劉 曉，李林洮，趙光志，陶 沙，陳慰冰

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

運(yùn)載火箭閥門類零件存在大量的交叉孔特征，在其機(jī)械加工過程中，不可避免地會在相貫處產(chǎn)生毛刺。這些毛刺極易脫落并形成多余物，對運(yùn)載火箭的可靠性造成影響[1]。對于交叉孔處產(chǎn)生的毛刺均需去除，當(dāng)孔徑較大時，可由鉗工目測去除；當(dāng)孔徑較?。ā? mm）時，則需采用工藝方法進(jìn)行保證。常用的去毛刺工藝有磨粒流、電化學(xué)、電火花、熱能、高壓水射流等，均屬于特種加工方法[2]。實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，無論采用何種去毛刺工藝方法，均無法實現(xiàn)對尺寸較大的毛刺與翻邊的有效去除，需預(yù)先采用鉗工方法將其去除。如圖1所示，在型號生產(chǎn)中，根據(jù)閥門交叉孔處的幾何特征與可達(dá)性，設(shè)計專門的鉗工工具，在內(nèi)窺鏡的幫助下將翻邊、大毛刺刮除，為后續(xù)工藝方法去除微小毛刺奠定良好的基礎(chǔ)。

圖1 運(yùn)載火箭閥門交叉孔相貫處典型毛刺特征與鉗工去毛刺工具

需要指出的是，運(yùn)載火箭閥門的材料、幾何特征存在較大的多樣性，任何一種工藝方法均無法完全覆蓋型號產(chǎn)品生產(chǎn)需求；另一方面，由于去毛刺工藝自身的特點(diǎn)，其適用范圍也具有明顯的不同。前述去毛刺的工藝方法中，熱能去毛刺是依靠甲烷與氧氣的瞬間爆燃作用來燒蝕毛刺，其工藝控制難度大，高壓水射流去毛刺需要復(fù)雜的編程控制射流，且二者所用設(shè)備均較昂貴；相較而言，磨粒流、電化學(xué)、電火花成形去毛刺的工藝成熟、成本適中，在運(yùn)載火箭閥門去毛刺領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。本文針對現(xiàn)役運(yùn)載火箭與新一代運(yùn)載火箭閥門的材料和幾何特征，對特種加工去毛刺與無毛刺加工技術(shù)開展研究，建立相應(yīng)的技術(shù)體系。

1 磨粒流去毛刺

磨粒流去毛刺的工藝原理是：通過工裝形成流動通道，磨料在設(shè)備上下缸體的壓力驅(qū)動下，擠壓并流過需加工的表面，實現(xiàn)毛刺去除與表面拋光[3]。磨粒流工藝的要素在于磨料、研磨參數(shù)與工裝設(shè)計。磨料粘度、磨粒的材質(zhì)與尺寸是磨料的主要參數(shù)。磨料基體介質(zhì)為半固態(tài)的高分子聚合物，粘度低的磨料可達(dá)性更好，適用于直徑較小的交叉孔的研磨；粘度高的磨料適用于直徑較大的交叉孔。常用磨粒材質(zhì)為碳化硅、立方氮化硼、氧化鋁等，可依據(jù)不同的閥門材質(zhì)選取不同材質(zhì)的磨粒。磨粒的直徑范圍約為0.005～1 mm，尺寸越大的磨粒，其去除、研磨的效果越強(qiáng)。研磨參數(shù)主要有研磨壓力與循環(huán)次數(shù)，二者的取值直接決定了毛刺去除效果與工件尺寸的變化。工裝的作用在于定位零件，形成流體通道引導(dǎo)磨料到達(dá)交叉孔相貫處，并保護(hù)某些特征避免受到研磨。

圖2是某新一代運(yùn)載火箭閥門殼體的磨粒流去毛刺工裝示意圖及毛刺去除效果。如圖2a所示，工裝分為上蓋、下蓋、套筒。使用時，閥門殼體通過尼龍墊片與上下蓋接觸，套筒在外承擔(dān)壓力避免零件被壓而變形，上下缸體壓緊上下蓋之后，磨料自下蓋流道進(jìn)入閥門內(nèi)孔擠壓研磨去除毛刺，自閥門其他未堵孔處流出。由圖2b、圖2c可見，交叉孔相貫處的微小毛刺均被研磨去除，相貫處呈倒圓狀。

