一种适用于航天活门中活塞挡环的校形装置及校形方法与流程

本发明涉及一种适用于航天活门中活塞挡环的校形装置及校形方法。

背景技术：

在民用工业领域，活塞挡环主要运用在内燃机中，起着支撑、密封以及导向和传热的作用，其在自由状态的外形曲线决定了发动机的功率、油耗以及寿命等关键因素。在航天领域，隔离阀活门是关键控制件，不同于民用工业，其制造精度和试验要求非常高。活塞挡环是其中的重要运动控制零件，是整个隔离阀活门运转成功的关键结构件。挡环在运动过程中要保证动作的高度顺畅和良好的密封性能，必须按照特殊要求与壳体形成紧配关系，支撑连杆、密封要求，需要满足自由状态外圆曲线要求，在制造过程中有严格的力学性能要求、高精度尺寸要求、热处理性能要求与复杂的外形形态曲线要求。传统的生产制造方式成本高，平均单件制造成本达3000元，往往采用多次试装的方式选择满足装配要求的零件，报废率高，而目前尚无有效的能适用于航天活门中活塞挡环的校形装置及校形方法，以满足活塞挡环的小批量低成本生产要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种适用于航天活门中活塞挡环的校形装置及校形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于航天活门中活塞挡环的校形装置，包括校形装置本体和设置在校形装置本体上的校形螺钉、位移限位块和压紧盖；其中：所述校形装置本体包括安装面和环形开口约束面；在所述安装面上设置有紧固螺钉孔，用于安装压紧盖；在所述安装面上设置有可调节辅助销钉孔，用于装配可调节辅助销钉；在所述环形开口约束面上设置有校形螺钉孔，用于装配校形螺钉；在所述校形装置本体上端缺口中心设置有限位块调节螺钉孔，用于安装位移限位块。

本发明还提供了一种适用于航天活门中活塞挡环的校形方法，包括如下步骤：

步骤一、根据光密封100％的要求进行计算，得到活塞挡环等压分布自由状态曲线外形和活塞挡环校形约束开口闭合作用下的优化校形点，然后以此为标准设置校形装置本体的形状和尺寸、校形螺钉的作用点位置和大小；

步骤二、将待校形的活塞挡环放置于校形装置本体的安装面上，并通过压紧盖、辅助螺钉和可调节辅助销钉进行初始固定；

步骤三、调整校形螺钉，使其底部与活塞挡环进行接触施加作用力，拧紧位移限位块螺钉通过位移限位块对校形装置进行固定，在自然状态下放置2个自然日，使得活塞挡环达到充分的塑性变形，最终得到满足自由状态曲线形态的活塞挡环。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明的校形装置具有结构可靠，使用方便的特点。通过设置可调节辅助螺钉的不同位置，能够满足不同外形活塞挡环的初次校形、二次校形，经过合理的数学计算，校形螺钉与位移限位块能够保证施加的作用力大小与位置精准，保证高硬度材料活塞挡环校形不会发生脆断，能够达到100％光密封的效果，尤其适用于小批量低成本生产。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为活塞挡环的装配状态示意图，附图标记：1-壳体2-活塞挡环；

图2为活塞挡环自由状态外圆曲线；

图3为本发明的校形装置的结构示意图，附图标记：1-紧固螺钉，2-可调节辅助销钉，3-位移限位块调节螺钉，4-位移限位块，5-校形螺钉，6-压紧盖，7-校形装置本体，8-活塞挡环；

图4为本发明的校形装置的工作原理图；

图5为本发明的校形装置本体7的结构示意图；

图6为校形螺钉5的结构示意图；

图7为压紧盖6的结构示意图；

图8为紧固螺钉1的结构示意图；

图9为可调节辅助销钉2的结构示意图；

图10为位移限位块4的结构示意图；

图11为位移限位块调节螺钉3的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种针对用于航天活门光密封结构件的校形装置及校形方法。该航天活门光密封结构件采用高强度钢材，热处理硬度达到hrc55～57，活塞挡环圆周面光密封度要求100％，属于典型的难加工产品，图1所示为活塞挡环以及其在壳体槽内安装的状态，安装后需要达到力学性能要求的参数包括：从不同位置将活塞挡环由自由状态压缩到闭合状态时所需要施加的作用力fd和ft、装配后活塞挡环内径d、外径d与开口尺寸等。为了满足制造的高精度，零件在热处理工序前需要加工成型，活塞挡环自由状态的线形与径向压力分布密切相关，活塞挡环在等压力条件下的自由状态曲线公式为：

r为自由状态时活塞挡环半径的极坐标值，θ为极坐标角度；d代表理论缸套内径(与活塞挡环外径d相等)，δg代表活塞挡环理论开口间隙；ψ为计算参变量。根据参数方程带入活塞挡环具体参数，可以得到本活塞挡环自由状态外圆曲线参数方程以及曲线，外形曲线如图2所示。当θ＝112°时，r＝rmax；当θ＝0°时，r＝rmin；开口呈内凹趋势，整个外圆轮廓呈“梨形”曲线形态。

挡环厚度极薄，加工变形后难以直接得到光密封要求的梨形曲线，必须采用校形装置进行修正。零件硬度达hrc55，在校形过程中易脆断报废，而常规工艺制造方法后一般光密封度为60％。本发明通过对材料特点、光密封与零件外形曲线研究，研制了一套校形装置。该装置在指定位置设置校形螺钉，通过调整校形螺钉，在位移限位块与校形装置本体共同作用下使得零件产生永久塑性变形，得到符合根茨布尔格曲线形态的校形结果，满足外形曲线要求，达到光密封100％要求。

