一种阀门深腔R型活门座型面的数控轨迹加工方法与流程

一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法
技术领域
1.本发明属于机械加工技术领域，特别涉及一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，特别是液体火箭发动机中充气阀用阀体活门座型面的数控轨迹加工方法。


背景技术：

2.阀门是液体火箭发动机的关键组件，其密封性能的好坏直接影响发动机的使用性能。活门座作为阀门密封的关键部位，其加工质量直接影响阀门的密封性。充气阀是姿控动力发动机的关键阀门，用于直接给气瓶充放气。在常规加工中，充气阀阀体深腔的r型活门座型面(图1)采用成型车刀或成型锪钻进行加工，受刀具刚性、刀具精度及机床精度的影响，活门座的加工效率低，表面质量差。在产品装配过程中受活门座表面质量的影响，导致充气阀装配后阀体与阀芯产生泄漏，影响产品的使用性能。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，该方法解决了成型加工中准备时间长、加工效率低、活门座表面粗糙度低及活门座平面高低不平等问题，有效地实现了符合设计要求的r型活门座型面的加工，提高了r型活门座的加工效率和加工质量，从而完成本发明。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，所述r型活门座位于阀体通道的内端面上，为与阀体通道同轴的环形结构件，r型活门座型面通过位于环内外侧过渡段的第一弧形面、环内侧的第二弧形面和环外侧的第三弧形面圆滑过渡形成，该加工方法包括如下步骤：
6.步骤(1)，根据r型活门座型面尺寸要求，确定粗车环形凸台尺寸，所述环形凸台为带有余量的r型活门座结构形式，采用端面切槽刀进行型面加工；
7.步骤(2)，根据r型活门座型面尺寸，确定半精车型面尺寸及数控轨迹加工路径，采用两把镗孔刀或端面切槽刀进行活门座型面半精车，得到半精车活门座；
8.步骤(3)，根据r型活门座型面尺寸，确定精车型面尺寸及数控轨迹加工路径，采用两把镗孔刀进行活门座型面精车，保证活门座型面尺寸及形位公差达到设计要求，得到精车活门座；
9.步骤(4)，根据r型活门座型面尺寸，采用研磨工具包裹研磨r型活门座型面，使r型活门座型面表面达到要求的粗糙度；
10.步骤(5)，对加工后的r型活门座进行检验，包括采用高度测量方法，测量r型活门座型面垂直度；采用抽取产品进行剖切测量的方法，通过万能工具显微镜检测r型活门座型面尺寸及同轴度；采用体式显微镜对比检测方法，检查r型活门座密封表面质量。
11.根据本发明提供的一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，具有以下有益效果：
12.(1)本发明提供的一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，以粗车型面、半精车型面、精车型面和研磨型面为加工路线，结合数控轨迹法精加工活门座工艺，降低了活门座加工对专用活门座刀具的依赖，通过机床精度、数控程序避免了专用刀具误差对活门座型面尺寸及形位精度的影响，缩短了产品生产周期；
13.(2)本发明提供的一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，通过对活门座型面尺寸的高度测量和尺寸、同轴度的剖切计量，提高了活门座型面的加工质量和加工效率；
14.(3)本发明提供的一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，设计专用研磨活门座工装，采用包裹研磨精加工后的活门座型面，提高了活门座型面的表面粗糙度。
附图说明
