楊一明,陳 靖,范會玉,蘇會麗

(首都航天機(jī)械公司,北京100076)

長期以來,去除航天發(fā)動機(jī)殼體零件的毛刺一直是很棘手的問題。這些殼體零件與其他零件相比,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,形位公差及加工精度高,有多個直徑、深度和精度要求不同的孔和活門座。這些殼體零件的加工工序繁多、周期長,加工后的毛刺位置特殊,且加工后的去毛刺方法要求很高,去除難度大。因此,去除零件的毛刺已成為航天發(fā)動機(jī)殼體加工工藝中的一道重要工序,對航天發(fā)動機(jī)的可靠性起到重要作用。

1 電化學(xué)去毛刺原理

電化學(xué)去毛刺是利用電能、化學(xué)能溶解陽極去除毛刺。零件為陽極,與直流電源的正極相連,成形工具為陰極,與直流電源的負(fù)極相連,兩極間保持一定間隙,供電解液循環(huán)流動;當(dāng)兩極接通直流電源后,陽極表面在電解液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),工件表面金屬被溶解;而毛刺突出于工件表面,該處的加工間隙顯著小于工件其他部位的間隙,通電后,電力線高度集中于毛刺部分,距陰極最近的毛刺將以最快速度溶解,直到毛刺全部溶解,邊緣逐漸形成圓角,即達(dá)到去毛刺的目的[1]。

電化學(xué)去毛刺不受材料硬度限制,適合去除高硬度、高韌性金屬零件的毛刺,還可去除手工難以處理、可達(dá)性差的復(fù)雜內(nèi)腔部位的毛刺,尤其是交叉孔相貫線的毛刺。

2 殼體去毛刺工藝研究

本文選用一典型航天發(fā)動機(jī)殼體零件,有一直徑1.5 mm與直徑2 mm的相交孔,且在直徑1.5 mm側(cè)有一精度很高的活門座(圖1)。因此,該殼體的去毛刺工藝內(nèi)容主要包括電極設(shè)計、活門座及其他非加工面保護(hù)工裝設(shè)計、試加工及其分析等工序。

2.1 電極設(shè)計

圖1 帶有活門座的典型殼體零件示意圖

由于電化學(xué)去毛刺加工批量大,且要求有較高的生產(chǎn)率,故多采用固定式陰極(去毛刺電極)加工,既可保證去毛刺精度和質(zhì)量要求,又能實(shí)現(xiàn)高效率。

設(shè)計去毛刺電極須考慮以下幾點(diǎn):

(1)電極材料可選用黃銅。因其導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、硬度適中、易加工。

(2)采用圓柱形電極。去毛刺部位在直徑1.5 mm與直徑2 mm相交孔的相貫線處,而直徑1.5 mm側(cè)有精度要求很高的活門座,所以只能從直徑2 mm側(cè)去除毛刺。由于直徑2 mm孔為圓柱形,且外側(cè)口徑大于2 mm,電極與去毛刺部位的側(cè)面間隙為0.2～1 mm。為保證側(cè)面間隙基本一致,電極設(shè)計為外徑為1.2 mm的圓柱形電極,其一端所帶凸臺為安裝固定使用。

(3)采用熱縮管或塑料套對電極表面進(jìn)行部分絕緣。要實(shí)現(xiàn)有選擇性地對零件毛刺部位進(jìn)行電化學(xué)加工,必須將與零件非加工部位對應(yīng)的電極表面絕緣,從而切斷電極通往零件非加工部位的電力線,保護(hù)零件非加工表面不發(fā)生陽極溶解,防止或盡量減少電化學(xué)反應(yīng)對非加工表面造成雜散腐蝕。

(4)采用中空電極。電化學(xué)加工過程中,會產(chǎn)生大量的熱量和不溶性產(chǎn)物,所以必須采用中空電極,讓高壓電解液通過電極帶走熱量和產(chǎn)物,保持電極和零件間的良好導(dǎo)電性,同時可防止熱量導(dǎo)致的電極變形或損壞。

綜合考慮以上因素,設(shè)計的電極為外側(cè)部分絕緣的中空黃銅電極(圖2)。

圖2 去毛刺電極示意圖

2.2 保護(hù)工裝設(shè)計

活門座作為航天發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)極其重要的部位,對氣密性起著決定性作用。活門座的尺寸精度和形位公差要求很高,表面粗糙度值要求 Ra 0.4 μm,表面不允許有壓痕、壓傷、腐蝕和劃傷,所以在整個去毛刺加工過程中須對活門座進(jìn)行保護(hù)。

為達(dá)到這一目的,必須使電解液不流過活門座及其附近,因?yàn)橹灰娊庖毫鬟^的零件部位都會發(fā)生不同程度的電化學(xué)腐蝕,且離電極(陰極)越近,腐蝕程度越嚴(yán)重。

活門座保護(hù)工裝必須能固定在零件上,使用方便,本身或使用過程中不會對活門座或零件造成磕碰劃傷,所以選用PTFE作為加工活門座保護(hù)工裝的材料。

綜合以上因素,設(shè)計的活門座保護(hù)工裝見圖3。為保護(hù)殼體與機(jī)床陽極(正極)接觸的表面,采用兩面平行且光滑的圓柱鋁片作保護(hù)工裝,這樣不僅能防止殼體表面被壓傷,還可增大零件與機(jī)床陽極的接觸面積,增強(qiáng)導(dǎo)電能力。

圖3 活門座保護(hù)工裝

2.3 試驗(yàn)及其分析

試驗(yàn)中使用專用塑料六方螺母將電極固定在機(jī)床陰極座上,將零件、保護(hù)工裝按圖4所示安裝好,保證陰極與毛刺不會接觸而造成加工時短路。

圖4 電極、保護(hù)工裝與零件組裝示意圖

開啟通風(fēng)設(shè)備,打開電解液開關(guān),接通電源,采用表1的工藝參數(shù),對零件進(jìn)行去毛刺加工。選用NaNO3作為電解液,研究電解液溫度和加工時間對毛刺去除效果的影響。分析結(jié)果見表2。

表1 電化學(xué)去毛刺工藝參數(shù)

表2 電解液溫度、加工時間對毛刺去除效果的影響(20倍內(nèi)窺鏡放大檢測)

從表2分析可得:①在相同溫度下,毛刺去除效果隨加工時間延長而變好,這是因?yàn)榧庸r間延長,零件相交孔附近的金屬陽極溶解量增多,即毛刺去除量增加;②在相同時間內(nèi),電解液溫度越高,毛刺去除效果越好,主要因?yàn)樵谝欢囟确秶鷥?nèi),NaNO3溶液的電導(dǎo)率隨溫度升高而增加,毛刺去除速率增加,意味著在單位時間內(nèi)能去除更多的金屬毛刺;③毛刺完全去除所需時間隨溫度升高而減少。因此,可通過提高電解液溫度和增加加工時間完全去除零件內(nèi)的毛刺。

3 結(jié)論

綜合考慮導(dǎo)電導(dǎo)熱、側(cè)面間隙、非加工面絕緣保護(hù)、產(chǎn)物去除等因素,將電極設(shè)計為外側(cè)部分絕緣的中空黃銅電極。合理的工裝設(shè)計能有效避免殼體類零件活門座被腐蝕和磕碰劃傷。通過提高電解液溫度和增加加工時間,可將零件相交孔毛刺完全去除。

[1] 王至堯.中國材料工程大典(第24卷)材料特種加工成形工程(上)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.