金屬—氟塑料復合閥芯V形槽工藝改進

郭 葉，趙 飛

(西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

復合式閥芯是由金屬基體鑲嵌非金屬密封材料而成[1]，其特點是密封面采用金屬—非金屬復合密封結構，在航天產品中密封可靠性高，應用范圍廣，多項閥門采用該結構閥芯保證閥門性能可靠。復合式閥芯的結構主要應用于吹除系統、燃料系統閥門中。

復合式閥芯加工難點之一是金屬—非金屬復合V形槽的加工，以金屬—氟塑料復合V形槽為例，其加工難點主要包括2個方面：①多余物[2]難以控制：在使用成形刀具加工時，零件加工部位一端是金屬材料，一端是氟塑料材料，切削金屬端時所形成的鐵屑會黏附在塑料端的表面上，形成致命多余物[3-4]。②加工性能存在較大差異：由于材料特性，非金屬面和金屬面的加工具有不同的切削性能，切削規律、刀具結構、切削量均存在差異[5]，同樣的加工工藝方法得到的切削力不同，因此，需要選用不同的刀具和設置不同的切削參數以保證非金屬表面和金屬表面的加工精度。

本文采用分層逐點逼近法加工復合V形槽，結合優化刀具參數，并通過模擬加工過程，以切削力為評價指標，采用正交試驗法優選切削參數等方法改進金屬—氟塑料復合V形槽工藝技術。

1 金屬—氟塑料復合V形槽結構和工藝現狀

金屬—氟塑料復合結構如圖1所示，金屬與氟塑料相接處設置V形槽進行過渡，角度為a。

圖1 金屬—氟塑料復合V形槽(角度為a)Fig.1 Metal-fluoroplastic compound V-shaped groove(angle is a)

V形槽一般采用靠模法加工，即選用與加工型面一致的刀具一次加工成型[6]。這種加工方法的弊端是零件加工部位一端是金屬材料，一端是塑料材料，使用成形刀加工，產生的帶狀鐵屑容易將塑料端損傷或是黏附在塑料端的表面上，如圖2所示。

圖2 氟塑料面損傷Fig.2 Surface damage of fluoroplastics

2 金屬—氟塑料復合V形槽加工工藝改進和分析

2.1 金屬—氟塑料復合V形槽加工方法改進

本文采用分層逐點逼近法進行加工，如圖3所示，切削路線[7]如圖4所示為E→D→C→B→A→E→F→G→H→I→J，在考慮多余物控制的基礎上，通過不斷調整加工路徑和切削參數，控制切屑流向，從塑料面起刀，從金屬面退刀，這樣可以使毛刺盡可能流向金屬層，減少金屬多余物流向塑料層進而對產品質量產生影響。

圖3 分層逐點逼近法Fig.3 Layered point-by-point approximation

圖4 復合V形槽切削路徑Fig.4 Cutting route of compound V-shaped groove

2.2 金屬—氟塑料復合V形槽加工刀具改進

金屬—氟塑料復合V形槽雖為2種材料組成，但由于結構限制，在數控加工中需要實現連續加工，中途無法換刀，傳統成形刀加工法在加工過程中會產生毛刺等多余物，因此為了避免多余物的產生，選擇刃磨后刃口鋒利的高速鋼尖刀進行加工。

刀尖角角度小于零件要求角度α的刀尖角，在進行切削時不會干涉，如圖5所示，刀具幾何參數如表1所示。

圖5 復合V形槽加工刀具Fig.5 Machining tool of compound V-shaped groove

表1 刀具幾何參數

刀具前角增大可以有效增加刀具的鋒利程度，減少切削熱的產生[8]，但前角越大切削刃強度越差[9]，為增加刀具切削刃的強度，選擇前角角度為12°。刀具的主后角與副后角的作用是減少刀具后面和副后面與加工表面的摩擦，但后角與副后角偏大會降低刀具強度，故選擇15°的主后角和15°的副后角。

2.3 金屬—氟塑料復合V形槽切削參數優化

精密零件表面的加工，對表面粗糙度影響最大的因素是切削熱和切削力，而對兩者影響最大的切削參數是切削速度和背吃刀量[10-11]。且加工金屬面與非金屬面在參數選擇上略有差異，金屬面加工的難點是盡量控制鐵屑的流向，使其不能與非金屬密封面接觸，因此轉速相比非金屬表面的加工要低一些，但是不能過低，否則會導致刀具急劇磨損。

切削速度、進給量、背吃刀量是車削加工中的重要的工藝參數，通過結合現場設備加工能力、所用刀具類型、零件材料、精密加工理論知識等條件，能夠分別確定3種工藝參數的選擇范圍。V形槽特征尺寸及切削余量與宏觀零件相比大幅減小，因此需要確定能夠形成連續切屑的最小切削厚度，然后在此基礎上確定背吃刀量的參數范圍。

以BXG不銹鋼為例，材料具有沖擊韌性好、強度高等優勢，廣泛應用于各類航天用閥門產品中，故本文將以此種材料為例，采用DEFORM軟件通過有限元分析技術進行切削仿真[12]及加工研究。在有限元中，材料的形變—失效對應著單元彈性變形、塑性變形、損傷開始到單元失效的整個過程[13]。