本发明通过以下技术方案来实现：根据光密封100％要求进行了数学计算，首先得到了活塞挡环等压分布自由状态曲线外形，得到活塞挡环校形约束开口闭合作用下的优化校形点，根据作用点以及约束力的要求，设计出了符合要求的校形装置与尺寸结构，如图3所示，一种用于航天活门光密封关键结构件的校形装置主要由校形螺钉5(共有2个，装配于校形装置本体上)、位移限位块4、限位块调节螺钉3，可调节辅助销钉2(共有2个，装配于校形装置主体上)、压紧盖6、校形装置本体7、紧固螺钉1(共有3个，与压紧盖6装配于校形装置本体7上)组成，其中：

校形装置本体7材料为q235a材料，其结构如图5所示，主要包括了：3个φ5的紧固螺钉孔9，位于安装面15上，间隔90°，两个位于水平轴线，一个位于中间底部；6个φ8的可调节辅助销钉孔10，位于安装面15上，竖直轴线左右对称，相邻两个销钉间隔15°排列；环形开口约束面11，位于校形装置本体中间缺口的上端，开口尺寸18°；φ3.5限位块调节螺钉孔12，位于校形装置本体上端缺口中心；2个φ10校形螺钉孔13，位于环形开口约束面11，与零件中轴线左右对称，间隔22°；压紧盖限位槽14，位于安装面15上，压紧盖与活塞挡环零件通过安装面15进行装配，限位槽14进行限位；

其中，通过测量活塞挡环外形曲线与自由状态梨形曲线的最大偏差值得到需要进行校形的次数，调整2个φ8的可调节辅助销钉孔10与2个φ10校形螺钉孔13，同时将活塞挡环安装于压紧盖下陷的端面18共同完成活塞挡环安装，压紧盖与校形装置本体通过3个辅助螺钉与紧固螺钉孔9进行连接固定，压紧盖通过限位槽14进行定位，压紧盖下陷端17固定活塞挡环；固定后拧紧限位块调节螺钉孔12。

校形螺钉5，材料为30crmnsia，其结构如图6所示，大小为φ10，校形螺钉5与校形装置本体中的校形螺钉孔13连接，底部与活塞挡环进行接触施加作用力，达到校形。

压紧盖6，材料为q235a，结构如图7所示，压紧盖下陷端与校形装置本体配合，活塞挡环放置于压紧盖下陷端，通过校形装置本体的限位槽14完成定位，3个紧固螺钉1穿过孔16连接紧固螺钉孔9，在校形螺钉5，可调节辅助销钉2的配合下，共同完成压紧盖、活塞挡环与校形装置本体的装配。

紧固螺钉1，材料为q235a，结构如图8所示，3个紧固螺钉1用于连接紧固螺钉孔9，安装压紧盖。

可调节辅助销钉2，材料为q235a，结构如图9所示，分布为竖直轴线左右对称，相邻两个销钉间隔15°排列；2个可调节辅助销钉根据活塞挡环需校形的次数，在校形装置本体上的可调节辅助销钉孔进行适应性选择，共同完成压紧盖、活塞挡环与校形装置本体的装配。

位移限位块4，材料为q235a，结构如图10所示，具有条形孔19和两个端面20，通过调节校形螺钉5，位移限位块4变化到校形位置，图10中两个端面20与活塞挡环开口进行接触达到限位，条形孔19与位移限位块调节螺钉3配合拧紧进行装配。

位移限位块调节螺钉3，材料为q234a，结构如图11所示，图10的条形孔19与位移限位块调节螺钉配合拧紧进行装配。

综上所示，通过将待校形活塞挡环放置于校形装置本体的约束面上，通过压紧盖6、辅助螺钉1，紧固销钉2对零件进行初始固定，校形螺钉作用点位置和大小是经过计算能够满足光密封100％的外形曲线所设计，调整校形螺钉5对活塞挡环8施加作用力，在位移限位块4的作用约束下放置2个自然日，达到校形装置主体与活塞挡环的形状改变产生永久塑性变形。根据不同零件外形的不同，设置了三个使用位置，可通过更改可调节销钉2进行调整，也防止了因力作用过大导致高硬度材料的脆断，同时部分待校形零件外形需校正的变形量比较大，可以进行初始校形，采用可调节辅助销钉固定，放置2个自然日后，更改可调节辅助销钉并调整校形螺钉再校形2个自然日达到使用要求。

活塞挡环首先经过数控加工完成外形尺寸与倒角加工、经过热处理淬火达到hrc55～57硬度要求，检测分析活塞挡环外形与梨形自由状态曲线的偏差值，确定需校正的余量，根据余量差确定校形工艺。①偏差较大时(即当活塞挡环外形与图2所示的梨形自由状态曲线的最大偏差值△s达到6mm时)，活塞挡环通过两次校形工艺来完成，首次校形时将活塞挡环放置于校形装置主体的凹槽内，通过调整外围的可调节辅助销钉位置，拧紧紧固螺钉，搭上压紧盖，调整校形螺钉，避免对零件施加过大的力导致脆断，拧紧位移限位块螺钉达到校形装置的固定，在自然状态下固定2个自然日，使得零件达到充分的塑性变形。待校形完成后，松开校形装置，调整可调节辅助销钉位置，重复上述操作，固定2个自然日使得零件变形充分，最终得到满足自由状态曲线形态挡环。②偏差较小时，进行一次校形，调整外围的可调节辅助销钉位置，拧紧紧固螺钉，搭上压紧盖，调整校形螺钉，避免对零件施加过大的力导致零件脆断，拧紧位移限位块螺钉达到校形装置的固定，在自然状态下固定2个自然日，使得零件变形充分，最终得到满足自由状态曲线形态挡环。