跨聲速風洞調(diào)壓閥制造工藝

李文兵，葉德莉，董華寶

1.四川航天職業(yè)技術學院 四川成都 610066

2.成都乘風閥門有限責任公司 四川成都 611330

3.成都彩虹電器（集團）股份有限公司 四川成都 610045

1 序言

風洞試驗是飛行器設計數(shù)據(jù)取得的重要平臺。為適應大飛機、新型殲擊機、大型運輸機、轟炸機、巡航導彈、大型運輸火箭系統(tǒng)和先進高機動戰(zhàn)術導彈等的研制需求，飛行器設計最原始依據(jù)的風洞試驗向模擬真實化、測量精細化、試驗高參數(shù)化和手段綜合一體化方向發(fā)展[1]，對大型跨超聲速風洞這一基礎試驗平臺建設提出了日趨緊迫的需求[2]。為了控制時空變化風場[3，4]，保證穩(wěn)定段內(nèi)氣流壓力穩(wěn)定在某一運行壓力值，以維持風洞的正常運行，風洞調(diào)壓閥起到了極其重要的作用。在跨聲速風洞運行過程中，2.4m風洞調(diào)壓閥隨著氣源壓力的下降，通過控制調(diào)壓閥的開度，維持氣流壓力的穩(wěn)定，保證了飛行器研制過程數(shù)據(jù)的測試。

高速風洞的主要控制參數(shù)為風洞試驗段馬赫數(shù)與穩(wěn)定段總壓[5]，采用風洞調(diào)壓閥作為控制閥門[6]，但由于該類調(diào)壓閥閥門口徑大，密封難度大[7]，所以制造加工困難，精度難以保證，往往依托國外技術生產(chǎn)[8]。該設備在運行中，由于閥芯的往返運動，使介質(zhì)（氣流）發(fā)生膨脹和壓縮等復雜的變化，對設備產(chǎn)生巨大的沖擊和反復的交變載荷[9]，如果制造精度不高，運動件間的同軸度精度達不到要求，則將引起設備劇烈振動，對閥門的材料和結構造成損害，因此，除了對風洞調(diào)壓閥從結構上進行改進[10]外，本文以成都乘風閥門有限責任公司生產(chǎn)的TL7T40-1804Y-10P套筒活塞型液動調(diào)節(jié)閥為例，闡述如何從制造工藝上保證風洞調(diào)壓閥的制造精度，從而達到設備的使用要求。

2 調(diào)壓閥結構

TL7T40-1804Y-10P套筒活塞型液動調(diào)節(jié)閥為內(nèi)部軸向?qū)ΨQ的環(huán)狀縫隙調(diào)壓閥，采用內(nèi)外套筒結構（見圖1），驅(qū)動裝置采用液壓伺服驅(qū)動，液壓桿帶動套筒沿軸線運動，通過閥體內(nèi)固定件的堵塞作用和運動件以不同開度控制流通面積，對氣流量進行實時控制，通過改變氣流通過的面積來實現(xiàn)馬赫數(shù)的調(diào)節(jié)。閥門主要由殼體、套筒、導向裝置、液壓裝置、感應裝置及支撐導向裝置等組成。結構長度3.3m，最大外徑2.1m，公稱通徑1.3m，套筒最大行程約560mm，調(diào)節(jié)特性曲線為近似等百分比曲線（指數(shù)型曲線），總質(zhì)量約20t。其內(nèi)部錐狀殼體是固定部件，對氣流具有整流和堵塞作用；閥門末端閥芯是活動部件，在液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動控制作用下調(diào)整開度。殼體和閥芯共同實現(xiàn)了閥后壓力的降壓和穩(wěn)定。