圖2 運(yùn)載火箭閥門磨粒流去毛刺工裝與毛刺去除效果

在運(yùn)載火箭閥門交叉孔去毛刺領(lǐng)域，磨粒流已成為主流工藝方法之一，其適用材料范圍廣，毛刺去除效率較高（通常在數(shù)分鐘內(nèi)完成），且對已加工區(qū)域尺寸精度的影響可控。盡管如此，依舊存在一批不適用于磨粒流工藝進(jìn)行毛刺去除的閥門零件，具體為：純鐵材質(zhì)的電磁閥殼體，由于該材質(zhì)的質(zhì)地較軟、韌性較好，在研磨過程中常出現(xiàn)毛刺隨著磨料循環(huán)方向倒伏而無法去除的情況；某些閥門殼體具有止口特征 （如直徑0.3～0.5 mm的半圓環(huán)）與銳邊要求，在研磨過程中極易被破壞，且難以有效防護(hù)；某些閥門殼體交叉孔為盲孔，研磨后磨料存在殘留且難以清洗，形成了新的多余物來源。上述不適用于磨粒流工藝去除毛刺的情況，需采用電化學(xué)、電火花等工藝方法補(bǔ)充解決。

2 電解質(zhì)等離子去毛刺

電化學(xué)是去毛刺的傳統(tǒng)成熟工藝方法，依靠電解液的陽極溶解作用與尖端效應(yīng)去除工件陽極上的毛刺，但需根據(jù)零件的幾何特征設(shè)計復(fù)雜的絕緣防護(hù)工裝與工具陰極，并根據(jù)試加工情況調(diào)整電解液配方、電壓及加工時間，其工藝流程較繁瑣，且存在環(huán)境污染。近年來，基于電化學(xué)原理的電解質(zhì)等離子去毛刺技術(shù)展現(xiàn)了獨(dú)特優(yōu)勢。如圖3所示，將金屬工件作為陽極，低濃度中性鹽溶液通過工作液槽與陰極連接并施加高電壓；在工件浸入工作液的過程中，電解作用產(chǎn)生的大量水蒸氣與瞬時短路產(chǎn)生的水蒸氣形成包圍工件的等離子態(tài)氣層，而在高電壓作用下，毛刺作為微觀凸起處的電場強(qiáng)度更大，會優(yōu)先發(fā)生放電而被去除[4-5]。與傳統(tǒng)電解去毛刺技術(shù)相比，電解質(zhì)等離子去毛刺的優(yōu)勢在于省去了繁瑣的防護(hù)工裝與陰極設(shè)計，只需將零件充分浸沒于工作液，且電解質(zhì)為鹽溶液，環(huán)保性更好。

圖3 電解質(zhì)等離子去毛刺技術(shù)原理

電解質(zhì)等離子去毛刺是復(fù)雜的電化學(xué)過程，其毛刺去除效果與工藝參數(shù)的選擇息息相關(guān)。影響電解質(zhì)等離子去毛刺效果的主要工藝參數(shù)有：電壓、電解液濃度、電解液溫度、加工時間、浸沒深度等。與傳統(tǒng)電解加工20～30 V的低電壓工況不同，對于電解質(zhì)等離子去毛刺，欲使環(huán)繞工件周圍的氣層達(dá)到電離擊穿的狀態(tài)，需保證有較高的電壓，通常采用380～400 V。電解質(zhì)溶液通常采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～4%的硫酸銨溶液，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，電流密度相對較大、效率較高，但此時易造成閥門產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸的變化，因此電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般約為2%。