切削模擬將采用經典三維斜角切削模型[14-15]，通過DEFORM軟件模擬BXG不銹鋼切削過程，BXG不銹鋼材料的材料本構模型采用Johson-Cook流動應力模型[16-17]

(1)

通過模擬一組逐漸減小的切削厚度各自所對應的切屑狀態最終確定切削厚度的參數選擇范圍。以轉速n=300 r/min，進給量f=0.05 mm/r為定量，背吃刀量依次為ap=0.1、0.05、0.03、0.02 mm進行模擬，模擬結果如圖6所示。

表2 Johson-Cook材料方程參數表Tab.2 Parameters in Johson-Cook material equation

圖6 切削過程仿真Fig.6 Simulation of cutting process

如圖6所示，切削厚度ap在0.1、0.05、0.03 mm情況下，被切削材料均能夠產生連續的切屑，切削厚度ap為0.02 mm時，刀具依然能夠對材料進行去除，但無法形成連續性切屑，因此材料已加工表面的表面質量會降低，且飛散的鐵屑很容易刮傷或嵌入非金屬表面，對非金屬密封面造成損傷。為保證金屬—氟塑料復合V形槽具有較好的機械加工表面質量，加工金屬表面吃刀量參數需在大于0.02 mm的范圍內選擇。

采用尖刀進行加工時，為避免鐵屑飛濺，需選擇較低的進給量和轉速，將進給量參數的選擇范圍確定為0.01～0.03 mm/r，轉速參數的選擇范圍確定為200～400 r/min。

確定加工方法、刀具參數、切削參數后，還需解決加工過程中高速鋼會產生大量的切削熱，使非金屬材料產生熱變形問題，因此加工過程中需添加冷卻液降溫，而一般的冷卻液對非金屬材料會產生腐蝕，因此，采用酒精進行冷卻，不僅可以帶走加工產生的切削熱，而且能夠對非金屬材料進行保護。

3 工藝改進驗證

按照改進后的加工方案，通過正交試驗原理設計切削模擬方案，選取9組試驗方案進行切削模擬實驗，將背吃刀量ap(mm)、進給量f(mm/r)、轉速n(r/min)作為試驗因素[18-20]，然后對每個因素選取3個水平進行模擬，最終評價指標為切削模擬過程中的刀具在x、y、z方向的受力情況。切削模擬選取的因素、水平如表3所示，確定的切削模擬方案如表4所示。

表3 切削模擬選取的因素水平表Tab.3 Selected factor level of cutting simulation

通過分析切削模擬所得結果，能夠得到使得刀具在x、y、z方向受力均較小的切削加工工藝參數，在此參數下刀具工作過程中受力減小，保證了切削刃和刀具角度的完整性，從而提高了刀具壽命和加工產品的合格率。

表4 正交切削模擬方案表Tab.4 Scheme of orthogonal cutting simulation

使用表4中確定的正交切削模擬方案進行切削模擬，對x、y、z3個方向的切削力進行記錄，如表5所示。

表5 模擬切削力結果Tab.5 Simulation results of cutting force

因上述模擬過程屬多指標正交試驗情況，即需使刀具在x、y、z3個方向所受切削力均較小，因此通過綜合平衡考慮，對模擬數據進行分析以得出理論最優工藝參數。通過對3個指標進行極差分析，結果如表6所示。由表6可知，試驗因素進給量f均采用C1水平，即0.01 mm/r的進給量能夠保證切削過程中刀具受力較小,試驗因素背吃刀量ap均采用B1水平，即0.03 mm的背吃刀量能夠保證切削過程中刀具受力較小。通過分析極差可知，在Fx、Fy、Fz指標中，背吃刀量ap的極差均大于進給量f和轉速n的極差，進給量的極差均大于轉速的極差，因此證明背吃刀量ap對于指標的影響程度大于進給量f和轉速n，進給量對于指標的影響程度大于轉速，故選取背吃刀量ap和背吃刀量的最優水平后再進行轉速n的最優水平選取。

表6 極差分析表Tab.6 Range analysis table

因零件回轉中心較小，且轉速對切削力的影響很小，因此，可以從提高加工效率方面考慮選取n=400 r/min。

以上為金屬部分的切削參數，對于非金屬部分，由于切割非金屬部分時產生的飛屑為塑料，不會對產品造成損傷，因此可適當增大轉速和進給量來提高加工效率，因此，非金屬部分切削參數為：n=500 r/min，ap=0.03 mm，f=0.03 mm/r。

按照優選出的最佳切削參數進行實際加工，產品尺寸精度滿足公差范圍±0.1 mm，非金屬密封面無損傷，表面粗糙度達Ra1.6，如圖7所示。

圖7 復合式V形槽加工效果Fig.7 Processing effect of compound V-shaped groove

目前，本文提出的這套金屬—氟塑料復合V形槽已應用于液體火箭發動機吹除系統、燃料系統的多種閥門的復合式閥芯加工過程，實現批產應用，并經過飛行考核。

4 結語

針對金屬—氟塑料復合V形槽的結構特點，本文提出了一整套完整、系統的加工工藝設計方案思路。通過合理設計金屬—氟塑料復合V形槽切削路線、優化切削刀具的結構和參數、優化加工過程中影響加工質量的切削參數等工藝過程，確定金屬—氟塑料復合V形槽加工工藝方法，此方法已推廣應用于液體火箭發動機閥門復合式非金屬密封結構的精密加工。