航天電磁閥R形活門座切削研拋工藝研究

曹飛龍 劉向東 劉彥剛 王雅妮

航天電磁閥R形活門座切削研拋工藝研究

曹飛龍 劉向東 劉彥剛 王雅妮

（西安航天發動機有限公司，西安 710100）

為了降低航天電磁閥低溫氣密泄漏的風險，以電磁閥R形活門座為研究對象，在對其數控軌跡多層切削的基礎上，建立了電磁閥活門座的曲面數學模型，研究了電磁閥活門座型面的研拋路徑和余量去除模型，分析了研拋參數對活門座表面質量的影響并取得了良好的應用效果，消除了電磁閥低溫氣密泄漏的風險。

電磁閥；活門座；數控軌跡；研拋工藝

1 引言

電磁閥是姿控發動機的關鍵組件，其密封性能的好壞直接影響發動機的使用性能[1]。活門座作為電磁閥密封的關鍵部位，其加工質量直接影響閥門的密封性。電磁閥低溫氣密泄漏已多次歸零。主要原因為：當電磁閥在低溫狀態下進行氣密檢查時，由于閥芯上的非金屬材料受熱脹冷縮影響而變化較大，其密封表面變硬，彈性變小而剛性化，使活門座上的微觀缺陷形成微細泄漏通道。因此，電磁閥密封副在低溫狀態下進行氣密檢查時容易出現泄漏。

針對電磁閥活門座型面的加工，很多學者對其加工特性進行了研究。馬麗珍[2]針對電動氣閥端面活門座型面的成型加工工藝，在采用普通精密機床尾座裝夾成型锪鉆時，分析了成型锪鉆刀具精度、機床精度及冷卻潤滑對活門座型面加工質量的影響。張勇峰[3]針對現場加工時活門座合格率低的問題，對成型锪鉆使用前的檢查、刀具裝夾精度及刀具試切狀態和加工后活門座表面質量檢查進行了分析和應用參考。史永華等[4]針對運載火箭閥門的特點，分析了活門座成型加工和數控軌跡法加工的成形方式及成型加工的劣勢，給出了閥座檢測的過程及方法，未研究數控軌跡法的具體過程和研拋過程。韓春陽等[5]針對電磁閥活門座的特點，采用數控軌跡法進行深腔平面活門座的加工，通過優化刀具、切削參數及采用專用研磨工裝進行活門座型面精密研拋，保證了活門座尺寸、形位精度及表面粗糙度滿足要求，但未研究R形活門座數控軌跡法多層切削及研拋模型、研拋路徑、研拋參數等。

因此，為了減少電磁閥密封副在低溫狀態下的泄漏故障，提高活門座密封面的微觀表面質量并去除活門座型面的微觀缺陷，本文將對電磁閥活門座表面質量提高進行工藝研究。

2 型面數控軌跡多層切削方法

圖1所示為電磁閥及活門座密封副結構示意圖。由2處直線和1處0.15mm圓弧光滑連接而成，密封部位表面粗糙度0.4μm。為保證活門座與閥芯密封性，要求活門座型面的同軸度不大于0.03mm。電磁閥屬于多次打開關閉閥門，其要求在高溫、低溫、濕熱等復雜環境條件下均能正常打開關閉，工作壽命在1500次以上。因此，在使用過程中，需保證閥芯與閥座活門座復位良好，并在復雜環境條件下實現密封可靠，否則會出現泄漏量超標。

隨著高精度數控車床的應用，對刀誤差及走刀路徑偏差越來越小。本文所研究的R型活門座型面，考慮到刀具干涉問題，可以采用兩把鏜孔刀加工型面。因R型活門座型面最小圓角為0.15mm，因此，在鏜孔刀磨制時其刀尖圓滑加工為0.1mm，防止加工時產生過切。