15.图1a是本发明中的r型活门座结构示意图，图1b～1d为结构放大图；
16.图2是本发明r型活门座加工工艺方法流程图；
17.图3a是本发明r型活门座粗加工尺寸示意图，图3b是放大图；
18.图4a是本发明r型活门座半精加工尺寸示意图，图4b是放大图；
19.图5是本发明r型活门座半精加工数控轨迹示意图；
20.图6a是本发明r型活门座精加工尺寸示意图，图6b是放大图；
21.图7是本发明r型活门座精加工数控轨迹示意图；
22.图8是本发明研磨工具示意图；
23.图9a是本发明活门座高度尺寸测量轴向示意图，图9b是径向示意图；
24.图10是本发明活门座型面同轴度测量示意图；
25.图11a是某阀体活门座型面结构及具体尺寸示意图，图11b是结构放大图。
具体实施方式
26.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
27.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
28.本发明提供了一种阀门深腔r型活门座型面的数控轨迹加工方法，所述r型活门座位于阀体通道的内端面上，为与阀体通道同轴的环形结构件，r型活门座型面通过位于环内外侧过渡段的第一弧形面、环内侧的第二弧形面和环外侧的第三弧形面圆滑过渡形成；本发明设计了以粗车型面、半精车型面、数控轨迹法精车型面和研磨型面为主的r型活门座型面加工工艺方法，如图2所示，具体包括如下步骤：
29.步骤(1)，根据r型活门座型面尺寸要求，确定粗车环形凸台尺寸，所述环形凸台为带有余量的r型活门座结构形式，采用端面切槽刀进行型面加工；
30.步骤(2)，根据r型活门座型面尺寸，确定半精车型面尺寸及数控轨迹加工路径，采用两把镗孔刀或端面切槽刀进行活门座型面半精车，得到半精车活门座；
31.步骤(3)，根据r型活门座型面尺寸，确定精车型面尺寸及数控轨迹加工路径，采用
两把镗孔刀进行活门座型面精车，保证活门座型面尺寸及形位公差达到设计要求，得到精车活门座；
32.步骤(4)，根据r型活门座型面尺寸，采用研磨工具包裹研磨r型活门座型面，提高r型活门座型面表面粗糙度；
33.步骤(5)，对加工后的r型活门座进行检验，包括采用高度测量方法，测量r型活门座型面垂直度；采用抽取产品进行剖切测量的方法，通过万能工具显微镜检测r型活门座型面尺寸及同轴度；采用体式显微镜对比检测方法，检查r型活门座密封表面质量。
34.在本发明一种优选实施方式中，所述r型活门座的型面上r1＝r2＝r3＝0.2～0.5mm，h1＝0.4～1mm，其中，r1为第一弧形面的截面圆弧所在圆的半径，r2为第二弧形面的截面圆弧所在圆的半径，r3为第三弧形面的截面圆弧所在圆的半径，h1为r型活门座的型面高度，r型活门座位于阀体通道深度l＝15～30mm处(见图1)。
35.在本发明一种优选实施方式中，步骤(1)中，所述环形凸台为截面成矩形的环形结构件，所述环形凸台尺寸以最终r型活门座型面尺寸为基准，设计a＝b＝0.1
‑
0.2mm，h2＝0.2
‑
0.3mm(见图3)；其中，a为环形凸台相对于r型活门座型面的环内侧余量，b为环形凸台相对于r型活门座型面的环外侧余量，h2为环形凸台相对于r型活门座型面的高度余量。
36.在本发明一种优选实施方式中，步骤(2)中，所述半精车活门座具有与最终r型活门座第一弧形面、第二弧形面和第三弧形面对应的第一弧形面、第二弧形面和第三弧形面，所述半精车型面尺寸以最终r型活门座型面尺寸为基准，设计h3＝0.03
‑
0.06mm，r1’＝r1，r2’＝r2，r3’＝r3(见图4)；其中，r1’为半精车活门座第一弧形面的截面圆弧所在圆的半径，r2’为半精车活门座第二弧形面的截面圆弧所在圆的半径，r3’为半精车活门座第三弧形面的截面圆弧所在圆的半径，h3为半精车活门座相对于r型活门座型面的高度余量。
