進油管之后再加工其余噴油孔，期間零件需要在兩個工段間周轉，加工精度和生產效率相對較低。

圖1 噴油環結構圖

為解決上述問題，重新對噴油環工藝路線進行了梳理，通過控制導管管料長度來確保制造出的總管直徑的一致性，在專用工裝上劃切端線，將環管的展開長度公差控制在1mm之內，直徑公差就控制在0.3mm之內。噴油環上的9處螺紋接頭焊接后對平面度影響很大，采用對稱焊接的方法，焊后經輕微校正以減少焊接變形。同時改變噴油環逐孔劃線、找正及打孔的傳統工藝方法，設計帶有零點定位系統的基礎座及與之相配使用的高效快換工裝，實現噴油環的準確定位，通過數控機床編程加工24個噴油孔，從而解決噴油環劃線打孔、分兩次加工等問題，提高零件的打孔精度和加工效率。

2. 零點定位快換工裝的優點

早在20世紀60～70年代，國外就開始推廣應用“1min換裝”技術，快換工裝利用零點定位系統、快換托盤及快換夾具實現工裝夾具與機床之間的快速定位和夾緊，減少機械加工中的輔助時間，其優點包括：

（1）零點定位系統具有誤差自動找正功能，定位接頭可以任意角度插入定位器，減輕了工人將定位接頭對準定位器的找正工作量。

（2）零點定位系統是一個獨特的定位和鎖緊裝置，能保持工件在工序間及機床間變換時零點始終保持不變，可以節省重新找正零點的輔助時間，保證工作連續性。

（3）零點定位系統的重復定位精度可以達到0.005mm，最大夾持質量可以達到10.4t，夾具換裝時間由30min縮短為2min，零件加工精度可以大大提高。

（4）被加工零件可以實現離線裝夾和找正，機床幾乎沒有空轉時間，機床使用效率大大提高。

（5）零點定位系統可以使用液壓系統也可以使用氣壓系統，0.45MPa的氣壓系統可以直接利用工廠的氣源，使用非常方便。

3. 帶零點定位系統的基礎座設計方案

基礎座是機床與夾具間的連接裝置，通過基礎座上的零點定位器，可以實現夾具的快速精確安裝與更換，節省夾具的安裝、找正等輔助時間。基礎座設計既考慮了噴油孔加工的電火花設備，同時也兼顧了工廠的加工中心設備，設計的基礎座可以在上述設備間通用。經過對設備參數及加工零件的綜合分析，同時了解前期零點定位快換系統在公司的制造與應用情況，選擇了氣壓解鎖的法蘭安裝型零點定位器，這種定位器裝配和調整方便，安裝高度更低，制造精度容易保證；同時，該定位器通過彈簧力進行機械鎖緊，氣壓解鎖，解鎖壓強只要0.45MPa，符合工廠的動力源要求。

考慮到零件加工的尺寸范圍，基礎座在不同設備間的通用性，基礎座設計為方形，基礎座上設計了5個零點定位器，保證了基礎座與打孔夾具既有較高的定位精度又有足夠的拉緊力，中心1處用于定心，其余4處沿φ410mm圓周均布，5個零點定位器的平面度要求≤0.005mm，對底面的垂直度及相互間的位置度≤0.01mm。基礎座的底面設計有φ60mm的心軸，心軸與電火花數控機床臺面的中心孔小間隙配合，最大間隙≤0.02mm，使機床的中心軸線與基礎座的中心軸線重合，適用于噴油環的分度打孔。基座上開有4個與設備安裝的螺釘孔窩，既可以用T形槽螺釘壓緊，又可以用壓板壓緊，可滿足不同設備的安裝要求。

零點定位器結構如圖2所示，為鋼球自鎖安裝系統，滾珠從三個方向被裹夾，所以定位銷得以穩固的鎖緊在定位器中，此系統與其它方法相比有鎖緊容易、反應速度快及定位準確等優點，鎖緊結構為機械鎖緊，氣壓解鎖，強力的碟形彈簧保證了最大的鎖緊力和拉緊力。使用時通過基礎座上的通氣閥對基礎座內部進行加壓，通過氣壓驅動安裝在基礎座上的5個鎖緊套，當氣壓達到鎖緊套解鎖壓強后，鎖緊球在內部機械結構作用下自動由中心向四周移動，釋放鎖緊套中心空間，然后將夾具定位接頭插入快換基礎座定位孔內，確保定位銷完全進入后停止供氣，釋放快換基礎座內氣壓達到普通大氣壓后，快換基礎座內的定位鎖緊套結構發生作用，使定位鎖緊球自動移向中心，鎖死定位接頭，定位夾具。

4. 噴油環打孔夾具設計方案

根據噴油環的結構特點，結合噴油環在發動機中的裝配狀態，打孔夾具以環管的底面作為平面定位基準，以環管的內圓作為徑向定位基準，以進油管為角向定位基準，夾具的具體結構如圖3所示。為消除焊接變形對打孔的影響，打孔夾具采用楔式定心脹緊機構。8個脹緊定位塊組成一個圓環，相互之間留有適當的間隙，利用脹緊定位塊與錐體錐面的相對移動，使脹緊定位塊同時等速移近或離開，從而達到定心脹緊噴油環的目的，消除管路彎曲、焊接時的變形，均分工件公差，提高噴油環的定位精度。零點接頭與基礎座的零點定位器相配合，實現夾具的快速換裝。