采用數控軌跡法加工活門座，為保證兩次走刀軌跡誤差最小，在加工前需精準對刀，保證軸向對刀精度不大于0.005mm；徑向對刀精度不大于0.005mm。同時考慮到兩走刀路徑在R型面最高點處能夠圓滑過渡，在加工時設計加工軌跡，避免對刀誤差對活門座型面的影響，如圖2所示為R型面加工數控軌跡法多層切削方法。在半精加工時，每次切削余量偏移0.1mm，分三次加工；精加工時，切削余量為0.05mm，保證活門座型面圓滑過渡，且提高切削后表面質量。

圖2 R型面數控軌跡法多層切削方法示意圖

采用鏜孔刀加工活門座型面時，刀具與活門座單點接觸，切削力和切削熱較小。根據車削加工經驗，且切削速度一般為20～30m/min，為降低刀具磨損，選擇切削速度為20m/min，轉換后機床轉速約為940r/min（即轉速=15.7r/s）。為保證加工后表面粗糙度滿足要求，進給量選擇為=0.01mm/r，切削余量為=0.2mm，背吃刀量選擇為=0.1mm。

采用選擇的切削參數進行R型活門座型面加工，加工后測量結果如表1所示。

表1 數控軌跡多層切削法加工后活門座尺寸及形位精度測量結果 mm

從測量結果可以看出，數控軌跡多層切削方法加工的活門座型面尺寸及形位精度均滿足指標要求，同時，其加工后的尺寸精度及同軸度均優于成型加工法加工的活門座型面質量。

3 截面路徑及余量去除模型

電磁閥活門座R形表面加工完成后，需進一步通過研拋活門座提高其表面質量。根據電磁閥活門座型面結構特點和技術指標，為了后續研究電磁閥活門座加工的研拋路徑和余量去除模型，建立電磁閥活門座型面的數學模型，如圖3所示。以活門座回轉中心為原點建立電磁閥活門座的數學坐標系，回轉半徑為，活門座圓弧曲面的半徑為，圓心為點，活門座直線段的角度為30°，設活門座圓弧曲面上任意一點的空間坐標為(，，)，連接線與軸的夾角為，則：

其中，范圍為0～150°。

由電磁閥活門座型面的數學模型可以得出，電磁閥活門座圓弧型面任意一點的坐標僅與角度有關。如果繞坐標原點旋轉坐標系，坐標系旋轉至（1，1）位置，可以得出，（1，1）位置活門座圓弧曲面的坐標絕對值與（，）位置坐標絕對值相同。

根據電磁閥活門座型面的數學模型，在常見研拋路徑規劃的基礎上，提出電磁閥R形活門座截面研拋路徑規劃設計，并建立研拋的余量去除模型。

活門座研拋后的表面精度受研拋路徑直接影響，在活門座型面的數控軌跡法加工中采用小的直線段逼近，這種加工軌跡會導致表面質量在加工后惡化，因為在加工的過程中刀具方向的改變比較頻繁，且有多個加減速。

行切路徑、環切路徑以及螺旋路徑是現在復雜曲面數控加工比較認可的路徑。但是在活門座研拋加工過程中，無論是行切路徑、環切路徑、螺旋路徑，設第、+1、+2次的路徑為、+1、+2，如圖4所示，在第次和第+1次交接處、第+1次和第+2次交接處表面質量較差，存在高低點，由于高低點的存在導致電磁閥閥座在低溫條件下密封面冷縮后形成微細的泄漏通道。

圖4 常見研拋路徑存在的缺陷

因此，電磁閥的活門座的研拋路徑規劃應避免在交接處存在高低點，基于電磁閥活門座型面數學模型中在任何截面的活門座剖面坐標絕對值均相同的特點，對電磁閥活門座特種型面的研拋應采用專用的研拋工具規劃“截面路徑”，如圖5所示。

