利用收口刀具提高杠桿組件收口一次成功率

于洋，陳建新，李雪英

中國航發西安動力控制科技有限公司 陜西西安 710011

1 序言

航空發動機燃油附件結構復雜、制造精密，其中大量的精密零組件承擔著相對運動、傳動及反饋等工作。在工藝性能要求不斷提高的情況下，特別是燃油附件所處的復雜工作條件下，零件不同部位的材料特性要求都不盡相同，單一材料往往不能滿足需求。為了解決這樣的問題，除了大量地采用局部（或全部）熱處理、表面處理、雙金屬等新工藝外，還將不同結構、不同特性材料的零件進行組合、壓合的聯接方式也大量應用。這一類形式的零件為了保證聯接的可靠性、穩定性，其收口工藝及加工方法的正確使用是一個關鍵因素。

2 收口概述

2.1 收口的概念

收口是零件進行相互聯接時為了保證聯接的可靠性經常使用的一種工藝方法。其一般是通過滾壓、沖壓、模壓等方法使包容件口部位置產生塑性變形，將被包容件限制或固定在所需位置，從而達到符合組件工藝要求的方法。

2.2 收口的特點

收口工藝的應用可使不同材料、不同狀態（硬度）及不同結構的零件進行可靠聯接，解決了零件不同位置或產品不同部位因材料、結構的制約而不能滿足要求的問題，降低了零件的加工難度，提高了工藝性。

2.3 收口方法的分類

（1）按零件材料分類 包容件要能夠產生所需的塑性變形，同時滿足一定的強度需要。收口零件的類型一般有：鋼—標準件、鋼—鋼、鋁—銅等。一般包容件都是具有一定塑性的不銹鋼、低碳鋼，如2Cr13、1Cr17Ni2、45鋼等。若以12CrNi3A等滲碳鋼作為包容件，滲碳或淬火時需要將收口變形部位進行保護。

（2）按加工方法分類 按照加工方法可以分成沖壓、滾壓和模壓三類。①沖壓。作為較常見的一種收口方式，多使用在銷子、小型襯套孔口等受作用力不大的部位，一般為手工作業。②滾壓。滾壓收口能適應較多的零件結構。按滾輪的個數又分為單滾輪、雙滾輪和三滾輪，通常在臥式車床、鉆床及自動收口機上進行加工。③模壓。模壓收口是近年來針對柱塞、滑靴組件重點攻關的工藝方法，取得了重要的成果。該方法的使用，使零件收口效果具有很高的穩定性、靈活性和抗拉脫能力。

（3）按工藝要求分類 可分為兩類：一是收口后被包容件需靈活轉動或保證一定的軸向間隙；二是收口后被包容件被充分鎖緊不允許松動。

3 某杠桿組件收口方法

某帶鋼珠的杠桿組件如圖1、圖2所示，此零件通過杠桿零件上組合一個半圓氟塑料軸套，將鋼珠裝于軸套中，再對杠桿孔口進行收口，使其擠壓軸套將鋼珠固定在軸套內。收口后的鋼珠需在一定載荷下進行高溫和常溫試驗，試驗完的鋼珠需靈活轉動無卡滯。

圖1 杠桿組件三維圖

圖2 杠桿組件剖面

該組件加工過程中主要的技術難點是：①由于零件結構限制，采用傳統的車床滾壓及收口機滾壓收口的方法產生干涉，無法實現。②采用沖壓方法收口時，由于收口工裝存在公差，以及收口力度的不穩定，導致收口后鋼珠與軸套之間的間隙不穩定，易產生卡死或脫落的現象。

由于存在以上難點，零件加工質量不穩定，效率低，嚴重制約了零件的加工進度，因此急需優化加工工藝。

4 杠桿組件收口方法的分析與優化

4.1 鋼珠靈活性的優化

前期該杠桿組件的收口方式為沖壓收口，收口夾具及沖模如圖3、圖4所示。

圖3 收口夾具

圖4 沖模

將該杠桿組件放置于圖3夾具中，將圖4沖模放入夾具引導孔，60°錐面與杠桿收口部位錐面接觸，用榔頭敲擊沖模球面部位，使杠桿孔口變形，從而實現對鋼珠的收口。對于收口后需靈活轉動的球面類零件，這種收口方式存在以下缺陷。

1）由于是手工作業，沖模錐面不能在圓周方向均勻貼合杠桿收口部位的錐面，造成孔口變形不均，收口后鋼珠轉動不靈活，甚至卡死。

2）由于無法控制豎直向下方向的收口行程，榔頭敲擊沖模的沖擊力難控制，所以沖擊力過大使杠桿孔口變形過多，鋼珠易出現卡死；沖擊力過小杠桿孔口變形太小，鋼珠收口不可靠，導致脫落。

針對上述情況進行分析，為了在收口過程中保證孔口處變形均勻，需保證刀具圓周均勻接觸并持續受力變形。參考自動收口機收口原理及鉆床鉆孔原理，采用鉆床代替自動收口機，設計一體的三滾輪收口工具（見圖5、圖6）代替收口機圓周3個方向分布的滾輪。滾輪中心與刀具中心呈35°夾角，用銷鉚緊，使滾輪靈活轉動。