圖1 TL7T40-1804Y-10P套筒活塞型液動調(diào)節(jié)閥結構示意

3 閥體制造工藝

3.1 閥體鑄造工藝質(zhì)量控制

閥體屬薄壁雙層套筒式零件，材料為WCC，為提高閥體剛性，在兩層之間采用對稱的筋板連接。由于該零件為大型薄壁零件，因此以往的加工方法是采用增加鑄造件的壁厚、設置大型冒口、調(diào)整鑄件凝固溫度場并強化補縮來實現(xiàn)。但這種方法不僅浪費材料，同時由于壁厚加大，鑄件心部冷卻速度低，容易導致鑄件晶粒粗大，使鑄件性能降低，為此，將閥體結構改進為三段式結構，分為前閥體、中閥體和后閥體，采取分解鑄造的方式，有效地降低鑄造及加工難度，并且保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 前閥體的加工

前閥體為雙層薄壁結構（見圖2），外層為錐形，內(nèi)層為寶塔形，內(nèi)外層之間由對稱的筋板連接，兩層中的間隙形成了一個有效的空間，介質(zhì)從小端進入，大端流出；兩端由大小法蘭連接，該面需要進行機械切削加工，表面粗糙度值Ra=1.6μm，兩端面的平行度公差要求為0.05mm；型腔為非加工面，由鑄造模型保證。

圖2 前閥體結構

前閥體加工工藝流程：毛坯鑄造→去應力處理→入廠檢驗（外觀、尺寸、機械性能、化學成分和磁粉檢測等）→粗加工→無損檢測（射線檢驗或超聲檢驗）→精加工→待試壓裝配。

由于零件壁厚較薄，加工時容易產(chǎn)生變形，為此坯件加工前要進行完全去應力處理，同時采用粗、精分階段加工，避免切削熱過大而引起工件熱應力變形。在粗、精加工之間安排無損檢測工序，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

粗加工以法蘭頸部為基準，利用劃線找正的方法找正兩法蘭面，劃出粗加工找正線、校圓線。選用2.5m立式車床，對兩端法蘭端面及外圓進行粗加工，經(jīng)無損檢測合格后，再進行精加工。

精加工采用型號為CK5240的數(shù)控立式車床，先加工大端法蘭面及密封槽，然后調(diào)頭，采用定位工裝定位找正，用等高塊墊平，壓板壓緊，加工出小端法蘭面及密封槽，表面粗糙度值Ra達到1.6μm，定位精度及重復定位精度達到0.01mm。

3.3 中閥體的加工

中閥體為直通式雙層薄壁結構（見圖3），內(nèi)外層之間由對稱的筋板連接，兩端面由相同的法蘭連接，需要安裝密封，表面粗糙度值Ra=1.6μm，兩端面的平行度公差要求為0.05mm；進口端內(nèi)壁鑄造出耳孔凸臺，以便導向桿的固定支撐；型腔為非加工面，由鑄造模型保證。

圖3 中閥體結構

中閥體加工工藝流程與前閥體相同。為保證質(zhì)量，中閥體兩端法蘭端面及外圓加工工藝和前閥體也相同。

3.4 后閥體的加工

后閥體為流線型（指定曲線）單層薄壁結構（見圖4），兩端由大小不同的兩個法蘭連接，需要安裝密封，表面粗糙度值Ra=1.6μm，兩端面的平行度公差要求為0.05mm。型腔為流線型（指定曲線）設計，先通過Inventor 3D軟件進行曲面造型，再以此造型制造型模，用于塑造型腔造型，然后澆注獲得鑄件，并在數(shù)控車床上進行內(nèi)壁型腔加工，進一步修正該曲面形狀。

圖4 后閥體結構

后閥體加工工藝流程與前閥體相同。后閥體兩端法蘭端面及外圓加工工藝也和前閥體相同。為保證調(diào)節(jié)曲線精度，在數(shù)控車床上進行精加工的同時，對內(nèi)壁型腔曲面進行加工。

為控制曲面質(zhì)量，采用樣板比對法進行檢驗。依據(jù)Inventor 3D造型曲線，采取1∶1的比例打印圖樣，制作樣板，用于檢測鑄造型模和加工曲線精度。

