张朋朋
（蓝箭航天空间科技股份有限公司，北京 100176）
伴随着太空探索的不断深入，依托火星探测和载人航天事业的强力牵引，我国航天事业进入高速发展的快车道。阀门作为运载火箭发动机中不可缺少的重要组成部分，控制着飞行过程中发动机的运转和姿态，直接影响着整个飞行任务的成败。航天产品“高可靠、高质量、轻量化”的要求越来越高，航天阀门整体式结构设计，可有效减少阀门组件中的连接件数目，提高系统可靠性，并缩短飞行器的装配周期，但结构复杂、孔多、腔多的壳体也使得制造难度大幅增加[1]。
针对某多腔异性非均匀结构的阀门壳体，本文围绕同轴度误差展开分析，从加工工序、装夹固定、切削参数等方面入手，提出了异型阀门壳体加工过程中二次装夹工艺基准选择原则，改善了阀门壳体的加工工艺性，提高了加工精度与效率。
某型号航天发动机阀门壳体结构如图1所示，为典型的多孔、深腔、薄壁结构，该壳体共包含4处法兰，其中A、D两处法兰位于贯通的两端端面，B、C两处位于侧面。
图1 某型号航天发动机阀门壳体结构示意图
该壳体为GH4169高温合金铸件，产品最大外径为φ144 mm，最小内径为φ21 mm，总高度为208 mm，最薄处壁厚为5 mm（（φ56-φ46）/2=5），其中A、D处法兰轴线相对于壳体颈部同轴度为0.02 mm，如图2所示。壳体毛坯除内外壁非加工区域外，单边余量为3～5 mm。
图2 某型号航天发动机阀门壳体精度示意图
阀门壳体机加过程一般采用虎钳、压板进行装夹，车削、铣削、研磨和电加工等多种工艺穿插配合[2]。但在多次装夹与加工过程中，基准变换、测点选择、测量精度等造成误差累积，往往导致产品精度超差，甚至报废。
2.1 同轴度精度高
该阀门壳体A、D处法兰同轴度要求为0.02 mm。由于壳体颈部通径仅21 mm，常规车刀、镗刀无法通过，需进行二次装夹加工。若装夹方式不合理，或测量点位选择不准确，极易导致同轴度超差，甚至报废。对该壳体A处φ21 mm同轴度进行统计，合格率不足20%。
2.2 异形构件难装夹
该阀门壳体为多腔非均匀结构，外壁无合适的装夹点，无法采用三爪卡盘直接固定。由于侧面法兰的干涉，常规半抱环夹具适用性较低。此外，装夹时必须考虑端面处法兰内孔找正需求，装夹难度进一步增大。
2.3 GH4169材料难切削
GH4169属于镍基高温合金，加工过程中会产生较大的切削力，刀具磨损产生大量热量，导致冷硬现象严重。该阀门壳体为薄壁深腔非对称结构，切削过程振动进一步增大。如果在切削过程中不采取适当措施，容易加剧零件颤振，降低零件的加工精度，甚至在薄壁深腔结构处出现振刀纹。
在零件加工过程中，受到人员操作、外部环境和加工设备等因素，以及制造工艺自身的影响，加工零件实际尺寸和理论尺寸之间存在一定偏差，即加工误差。若误差较大且超过设计所允许的偏差值，则为超差。产品的误差是多方面的，主要包括定位误差、机床误差、测量误差等[3]。
3.1 装夹误差
装夹误差主要指加工过程中零件需多次装夹，每次装夹时基准转换后采用新基准进行找正引起的误差。在车削该壳体A处法兰时，需将D处法兰固定在车床工作台上。由于内腔φ21 mm尺寸（设计基准点）无法测量，因此转换为A处φ32 mm和D处φ144 mm进行找正。将D处端面装夹在卧式车床工作台（车床型号：CA6140）时，常见的装夹误差主要包含以下3种。
1）端面间隙。假定机床工作台为理论平面，D处端面也为理论平面，则D处端面与工作台面能够完全贴合。然而，实际装夹过程中由于受重力和挠度的影响，D处端面未能够完全贴合在机床工作台表面，存在间隙δ，则导致同轴度误差η端面间隙，如图3所示。
图3 阀门壳体装夹示意图（端面间隙）
2）轴线偏移。由于该工序选用卧式车床，为回转类加工，即便在零件与机床工作台之间完全贴合的情况下，同样存在工作台与基准圆不同轴的问题。假定工作台与零件D端面的理论轴线偏移δ，则导致同轴度误差η轴线偏移=δ，如图4所示。
图4 阀门壳体装夹示意图（轴线偏移）
3）端面间隙+轴线偏移。在零件的实际装夹过程中，端面间隙和轴线偏移两种误差并非单独存在，而是同时存在的，这将导致阀门壳体的误差进行累计，η装夹=η（η端面间隙，η轴线偏移）。
3.2 机床误差
根据《数控车床和车削中心检验条件 精加工试件精度检验》（GB/T 16462.6—2007）相关要求，数控卧车的垂直主轴轴线的端面的平面度≤0.015 mm，车削圆柱试件的圆度≤0.05 mm。虽然现代机床制造工艺越来越复杂，各种精度补偿措施使得机床的精度不断提高，但机床自身的误差只能减小，不能消除[4]。由于机床自身车刀轴线（X轴）与回转工作台之间的不垂直，导致存在加工误差η机床。
3.3 测量误差
零件测量过程中，百分表、卡尺等测量器具受环境温度、检验人员技能水平和量具自身精度的限制[5-6]，引入测量误差η测量。
因此，A处法兰的端面同轴度误差η=F（η装夹,η机床,η测量），装夹误差、机床误差、测量误差相互作用，不是单纯的简单相加。而在实际的工程实践中，机床误差由于各种补偿修正和良好的保养维护，实际误差极小，可忽略不计；