37.采用两把镗孔刀或端面切槽刀进行型面加工，镗孔走刀数控轨迹见图5，以环形凸台中轴线为起点，轮序加工两侧，得到半精车活门座的第一弧形面、第二弧形面和第三弧形面。镗孔走刀切削参数为切削速度v＝15～25m/min，进给量f＝0.02～0.03mm，背吃刀量ap＝0.1～0.15mm。采用两把镗孔刀进行加工时其轴向对刀偏差不大于0.01，径向对刀偏差不大于0.01，采用端面切槽刀进行加工时，端面切槽刀两刀刃的轴向对刀偏差不大于0.01，径向对刀偏差不大于0.01。m1＝0.1～0.2mm，m2＝0.1～0.2mm，其中m1是指r型活门座外侧型面加工起刀点与r型活门座型面中心线的距离，m2是指r型活门座内侧型面加工起刀点与r型活门座型面中心线的距离。本发明人经过研究发现，上述切削参数对于本发明中r型活门座的半精车加工至关重要。对于切削速度，若切削速度过高且高于上述范围的最大值，则会导致刀具磨损过快，影响刀尖圆弧补偿，使活门座型面尺寸偏大，影响活门座型面的精加工尺寸精度，难以达到指标要求，若切削速度过低且低于上述范围的最小值，则影响产品加工效率，延长产品研制周期。对于进给量，若进给量过高且高于上述范围的最大值，则会导致活门座型面粗糙度增大，影响最终产品的密封性能，若进给量过低且低于上述范围的最小值，则会导致刀具磨损过快，影响刀尖圆弧补偿，使活门座型面尺寸偏大，影响活门座型面的精加工尺寸精度，难以达到指标要求。对于背吃刀量，若背吃刀量过大且大于上述范围的最大值，则会导致切削力过大，刀具易产生破损，若背吃刀量过小且小于上述范围的最小值，则会产生挤压切削，导致活门座尺寸超差。轴向对刀偏差、径向对刀偏差与机床精度和刀具精度相关，m1、m2与对刀精度相关，采用上述参数，半精加工后的活门座型面尺寸精度、
形位精度及表面粗糙度均达到指标要求，为精加工型面奠定良好的加工基础。
38.在本发明一种优选实施方式中，步骤(3)中，所述精车活门座具有与最终r型活门座相同的型面结构，所述精车型面尺寸为最终r型活门座型面尺寸，见图6。
39.采用两把镗孔刀进行活门座型面精车加工，镗孔走刀数控轨迹见图7，以半精车活门座的第一弧形面的中轴线为起点，轮序加工两侧，得到精车活门座的第一弧形面、第二弧形面和第三弧形面。镗孔走刀切削参数为切削速度v＝20～30m/min，进给量f＝0.005～0.015mm，背吃刀量ap＝0.01～0.03mm。加工后保证活门座型面尺寸及形位公差达到设计图纸要求。采用两把刀具进行加工时其轴向对刀偏差不大于0.005，径向对刀偏差不大于0.005。m3＝0.05
‑
0.1mm，m4＝0.05
‑
0.1mm，其中m3是指r型活门座外侧型面加工起刀点与r型活门座型面中心线的距离，m4是指r型活门座内侧型面加工起刀点与r型活门座型面中心线的距离。
40.在本发明一种优选实施方式中，步骤(4)中，所述研磨工具如图8所示，所述研磨工具具有导向面和研磨型面，所述导向面为与阀体通道配合的柱形面，引导研磨工具进入阀体通道，所述研磨型面位于导向面的前端面上，为与r型活门座型面配合的环形凹面，具有r型活门座型面所需的粗糙度，通过与活门座型面配合后进行轴向旋转，实施r型活门座型面粗糙度加工。
41.本发明人经过研究发现，上述切削参数对于本发明中r型活门座的精车加工以及产品的最终成形至关重要。对于切削速度，若切削速度过高且高于上述范围的最大值，则会导致刀具磨损过快，影响刀尖圆弧补偿，使活门座型面尺寸偏大，导致活门座型面尺寸超差，若切削速度过低且低于上述范围的最小值，则影响产品加工效率，延长产品研制周期，同时导致活门座型面表面粗糙度降低。对于进给量，若进给量过高且高于上述范围的最大值，则会导致活门座型面粗糙度增大，影响最终产品的密封性能，若进给量过低且低于上述范围的最小值，则会导致刀具磨损过快，影响刀尖圆弧补偿，使活门座型面尺寸偏大，导致活门座型面尺寸超差。对于背吃刀量，若背吃刀量过大且大于上述范围的最大值，则会导致切削力过大，刀具易产生破损，使活门座型面表面粗糙度增大，若背吃刀量过小且小于上述范围的最小值，则会产生挤压切削，导致活门座尺寸超差。轴向对刀偏差、径向对刀偏差与机床精度和刀具精度相关，m3、m4与对刀精度相关，采用上述参数，精加工后的活门座型面尺寸精度、形位精度及表面粗糙度均达到指标要求，为研磨抛光型面奠定良好的加工基础。