4 閥芯加工工藝

4.1 閥芯結構特點

閥芯為鑄造輪轂形結構（見圖5），中間有對稱筋板，兩端口內(nèi)腔設計有導向桿固定支撐的凸臺，周向設計有安裝密封圈的密封槽，前端面需要堆焊密封金屬層，待該端面機械加工達到精度要求后，與閥座形成密封幅，實現(xiàn)閥門的主密封。

圖5 閥芯結構

4.2 工藝流程

閥芯粗加工工藝流程與前閥體相同，粗加工以后需要堆焊密封金屬層，焊后進行熱處理，再進行半精加工和精加工，中間穿插PT（滲透檢驗）檢測閥芯質(zhì)量。

4.3 工藝控制

閥芯的密封面關系到閥門是否泄漏，其工藝難點在于密封面金屬層的堆焊質(zhì)量、密封槽的加工精度和表面質(zhì)量，以及導向桿固定孔與閥座及中閥體的同心度。

堆焊采用STARWELD等離子噴焊設備，按照經(jīng)過嚴格評定后的工藝文件操作，焊后進行熱處理。

表面加工在型號為CKE516的數(shù)控立式車床上完成。由于壁厚較薄，如果采取自定心卡盤或單動卡盤裝夾，可能會導致夾持部分變形，為此，采取壓板壓緊凸臺部位的方式，以堆焊端面定位，將非密封端面及內(nèi)孔完成車削加工，然后調(diào)頭，用定位盤以內(nèi)孔定位，一次裝夾完成外圓、密封面和密封槽的加工。為提高外圓面表面質(zhì)量，車削完成后，采用先進的SK-03型超聲波納米磨床進行精整加工，可以有效地將表面質(zhì)量提高到表面粗糙度值Ra=0.4μm左右。

為進一步提高每組孔的同軸度、平行度和定位精度，待中閥體、閥芯及閥座加工完成以后，在THP6513型臥式數(shù)控鏜銑中心上將中閥體、閥芯及閥座利用定位工裝定位組合，一次裝夾，鏜桿尾部支撐，逐一對每組支撐軸孔進行鉆、鏜加工，并做好方向標識，以便裝配時按此標識組裝。

5 密封座加工工藝

密封座類似于長頸法蘭結構（見圖6），為了增加導向桿的支撐，在閥座內(nèi)壁端口處設計有耳孔凸臺，同時在法蘭面前端面也需堆焊金屬層，形成密封面，該面與閥芯密封面形成密封幅，表面粗糙度值Ra要求達到0.8μm。

圖6 密封座結構

密封座加工工藝流程與閥芯相同。密封座的堆焊工藝也和閥芯相同。

端面加工采用CK5225型立式數(shù)控車床，以密封面定位，用壓板壓緊凸臺部位，一次裝夾，將法蘭端平面、止口、外圓和密封面等一次加工完成，然后調(diào)頭，用百分表找正，一次裝夾完成外圓尺寸及密封面的加工。

6 導向桿加工工藝

6.1 導向桿的結構特點

導向桿采用40Cr的鍛件，為φ60mm×1800mm的細長軸類零件（見圖7），經(jīng)調(diào)質(zhì)處理、表面鍍硬鉻處理，要求表面粗糙度值Ra=0.4μm，直線度為0.1mm，同軸度為0.1mm。為便于軸向定位，一端設計有軸肩，為便于聯(lián)接拉緊，該端還設計有螺紋。

圖7 導向桿結構

6.2 工藝流程

入廠檢驗前與前閥體工藝流程相同，入廠檢驗后的工藝流程為：粗加工→性能熱處理及熱定型處理→性能檢測→半精加工→無損檢測（UT）→自然時效→精加工→鍍硬鉻→拋光→待裝配。

6.3 工藝控制

粗加工利用CKA6163/4000型臥式數(shù)控車床，采用一夾一頂方式裝夾進行。為了減少切削熱引起的彎曲變形，采用彈性活頂尖，使工件受熱后可以自由伸長。為了避免安裝時出現(xiàn)重復定位現(xiàn)象，在卡爪與工件之間墊入一開口的鋼絲圈，減少了彎曲變形。

