收擴段內、外壁間隙控制研究

崔薇 王卿

（西安航天發動機有限公司，陜西 西安710100）

1 概述

某型號系列推力室身部由燃燒室、收擴段和噴管后段組成，推進劑在身部燃燒室內霧化、摻混、燃燒后產生高溫、高壓燃氣，然后經過收擴段和噴管后段加速、噴出，從而產生所需的推力。其中，收擴段喉部因直徑急劇縮小，熱流密度最大，溫度最高，為保證喉部工作可靠與壽命，必須對該部位進行強制冷卻，再生冷卻為目前最常用的冷卻方式，通過采用導熱性能優良的內壁材料，提高冷卻劑流速，降低槽底壁厚等多種方式，提高內壁冷卻效率。

圖1 內、外壁裝配示意圖

從圖中可看出：收擴段內、外壁為嵌套式結構，因其結構類似于酒杯狀，無法由一端向另一端套入裝配，工程上實現是采用將收擴段沿軸線切為兩半，裝入內壁后再焊接而成設計。

限于結構及工程實現，收擴段內、外壁裝配間隙難于保證。從近幾年交付產品的生產過程來看，若想保證產品最終質量。（內、外壁間隙、也即冷卻劑的流量、流速），必須嚴格控制零件加工變形及焊接變形。因此對于收擴段內、外壁結構，加工過程進行分析，優化工藝方法及參數，既必要也重要。

2 零件變形分析

2.1 首先對收擴段外壁加工變形進行分析，原加工流程如圖2。

從流程圖中可知外壁的加工過程，在粗加工完內、外型面后先按軸線剖切開以釋放產品內應力，再點焊為一個整體后，經過精車內、外型面可減少加工應力帶來的變形以提高配合質量（如圖3）。由藍圖部分尺寸可知，外壁的軸線尺寸公差較大為0.6mm，產品基準位于喉部，但喉部直徑為兩處圓弧相交點，根據工藝規程，外壁內型面加工是分兩次裝夾，各以兩端端面為基準向喉部方向加工，因此公差累積均位于喉部位置。

圖2 收擴段外壁加工工序流程圖

圖3 外壁內型面部分尺寸

由于喉部具體位置在實際加工中無法準確確定，在三坐標檢測內型面的圓弧及角度尺寸時選擇的基準與加工基準一致，所測量的數據均符合藍圖要求。但分析加工過程中的各個因素，例如：對刀誤差，刀具的磨損，增加刀尖圓弧半徑補償等因素，均可導致外壁內型面軸向偏移誤差（如圖4）。

2.2 內壁工藝流程圖（如圖5、6）

內壁的外型面與外壁的內型面為配合面，由流程及加工工藝可知，內壁的外型面一次裝夾加工完成，因此可認定外型面為一條完整的曲線，可不受軸向公差大小的影響。

圖4 外壁精加工內型面工藝附圖

圖5 收擴段內壁加工工序流程圖

圖6 內壁精加工外型面工藝附圖

2.3 造成間隙不均勻原因分析

2.3.1 基準轉換誤差

內壁與外壁由藍圖計算理論間隙應在0.15mm～0.22mm 之間，但在實際配合中，釬焊間隙并非均勻，作圖可直觀看出，若外壁以喉部為基準，兩側R 在軸向方向各向兩端偏移0.1mm，間隙可為0～0.2mm。若增加軸向偏移，間隙的不均勻性會更加明顯，對焊接質量也會造成直接影響。

2.3.2 對刀誤差

圖7 外壁對刀處示意圖

在加工42°24′角度，操作者使用螺紋尖刀目視對刀。帶有角度的形狀是對刀難點，對刀的誤差會直接影響內型面的軸向位移，從而直接影響喉部右側型面的軸向尺寸。

2.3.3 刀具磨損誤差

刀尖磨損后，刀尖圓弧會變大，加工曲面及錐面會受到較大影響，實際型面與理論曲線相比會稍稍變小。

2.3.4 刀尖圓弧半徑補償誤差

加工外壁時使用刀尖圓弧半徑為R0.1mm 的螺紋刀片。在車加工中，若刀尖圓弧半徑≤R0.1mm 可不增加，因此車加工出產品的內型面屬于過切，也就是實際型面與理論曲線相比會較大。

2.3.5 軸向長度不一

外壁軸向的公差為L±0.3，即總長（L-0.3）mm～（L+0.3）mm均為合格，兩端裝夾平掉斷面后產品可有長有短，每批產品的長度一致性都不一樣，這就會造成精加工內型面時在喉部位置接刀不齊，會直接影響間隙的大小，更有甚者會出現內外壁配合不上的現象。

2.4 變形控制誤差

只要有加工，就會有力的施加；只要有加熱，就會使零件產生內應力。例如機加、焊接、熱處理過程等。

外壁在粗加工內外型后即沿軸線用線切割切開，就是為了最大限度釋放切削加工產生的應力及零件自身內應力。切割后的產品放置在平臺上，測量產品喉部位置與平臺的間隙約為0.07mm～0.08mm，證明產品已有變形，因后續加工需要，要將切開后兩半重新點焊為一個整體，點焊沒有嚴格的工藝參數要求，因此點焊前喉部位置間隙始終存在。

內壁在車加工時所使用的胎具只有軸向定位，沒有徑向定位（原工裝設計方案是需要將產品與胎具點焊在一起），這樣精加工外型面后卸胎加工工藝孔與胎具安裝后銑槽也會產生彈性變形。