但是電磁閥活門座特種型面采用“截面路徑”進行研拋余量去除，則其正壓力在截面路徑中均相同，其正壓力僅與采用“截面路徑”時的研拋角度有關，如圖6所示。

因此，建立電磁閥活門座特種型面采用“截面路徑”進行研拋余量去除的模型，其研拋余量去除與時間、轉速和研拋角度有關。

4 基于正交試驗的活門座特種型面研拋工藝參數

根據電磁閥活門座特種型面研拋路徑及余量去除模型的研究結果，采用“截面路徑”研拋余量去除時，其研拋余量去除與研拋時間、轉速和研拋角度有關。

采用正交試驗的設計方法，進行研拋時間、轉速和研拋角度對活門座密封表面研拋質量的影響方案設計。以研拋時間、研拋角度、工件轉速為因素，進行正交試驗方案設計（見表2）和研拋試驗。

研究研拋時間、研拋角度、工件轉速對電磁閥活門座微觀缺陷的影響關系，建立三因素正交試驗。采用專用研拋工具的研拋時間選擇5min、10min、15min；研拋角度選擇90°、60°、30°；工件轉速選擇800r/min、600r/min、400r/min。對研拋后的電磁閥活門座進行計量，得到實驗數據如表2所示。通過極差的計算可知，研拋時間對電磁閥活門座的表面質量的影響最大，其次是工件轉速，研拋角度對電磁閥活門座的表面質量影響較小。

表2 電磁閥活門座研拋工藝正交試驗數據

通過分析電磁閥活門座研拋工藝正交試驗數據可知，第4組試驗的電磁閥活門座表面質量計量實測值最優。由于研拋時間對電磁閥活門座的影響最大，其參數盡可能延長。所以，選擇第4組試驗的研拋工藝參數作為最終的電磁閥活門座的研拋工藝參數。

圖7 采用研拋工藝參數前后的對比

以電磁閥活門座的研拋時間10min、研拋角度90°、工件轉速600r/min為電磁閥活門座的研拋工藝參數，并將基于正交試驗的活門座特種型面研拋工藝參數進行應用，研拋10件電磁閥活門座進行，并計量表面質量。如圖7所示，電磁閥活門座特種型面的表面粗糙度最大值為0.21μm，最小值為0.18μm，優于設計要求。

采取基于正交試驗的研拋工藝參數后，跟蹤分析2019年2000余臺電磁閥制造過程的故障，電磁閥低溫氣密泄漏故障降低為0起，工程應用效果明顯。

5 結束語

航天電磁閥R形活門座切削研拋工藝方法，解決了電磁閥低溫氣密泄漏的問題，提高了電磁閥的工作可靠性。該方法可普遍應用于各種R形活門座的表面質量提高，對提高產品性能具有一定的借鑒和參考。

1 朱寧昌．液體火箭發動機設計[M]. 北京：宇航出版社，1994

2 馬麗珍．閥門臺座加工工藝[J]．火箭推進，2005，3(31)：42～45

3 張勇峰．閥中幾種零件的難點部位加工方法[J]. 火箭推進，2011(10)：32～36

4 史永華，劉軍威，張軍，等．運載火箭用閥門閥座加工技術[J]. 航天制造技術，2013(3)： 47～49

5 韓春陽，茹紅宇，徐青山，等．閥門密封座特種型面加工工藝研究[C]. 2018年航天先進制造技術國際研討會論文集，2018：145～153

Research on Cutting Polishing of R-shaped Valve Seat of Aerospace Solenoid Valve

Cao Feilong Liu Xiangdong Liu Yangang Wang Yani

(Xi’an Aerospace Engine Co., Ltd., Xi’an 710100)

In order to reduce the risk of low temperature air tight leakage of aerospace solenoid valve, the R-shaped valve seat of the electromagnetic valve was taken as the research object. Based on the multi-layer cutting of the NC track the solenoid valve R-shaped valve seat, the surface mathematical model of the solenoid valve seat was established, the polishing path and residual removal model of the valve seat surface were studied, and the influence of polishing parameters on the surface quality of the valve seat was analyzed. Good application effect has been achieved and the risk of low temperature air tight leakage of solenoid valve has been eliminated.

solenoid valve；valve seat；NC track；polishing technology

曹飛龍（1988），工程師，航空工程專業；研究方向：航天電磁閥制造技術。

2020-10-29