調(diào)質(zhì)處理安排在粗加工后，保證工件的綜合機械性能。為進一步消除熱應力，安排一次熱定型處理，為避免重力對定型的影響，要求熱定型時工件必須垂直吊掛。

半精加工可以采用粗加工時的裝夾方式。

精加工時，為保證質(zhì)量，采用反向切削加工方式。反向切削加工是指在零件車削過程中，車刀由主軸卡盤向尾座方向進給，使工件在切削力作用下受到軸向拉應力，消除了軸向切削力引起的彎曲變形，同時由于采用彈性尾座頂尖，所以可有效地補償?shù)毒咧廖沧欢蔚墓ぜ軌鹤冃魏蜕扉L量，避免工件彎曲變形。采取減少切削深度、提高切削速度以及適當加大進給量的方式進給。刀具前角選取15°，主偏角選取60°，刃傾角選取+3°～+10°。

精整加工采用SK-03型超聲波納米磨床，使工件表面粗糙度值Ra達到0.4μm。

為增加導向桿表面硬度，提高耐磨能力，導向桿表面要求鍍硬鉻處理，鍍前表面磨削加工，并清理油污和毛刺，鍍后表面再進行磨削、拋光處理，提高表面精度，減少導向桿與軸套之間的摩擦。

7 閥門裝配

按裝配工藝卡，將中閥體與閥芯裝配（注意兩個閥體上的加工方向標識，安裝時要方向一致），并裝上密封件，均勻緊固聯(lián)接螺釘（用扭力扳手統(tǒng)一力矩值，擰緊力達80%即可）。手動往返運動并調(diào)整閥芯，要求運行平穩(wěn)、流暢，無卡阻現(xiàn)象。

1）裝閥座密封組件，并與閥芯等裝配，按同樣方法擰緊聯(lián)接螺栓。

2）裝入導向桿、軸套和軸承等零件，手動空載運行閥芯，要求運行平穩(wěn)、流暢，無卡阻現(xiàn)象。

3）裝配液壓缸組件，調(diào)整各密封處密封件，再裝配整流罩、前閥體等，擰緊各處螺栓。

8 閥門質(zhì)量檢測

（1）同軸度檢測 利用THP6513型激光坐標儀對閥芯運動的3個方向的運動偏差進行檢測，結果為X軸和Z軸的定位精度和重復定位精度均在10μm之內(nèi)，Y軸定位精度和重復定位精度在14μm之內(nèi)，滿足GB/T 17421.2—2016標準要求，足以滿足設備采購企業(yè)的需求。

（2）壓力檢測 閥門裝上試壓盲板，采用2.3MPa壓力進行密封試驗，滿足保壓10min，壓力降＜0.6MPa的要求。

9 結束語

本文總結本公司長期生產(chǎn)大型閥門的經(jīng)驗，在閥門結構設計和制造過程中采取可靠的工藝改進措施，細致到每個部件的加工方法和質(zhì)量控制，滿足了高速風動閥承受巨大的沖擊和反復的交變載荷的要求，避免了運動件間的同軸度精度達不到要求而引起的設備劇烈振動，滿足了客戶的需求。

專家點評

文章以套筒活塞型液動調(diào)節(jié)閥為例，闡述了該類閥門主要部件的制造工藝過程，從工藝上保證風洞調(diào)壓閥的制造精度，最終保證了產(chǎn)品的使用性能。

文章的亮點在于產(chǎn)品設計和工藝改進的完美結合，在以往成功經(jīng)驗的基礎上，將閥體設計改進為三段式結構，采取分解組裝的方式，降低鑄造及加工難度，并根據(jù)每個部件的結構特點，分別制定了工藝過程和控制措施，滿足了高速風動閥承受沖擊和交變載荷的要求。