變形是概率事件，變形帶來的誤差也沒有規律可循，只有盡可能的減少變形才能讓產品裝配后的實際間隙更加接近理論值。

3 工藝方法改進

通過上面對引起收擴段內外壁間隙不易保證原因分析，可知加工過程中有諸多因素需要在零件加工時加以嚴格控制，只有前面一道道把住關，才能使產品要求的間隙得到滿足。所以需從加工流程、工藝參數、刀具、工裝等方面一一采取措施，使產品達到圖紙要求。

3.1 外壁工藝優化

3.1.1 粗加工均衡切削余量分布

有圖可知，圖8 為原粗、精加工余量對比圖，粗實線為最終尺寸，細實線為精加工前余量，余量分布不均勻，錐面余量在3mm 左右，圓弧側在0.66～4.007mm 之間。

加工余量不同會帶來切削面受力不同，變形量無法控制。圖9 為優化后粗、精加工余量對比圖，余量基本在均勻的2mm 左右，有利于切削后產品內應力的均勻分布，減少變形量。

3.1.2 增加研磨工序

在線切割將外壁分解開后，增加一道鉗工研磨工序，就是將對接面的間隙消除，要求外壁對接面放置在平臺上，0.05mm 塞尺不允許通過，這樣可以使兩半產品貼合更緊密完好。

3.1.3 改變刀具及加工方式

原來使用螺紋尖刀加工，對刀易產生誤差，為了避免該誤差，現在采用加工錐面一端用兩把刀加工：使用鏜孔刀加工圖10 中紅色部位，使用螺紋刀加工圖中藍色部位，這樣大部分內型面對刀時是平面，不會引起角度對刀的誤差，能夠保證內型面不會在軸向躥動。

圖8 原外壁粗、精加工余量示意圖

圖9 優化后外壁粗、精加工余量示意圖

圖10 優化后對刀方式示意圖

3.1.4 刀具圓弧半徑補償

由于加工方法的優化，鏜孔刀的刀尖圓弧一般在≤R0.2mm，因此使用新工藝方法加工必須帶有刀尖圓弧半徑補償。工部內容：a.使用φ25 鏜孔刀加半徑補償精加工內型面；b.使用雙頭螺紋刀片加工內側尖角部位。

3.1.5 減小軸向公差

將藍圖的軸向尺寸公差±0.3mm 減小到±0.02mm, 可以有效避免因粗加工時軸向長度不一，在喉部積累誤差的風險。

3.1.6 明確點焊要求

為了減少點焊及分解時帶來的誤差，明確點焊參數及要求：a.點焊前外圓、端面對齊，錯位不大于0.2mm；b.在兩端外圓側面各點焊1 處，共4 處焊點；c.點焊熔深控制在0.3～0.6mm，將零件緊固。

3.1.7 提高檢測方法

因基準轉換所帶來的誤差，原來沒有過多關注，所以在檢測時并沒有考慮到加工基準與藍圖基準不統一會帶來較大影響。由于藍圖的基準位于喉部，三坐標檢測無法準確找到喉部，只能以兩端面作為基準分別檢測兩端的角度及圓弧，雖然檢測基準與加工基準一致，但與產品實際使用不太相符。為克服此缺點，采用產品掃描型面與CAD 理論模型比對以及光學掃描作為新的檢測手段。CAD 理論模型是按照藍圖尺寸1：1 制出，再通過三坐標掃描外壁的內型面得到一系列的點來構成圖形，使用同一基準與CAD 模型去比對，即可知道產品哪些位置已經貼合，哪些位置有間隙，間隙的大小等都可以展現，不僅效率高，而且準確直觀。

3.2 內壁加工優化

內壁車加工內型面后使用車銑夾具撐內型面，三爪裝夾，尾頂扶持，軸向定位完好，但因周向定位不理想，有可能在車外型面時轉動；車加工完成后鉗工在工藝段上加工小孔與工裝螺孔配合，拆卸后加工孔再套入工裝，也會產生變形。

3.2.1 優化工裝

將工裝設計成一體式，以螺母擰緊力推動壓塊，軸向固定；車加工內型面一端時將外型面工藝段精加工，鉗工加工小孔，裝胎，用螺母與工藝段小孔連接，周向固定。

3.2.2 減少拆卸次數

改進工裝及加工內容可減少多次裝夾帶來的誤差，同時加強工件周向定位，保證產品尺寸精度。

3.2.3 內、外壁交付

經過分析與梳理，細化工藝流程，加嚴軸向公差，增加研磨工序并完善點焊工藝參數等。后續產品嚴格按照加嚴措施執行，內、外壁配對加工。兩者試裝并檢查間隙，使用塞尺同時插入喉部兩側，間隙控制在0.1mm～0.15mm 之間視為合格，從近期交付產品來看，效果良好，驗證工藝方法改進措施有效。

4 推廣應用

通過多件產品交付及使用情況追溯，產品使用良好，證明工藝方法更改效果良好，此工藝方法可以推廣到類似產品的加工生產中。

結束語

改進工藝是一項無止境的工作，沒有最好，只有更好。原有的工藝方法不能保證產品質量穩定，則需要引入新的工藝方法；原有的工藝方法可保證質量，則需在提高生產效率上引入新的工藝方法?？傊に嚪椒ㄐ桦S著產品的設計要求及科學技術發展而持續改進，才能更加完美的體現設計水平的不斷提高。