實驗表明，毛刺去除與表面拋光主要發(fā)生在加工開始的5 min以內(nèi)，而后無明顯效果。加工過程中的電解液溫度范圍為70～90℃，當(dāng)溫度較低時，形成的氣層較薄且不穩(wěn)定，電流幅值變化較大，易造成毛刺區(qū)域燒蝕；隨著溫度上升，氣層趨于穩(wěn)定，而當(dāng)溫度上升至一定程度后，電解液接近沸騰狀態(tài)又會造成氣層不穩(wěn)定，從而影響毛刺去除效果，因此，實際生產(chǎn)中的電解液溫度一般為80～85℃。當(dāng)工件浸沒深度較淺時，電解液對工件的包裹效果（即氣層穩(wěn)定性）不佳，時常導(dǎo)致放電中斷。由于閥門交叉孔一般位于閥門內(nèi)部深處，保持一定的浸沒深度有助于電解液與交叉孔充分接觸，故一般取浸沒深度為 80～100 mm。

圖4是采用電解質(zhì)等離子工藝對運(yùn)載火箭2Cr13不銹鋼電磁閥殼體進(jìn)行毛刺去除與拋光的情況。加工參數(shù)條件如下：電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%（硫酸銨溶液），電解液溫度為85℃，工件浸沒深度為80 mm，加工時間為5 min。如圖4a所示，左側(cè)為加工完成后的產(chǎn)品，右側(cè)為進(jìn)行電解質(zhì)等離子加工后的產(chǎn)品，可見電解質(zhì)等離子工藝對2Cr13不銹鋼表面具有明顯的拋光作用；圖4b是該閥門交叉孔相貫處通過鉗工進(jìn)行大毛刺預(yù)去除后的內(nèi)窺鏡觀察情況，可見邊緣尚存鋸齒狀微小毛刺；圖4c是通過電解質(zhì)等離子去毛刺后的情況，未見微小毛刺且內(nèi)孔壁有拋光效果。需要指出的是，工件接觸電解質(zhì)溶液后，應(yīng)及時采用中性溶劑進(jìn)行超聲波清洗并烘干，否則，工件內(nèi)孔將發(fā)生如圖4d所示的結(jié)晶與銹蝕現(xiàn)象。

圖4 2Cr13不銹鋼閥體交叉孔相貫處電解質(zhì)等離子去毛刺

電解質(zhì)等離子工藝對不銹鋼零件的微小毛刺去除及表面拋光具有良好的效果，是帶有止口、銳邊特征的不銹鋼閥門去毛刺的理想選擇。然而，該工藝也具有一定的局限性，比如：對于鋼材料，隨著碳含量增加，采用該工藝加工的工件表面易因碳析出沉積而發(fā)黑；對于鋁合金、鎂合金等化學(xué)活性較強(qiáng)的材料，加工時易氧化變色，造成產(chǎn)品表面缺陷。

3 電火花成形去毛刺

電火花成形去毛刺是利用成形電極進(jìn)入交叉孔相貫處進(jìn)行放電蝕除毛刺。相較于電化學(xué)去毛刺，其優(yōu)勢在于：可將電火花影響區(qū)域控制在交叉孔相貫處，對交叉孔孔徑無影響；效率更高，通常在1 min以內(nèi)可蝕除毛刺；材料化學(xué)活性強(qiáng)弱與否對電火花成形去毛刺無影響。電火花成形去毛刺的劣勢在于：需制作電極，相較于磨粒流與電解質(zhì)等離子工藝，無法同時去除多處交叉孔相貫處的毛刺。電火花成形去毛刺的上述特點(diǎn)使其成為帶有止口、銳邊的鋁合金閥門去毛刺的理想選擇。

圖5是采用電火花成形工藝對運(yùn)載火箭某5A06鋁合金閥門殼體進(jìn)行去毛刺的情況。具體方法為：成形電極沿小孔進(jìn)給至相貫處區(qū)域，然后執(zhí)行搖動放電，搖動間隙約為0.05 mm，在搖動過程中蝕除毛刺。

圖5 5A06鋁合金閥體交叉孔相貫處電火花成形去毛刺

電火花成形去毛刺的關(guān)鍵在于成形電極設(shè)計，既要有效蝕除毛刺，又要避免損傷已加工面。圖5a是設(shè)計的電極錐形，該電極底面處的直徑相比于交叉孔直徑約小了0.2 mm，這樣可降低電極進(jìn)給過程中與交叉孔孔壁發(fā)生放電現(xiàn)象的幾率。電極進(jìn)給至相貫處后再略向下進(jìn)給0.2～0.4 mm進(jìn)行搖動，可對相貫處做輕微的倒圓加工，避免損傷孔壁。實際加工情況見圖5b；由圖5c、圖5d可見，電火花成形去毛刺后的交叉孔相貫處產(chǎn)生了倒圓現(xiàn)象。