42.在本发明一种优选实施方式中，步骤(5)中，所述采用高度测量方法，测量r型活门座型面垂直度的具体方式为：采用高度表测量r型活门座型面上多个轴向最高点至阀体任一轴向平面的距离，确定最大距离值和最小距离值的差值，该差值应不大于r型活门座型面的垂直度；
43.所述采用抽取产品进行剖切测量的方法，通过万能工具显微镜检测r型活门座同轴度的具体方式为：将阀体沿轴线进行剖切，万能工具显微镜米字线的两条30
°
斜线与r型活门座两剖面相切，测量两剖面圆心到阀体通道轴线的距离l1和l2，计算两距离值的差值，该差值应不大于r型活门座型面的同轴度。
44.实施例
45.实施例1
46.(1)阀体按照阀体图纸加工除活门座型面外的其余部位至设计要求尺寸；阀体活
门座型面结构及具体尺寸如图11所示，且活门座位于阀体通道深度l＝20mm处。采用端面切槽刀粗加工活门座型面成环形凸台(见图3)，其中a＝0.2mm，b＝0.2mm，h2＝0.2mm。
47.(2)使用端面切槽刀采用数控轨迹编程方法半精车活门座型面为r型面(见图4)，其中r1＝0.34mm，r2＝0.3mm，r3＝0.3mm，h3＝0.04mm；端面切槽刀两刀刃的走刀切削参数为切削速度v＝20m/min，进给量f＝0.02mm，背吃刀量ap＝0.15mm；轴向对刀偏差不大于0.007mm，径向对刀偏差不大于0.005mm。m1＝0.15，m2＝0.15。
48.(3)使用两把镗孔刀采用数控轨迹编程方法精车活门座型面为r型面(见图6)，其中r1＝0.34mm，r2＝0.3mm，r3＝0.3mm；镗孔走刀切削参数为切削速度v＝30m/min，进给量f＝0.008mm，背吃刀量ap＝0.015mm，两把镗孔刀的轴向对刀偏差不大于0.005mm，径向对刀偏差不大于0.003mm。m3＝0.1，m4＝0.1。
49.(4)加工后将产品放置在平台上，采用高度表测量r型活门座型面上多个轴向最高点至阀体任一轴向平面的距离(见图9)，确定最大距离值和最小距离值的差值，该差值不大于0.015mm，判定活门座型面满足垂直度0.02的要求；
50.(5)首件产品加工后将产品沿轴线进行剖切，剖切后在平台上对剖切平面进行研磨，检查剖切面轮廓应清晰，无划伤等缺陷。然后采用万能工具显微镜对活门座尺寸r0.3
±
0.1mm，及φ6.8
±
0.1mm进行测量，判定活门座型面尺寸是否合格。活门座尺寸合格后，通过万能工具显微镜米字线的两条30
°
斜线与r型活门座两剖面相切，测量r型活门座两剖面圆心到阀体通道轴线的距离l1与l2(见图10)，l1与l2的差值小于0.03mm，判定同轴度满足要求。
51.(6)按照上述加工方法生产一批阀体后抽取首中尾件进行剖切测量，判定整批产品活门座型面加工是否合格。
52.(7)采用塑料棒加工活门座研磨工具(见图8)，其中研磨型面尺寸r＝0.5mm，直径φ6.8
±
0.1mm；加工后在研磨型面上贴白布后蘸研磨膏通过导向工装对活门座型面进行研磨，在体式显微镜下检查活门座型面表面粗糙度满足ra0.2要求。
53.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
54.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。