圖2 基礎座及零點定位器結構示意圖

圖3 噴油環打孔夾具結構示意圖

底座是夾具的基礎部件，其它各個零件以一定的裝配關系有機地組裝在底座上，并通過底座下基準面與基礎座零點定位器表面接觸，底座的上基準面與噴油環的環管基準平面接觸，對噴油環起定位支承作用，利用壓板壓緊噴油環。底座的平面度要求≤0.01mm，以滿足噴油孔最終的垂直度要求。

脹緊機構既起定位作用又起壓緊作用，脹緊機構采用楔式脹緊，設計有8個脹緊定位塊、在導向板和底座形成的滑道間滑動。螺母裝配在錐體槽中，兩者同時運動。脹緊機構的工作原理：用扳手擰緊螺母，螺母在轉矩的作用下帶動錐體向下運動，并使8個脹緊定位塊同時等速徑向向外運動，從而脹緊被加工零件的內徑。脹緊定位塊分8塊（脹緊定位塊數量要根據被加工零件直徑相應增加或減少），沿底座和導向板之間的滑道滑動。導向板用螺釘和銷子裝配到底座上，兩件之間構成60H7/f7、12H7/f7的滑道。松開螺母，螺母帶動錐體向上運動，彈簧彈開，推動8個脹緊定位塊回退，與被加工工件的內徑分開，可以將零件取出。由于噴油環是薄壁管件，為防止力矩過大將零件脹變形，在底座上設計限位孔，與脹緊定位塊的限位外圓相配，當脹緊定位塊脹到噴油環的理論位置時，定位塊限位外圓與限位孔接觸，定位塊停止運動，可以保證每次加工中脹緊量一致，保證噴油孔加工的一致性。夾具通過定位銷定位進油管內孔，實現噴油環的角向定位。

夾具設計有5個零點定位接頭，通過這5個接頭與基礎座的5個零點定位器相配，實現夾具與基礎座的快速安裝，其位置與基礎座的5個零點定位器一致，定中心的定位接頭限制X、Y方向的自由度，并作為參考基點，對底座基準面的垂直度要求≤0.01mm；角向定位的單向接頭只限制旋轉方向的自由度，對定位接頭的位置度要求≤0.01mm；緊固接頭只起增加夾緊力的作用，用以實現基礎座與打孔夾具的固緊，對定位接頭的位置度要求≤0.03mm。

5. 噴油環打孔快換工裝的應用及效益

快換工裝應用時，首先將基礎座安裝在數控電火花機床上，找正零點定位器的內孔及端面，確定機床編程的零點及坐標系，將打孔夾具上的零點接頭與基礎座上的零點定位器大致對齊，快速安裝好夾具，將快換基礎座的進氣閥門與供風系統相連，打開空氣閥，待快換基礎座上的鋼球自鎖系統完全打開后，將夾具向快換基礎座方向推入，使快換基礎座與夾具上的鋼球自鎖系統緊密配合，斷開進氣閥門與供風系統的連接，待快換基礎座內氣壓降至額定壓力后，鋼球自鎖系統完全鎖死，夾具固定完成，夾具與快換基礎座的連接及定位靠5處零點定位系統完成，不需要找正及壓緊過程。

與普通打孔工裝相比，使用零點定位系統的快換工裝，工裝裝夾和找正時間由30min減少到5min，基礎座首次安裝找正后，再次安裝在設備上無需找正，直接加工，可以實現離線安裝，占用設備時間僅為5min左右，減少了設備的停機時間，提高了設備的利用率，定位精度達到0.01mm以內。

應用快換工裝加工噴油環的噴油孔，實現了孔的數控自動化加工，取消了劃線打孔工序，消除了人為因素影響，通過楔式定心脹緊機構定位脹緊噴油環薄壁管件的內徑，對噴油環進行校圓，消除了管路彎曲、焊接時的變形，提高了定位精度，一次找正就可以完成整圈24個噴油孔的加工，孔的一致性較好，提高了噴油環噴油孔的加工精度和加工效率。通過設計直徑更小的電極夾頭，解決了噴油環的兩次打孔問題。

6. 結語

零點定位快換工裝在噴油環打孔中的應用，校正了管路彎曲、焊接時的變形，提高了噴油孔的加工精度和加工效率，實現了噴油環的無干預數控加工，從而提高了噴油環噴油方向的準確性，噴油均勻度好，減少了孔的修正量，提高加工效率5倍以上，產品合格率達100%，工人勞動強度降低80%。

應用零點定位快換工裝的效益是多方面的，直接的效益是提高了工裝的換裝效率，增加了設備的有效工時，實現了離線裝夾，使零件的加工和裝夾同時進行，大大提高了零件加工的工作效率，使零件的加工工藝和生產模式產生了重大變化，精密的定位精度和快速裝夾可減少零件的裝夾次數，提高零件的加工效率與精度，縮短機械加工中的輔助時間，實現了隨時更換加工產品的需求，為實現敏捷制造、柔性生產奠定了基礎。

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