4 電火花高速穿孔無毛刺加工

對于不銹鋼材料，當(dāng)孔的深徑比較高（≥10）時，采用傳統(tǒng)鉆削加工存在切屑排出困難、易斷刀、效率低等問題，同時，也給鉗工進(jìn)行毛刺預(yù)去除帶來了困難。相較于傳統(tǒng)的電火花加工，電火花高速穿孔加工同樣具備無毛刺加工的優(yōu)勢，其以銅管作為電極，并在導(dǎo)向器的導(dǎo)向作用下高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)給，高壓水質(zhì)工作液從電極的內(nèi)孔噴出，對加工區(qū)域?qū)嵤?qiáng)迫排屑及冷卻，故而是深孔高效加工的有效手段[6]。需要指出的是，電火花高速穿孔加工受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，無法完成高精度孔系的加工，通常用于自由公差要求的孔系無毛刺加工。

脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、伺服進(jìn)給速度等參數(shù)對電火花高速穿孔加工效果影響較大。若放電參數(shù)選擇不當(dāng)，易造成小孔出現(xiàn)錐度及圓柱度超差。通過以出入孔徑差衡量工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響實驗發(fā)現(xiàn)，對于不銹鋼材料，當(dāng)占空比≤1和占空比≥3時，出入孔徑差較大。這是由于，當(dāng)占空比較小時，孔壁修光作用有限，難以保證圓柱度誤差值；當(dāng)占空比較大時，消電離不充分，放電穩(wěn)定性不佳，也難以保證加工精度。此外，峰值電流對出入孔徑差同樣具有顯著影響，隨著峰值電流的上升，出入孔徑差呈先降后升的趨勢。

圖6是采用電火花高速穿孔加工運(yùn)載火箭2Cr13不銹鋼電磁閥門殼體的直徑為1.2 mm小孔的掃描電鏡照片。放電參數(shù)為：峰值電流30 A、脈沖寬度 40 μs、脈沖間隔 20 μs?？梢姡徊婵紫嘭炋師o毛刺。能譜分析顯示，相較于基體材料，電火花高速穿孔加工表面存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.35%的氧元素，還存在少量氧化物，后續(xù)可通過酸洗烘干或用低粘度磨粒流拋光方法予以去除。

圖6 2Cr13不銹鋼閥體電火花高速穿孔無毛刺加工

5 結(jié)論

本文針對不同材料、結(jié)構(gòu)的運(yùn)載火箭閥門交叉孔相貫處的去毛刺需求，對磨粒流去毛刺、電解質(zhì)等離子去毛刺、電火花成形去毛刺及電火花高速穿孔無毛刺加工等四類特種加工去毛刺工藝進(jìn)行了梳理，歸納其適用范圍，形成如下結(jié)論：

（1）無論采用何種工藝方法進(jìn)行去毛刺加工，均需采用鉗工方法對大毛刺與翻邊進(jìn)行預(yù)去除，特種加工去毛刺工藝僅對于微小毛刺有效。

（2）磨粒流去毛刺工藝廣泛適用于各類材料閥門零件，但不適用于具有止口、銳邊、盲孔等幾何特征的閥門零件。

（3）電解質(zhì)等離子去毛刺不會對閥門內(nèi)部幾何特征產(chǎn)生影響，能同時完成多處交叉孔的毛刺去除，且去除效率高，但不適用于化學(xué)活性較強(qiáng)的鋁合金、鎂合金材料及含碳量高的鋼材料。

（4）電火花成形去毛刺不受材料特性限制，不會對閥門內(nèi)部幾何特征產(chǎn)生影響，去毛刺效果好、效率高，但對于每處交叉孔均需制作成形電極。

（5）電火花高速穿孔無毛刺加工是深小孔加工的有效方法，但不適用于高精度孔系的加工。

通過上述梳理分析，可為運(yùn)載火箭閥門交叉孔建立較完善的特種加工去毛刺技術(shù)體系，為多余物控制提供有力的技術(shù)支撐。