复合式阀芯是由金属基体镶嵌非金属密封材料而成^[1],其特点是密封面采用金属—非金属复合密封结构,在航天产品中密封可靠性高,应用范围广,多项阀门采用该结构阀芯保证阀门性能可靠。复合式阀芯的结构主要应用于吹除系统、燃料系统阀门中。

复合式阀芯加工难点之一是金属—非金属复合V形槽的加工,以金属—氟塑料复合V形槽为例,其加工难点主要包括2个方面:①多余物^[2]难以控制:在使用成形刀具加工时,零件加工部位一端是金属材料,一端是氟塑料材料,切削金属端时所形成的铁屑会黏附在塑料端的表面上,形成致命多余物^[3-4]。②加工性能存在较大差异:由于材料特性,非金属面和金属面的加工具有不同的切削性能,切削规律、刀具结构、切削量均存在差异^[5],同样的加工工艺方法得到的切削力不同,因此,需要选用不同的刀具和设置不同的切削参数以保证非金属表面和金属表面的加工精度。

本文采用分层逐点逼近法加工复合V形槽,结合优化刀具参数,并通过模拟加工过程,以切削力为评价指标,采用正交试验法优选切削参数等方法改进金属—氟塑料复合V形槽工艺技术。

金属—氟塑料复合结构如图1所示,金属与氟塑料相接处设置V形槽进行过渡,角度为a。

图1 金属—氟塑料复合V形槽(角度为a)
Fig.1 Metal-fluoroplastic compound V-shaped groove(angle is a)

V形槽一般采用靠模法加工,即选用与加工型面一致的刀具一次加工成型^[6]。这种加工方法的弊端是零件加工部位一端是金属材料,一端是塑料材料,使用成形刀加工,产生的带状铁屑容易将塑料端损伤或是黏附在塑料端的表面上,如图2所示。

图2 氟塑料面损伤
Fig.2 Surface damage of fluoroplastics

按照改进后的加工方案,通过正交试验原理设计切削模拟方案,选取9组试验方案进行切削模拟实验,将背吃刀量a_p(mm)、进给量f(mm/r)、转速n(r/min)作为试验因素^[18-20],然后对每个因素选取3个水平进行模拟,最终评价指标为切削模拟过程中的刀具在x、y、z方向的受力情况。切削模拟选取的因素、水平如表3所示,确定的切削模拟方案如表4所示。

表3 切削模拟选取的因素水平表
Tab.3 Selected factor level of cutting simulation

通过分析切削模拟所得结果,能够得到使得刀具在x、y、z方向受力均较小的切削加工工艺参数,在此参数下刀具工作过程中受力减小,保证了切削刃和刀具角度的完整性,从而提高了刀具寿命和加工产品的合格率。

表4 正交切削模拟方案表
Tab.4 Scheme of orthogonal cutting simulation

使用表4中确定的正交切削模拟方案进行切削模拟,对x、y、z 3个方向的切削力进行记录,如表5所示。

表5 模拟切削力结果
Tab.5 Simulation results of cutting force

因上述模拟过程属多指标正交试验情况,即需使刀具在x、y、z 3个方向所受切削力均较小,因此通过综合平衡考虑,对模拟数据进行分析以得出理论最优工艺参数。通过对3个指标进行极差分析,结果如表6所示。由表6可知,试验因素进给量f均采用C1水平,即0.01 mm/r的进给量能够保证切削过程中刀具受力较小,试验因素背吃刀量a_p均采用B1水平,即0.03 mm的背吃刀量能够保证切削过程中刀具受力较小。通过分析极差可知,在F_x、F_y、F_z指标中,背吃刀量a_p的极差均大于进给量f和转速n的极差,进给量的极差均大于转速的极差,因此证明背吃刀量a_p对于指标的影响程度大于进给量f和转速n,进给量对于指标的影响程度大于转速,故选取背吃刀量a_p和背吃刀量的最优水平后再进行转速n的最优水平选取。

表6 极差分析表
Tab.6 Range analysis table

因零件回转中心较小,且转速对切削力的影响很小,因此,可以从提高加工效率方面考虑选取n=400 r/min。

以上为金属部分的切削参数,对于非金属部分,由于切割非金属部分时产生的飞屑为塑料,不会对产品造成损伤,因此可适当增大转速和进给量来提高加工效率,因此,非金属部分切削参数为:n=500 r/min,a_p=0.03 mm,f=0.03 mm/r。

按照优选出的最佳切削参数进行实际加工,产品尺寸精度满足公差范围±0.1 mm,非金属密封面无损伤,表面粗糙度达Ra1.6,如图7所示。

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

目前,本文提出的这套金属—氟塑料复合V形槽已应用于液体火箭发动机吹除系统、燃料系统的多种阀门的复合式阀芯加工过程,实现批产应用,并经过飞行考核。

针对金属—氟塑料复合V形槽的结构特点,本文提出了一整套完整、系统的加工工艺设计方案思路。通过合理设计金属—氟塑料复合V形槽切削路线、优化切削刀具的结构和参数、优化加工过程中影响加工质量的切削参数等工艺过程,确定金属—氟塑料复合V形槽加工工艺方法,此方法已推广应用于液体火箭发动机阀门复合式非金属密封结构的精密加工。