测量误差也可通过多人复测的方式进行减小。因此，该壳体同轴度超差的根源为装夹误差。
4.1 工艺路线
由于该壳体毛坯为高温合金铸件，受铸造工艺的影响表面凹凸不平，零件表面无法直接作为加工基准面。在表面钳工划线，协调各位余量的基础上，将每道工序分为粗加工和精加工，粗加工主要以去除材料和获得粗基准为主，而精加工则以保证加工质量为主，部分典型工序如图5所示。
图5 壳体加工典型工序示意图
工艺路线：钳工划线→粗车D面→粗车A面→深冷时效→精车D面→精车A面→精测→精铣B/C面→精测→检验。
4.2 基准选择
根据前文同轴度误差分析及工艺路线，需对零件工艺基准进行转换，即由颈部φ21 mm处转移至内腔φ46 mm处，主要是φ46 mm处内孔长度较长，更利于加工过程中的测量与定位。因此，在精车D端面φ46 mm尺寸时，提高公差要求，由φ46±0.05 mm调整至φ46±0.01 mm。同时，车削φ46 mm内孔、φ144 mm外圆及端面，表面粗糙度不超过Ra0.8 μm，并保证端面与φ46 mm内孔垂直度0.01 mm。由于φ46 mm内孔与φ144 mm外圆为一次装夹车成，理论同轴度为0，因此φ144 mm外圆可作为辅助基准进行找正。
产品二次装夹时基于以下原则选择工艺基准：1）设计基准或装配基准优先原则；
2）工艺基准可高精度测量原则；
3）工艺基准工艺程度高，质量稳定原则。
4.3 装夹方案
精车A端面时，以前道工序的内孔φ46±0.01 mm和外圆φ144 mm作为基准。
2）将芯轴插入半成品零件φ46 mm孔中试装，轻微晃动无间隙。若间隙量较大，则芯轴需报废新制。
3）将芯轴一端插入机床工作台中心孔中，使用四爪装夹外圆φ144 mm处，预压紧；
使用百分表测量芯轴直线度和首尾两端圆跳动，均要小于0.01 mm，然后压紧。
4）装夹半成品零件，使用百分表测量外柱面φ144 mm的圆跳动和直线度，保证示数均小于0.01 mm；
测量A处法兰外圆，标记实际圆跳动。
5）使用组合工装压紧靠近B/C处壳体颈部，如图6所示。
图6 壳体装夹示意图
6）重新测量外柱面φ144 mm的圆跳动和直线度，保证示数均小于0.01 mm，并记录实测值。
7）精车A端面φ32 mm法兰和φ21 mm通孔。
4.4 刀具选择
在切削加工中,刀具材料性能对切削加工效率、尺寸精度和表面质量有着决定的影响。结合GH4169高温合金的切削特性[7]，我们选择了硬质合金涂层刀具进行加工。硬质合金具有高硬度、高强度、高弹性模量等优点，利用表面改性技术即刀具涂层的制备工艺，在硬质合金表面制备金刚石涂层、立方氮化硼涂层、氮化碳涂层等不同材质的涂层，可进一步提高刀具的耐磨性和耐腐蚀性。硬质合金涂层刀具的硬度可以高至89～93 HRA，可有效避免GH4169切削过程中的表面硬化问题。
4.5 切削参数
根据材料去除率的计算公式：
式中：Q为单位时间材料去除率，cm3/min；
F为单位时间进给速度，mm/min；
ap为切削深度，mm；
aw为切削宽度，mm；
d为车削直径，mm；
n为车床转速，r/min；
f为车床进给量，mm/r。
由此可知，单位时间材料去除率主要受切削深度ap、进给量f、转速n的影响。以切削深度、进给量、转速为变量，以产品精度为评价指标，分别开展单因素试验对GH4169材质样件进行外圆车削加工，选取最大材料去除率参数为产品加工参数（如表1）。
表1 GH4169阀门壳体车削工艺参数
采取上述技术方案，车间重新生产了一批阀门壳体，同轴度指标的合格率由不足20%提升至85%以上。基于帕累托法则，我们认为通过转化工艺基准、优化装夹定位、改进切削参数等方法对于提升该阀门的同轴度是有效可行的。
结合PDCA持续改进原则，在采取上述措施后我们对同轴度超差的次要原因进行分析，作为下一阶段工作的重点。
该阀门壳体同轴度超差的次要原因包括：1）测量精度达不到要求。目前，市场上百分表的测量精度一般为0.01 mm，与产品同轴度0.02 mm要求较为接近，导致测量误差增大。2）车削振动影响。由于产品自身的非对称结构，车削过程中高速旋转产生偏心力，导致产品加工部位的振动增大，降低加工精度。
通过对某型号航天阀门壳体的结构特征和工艺特性进行研究，分析了该产品同轴度超差的主要来源，制定了多次装夹找正的工艺方案，设计了降低装夹误差的辅助工装，提高了产品的交付质量。同时，对GH4169高温合金的车削刀具和切削参数进一步试验，保障了产品质量并提升了生产效率，达到了控制产品形位公差和尺寸精度的目的。
经过车间的实际生产验证，该技术方案工艺简捷、质量稳定、效果显著，有效地保证了产品的加工精度和质量稳定，也为其它同类型产品的加工积累了宝贵的经验。
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