圖5 改進刀具

圖6 改進刀具參數

在該收口刀具的設計過程中，需考慮到以下幾個方面。

1）滾輪中心與刀具中心夾角為35°，大于零件收口部位的初始倒角，使變形起始點為零件倒角頂端，變形首先從倒角口部最薄處開始，易于變形。

2）采用圓周方向均布三個滾輪，刀具強度較高，能夠自動找正中心，從而在加工過程中變形穩定、均勻且充分。

3）刀具柄部與鉆床夾頭聯結，便于安裝，且在鉆床上易于控制刀具的進刀量，使收口后間隙易于控制。

4.2 收口后鋼珠可靠性的優化

采用沖壓方式收口時，由于沖模所收的沖擊力無法控制，易使杠桿孔口變形過大或過小，從而導致鋼珠被卡死或易脫落。通過分析變形過程，由于收口刀具向下的行程決定了杠桿孔口的變形量，所以控制收口行程的因素尤為關鍵。采用鉆床收口時，可通過控制刀具向下的行程控制杠桿的變形。

該杠桿組件的收口部分是由3個單件構成（見圖7），收口后需保證設計尺寸L為 1.8～2.1mm 。經過計算，在收口前尺寸L為1.83～2.13mm。

圖7 杠桿組件收口部位

（1）刀具行程計算 為保證收口后鋼珠包容可靠，滿足產品的靈活性及可靠性，需對收口刀具豎直方向的行程進行計算。根據收口變形過程中體積不變的原理，對變形過程中的尺寸變化進行理論計算。

收口變形分析如圖8所示，放大圖Ⅰ中陰影部分的軸承圈，若要將鋼珠完全收住，需將軸承圈變形至完全包住鋼珠，其半徑方向的變形尺寸為L～Bmm。

圖8 收口變形分析

根據設計圖尺寸計算，L＝0.174mm，B＝0.274mm，滾輪角度為35°，利用三角函數計算得：C＝（0.174～0.274）/ tan35°≈0.25～0.40（mm）。

由此得出，收口刀具的豎直方向行程約為0.25～0.4mm。將計算得出的數據進行大量驗證試驗，最終確定保證收口可靠且靈活的最佳行程約為0.35～0.4mm。

（2） 收口時金屬的變形分析 在收口過程中，由于滾輪對收口部位金屬的擠壓，所以使被擠壓的金屬同時受到向下和向內的壓力。向內的壓力使一部分金屬向內流動，擠壓軸承圈與鋼珠貼合，限制鋼珠脫出；向下的壓力使金屬產生向上的內力，內力使一部分金屬向上流動，向上流動的金屬將影響最終尺寸1.8～2.1mm。為了使收口后尺寸滿足產品尺寸要求，需對向上流動的金屬進行分析。

收口變形如圖9所示。對圖9中放大圖Ⅰ進行分析，由于藍色線部分為滾輪對金屬的擠壓產生的金屬流動量，綠色線部分為軸承圈完全變形至與鋼珠貼合所需的體積，所以藍色線部分金屬的流動量一部分填充了綠色線部分的體積，另一部分向上堆積，形成紅色部分體積。紅色部分金屬的高度就決定了尺寸1.8～2.1mm的大小。

圖9 收口變形示意

利用UG軟件計算各部分的體積：令滾輪向下的行程為0.4mm，作如圖10所示的金屬變化圖，圖11～圖13分別為軸承圈變形體積V1、金屬向上堆積的體積V2及金屬流動量體積V。由圖可知，各部分體積分別為：V1=3.0552mm3，V=5.4589mm3。

圖10 金屬變化示意

圖11 軸承圈變形體積

圖13 金屬流動量體積

由V=V1+V2得：V2≈2.4mm3，此時向上堆積的部分金屬的高度約為0.24mm（見圖14）。

圖12 金屬向上堆積的體積

圖14 向上堆積部分的金屬高度

綜上得出結論，當滾輪向下的行程為0.4mm時，金屬部分會在高度方向上增加約0.24mm。因此，為了保證2.1mm尺寸在收口后滿足1.8～2.1mm，需在收口前保證該尺寸至少為2.06mm。故在加工各單件時，需控制各單件在高度方向上的尺寸公差，以保證上述要求。

經過使用該收口刀具試加工，加工后試件如圖15所示。由圖可以看出，加工后的零件收口處變形均勻、充分，變形處表面粗糙度較好，完全滿足設計及使用要求。

圖15 改進后的加工樣件

5 結束語

本文從杠桿組件收口靈活性以及可靠性控制方面分析，針對各影響因素，從杠桿組件收口過程中工藝方法和專用工裝的設計等方面進行分析并找到合理的方法，使杠桿組件收口工藝流程做到最優。結合零件特點設計專用工裝，確定最優收口方式，從而滿足零件的精度要求。