高硅氧特型零件加工工艺与工装设计

梁辉 徐红霞 张军 王伟

摘   要：本文以控制系统动力装置的姿态控制发动机喷管填充环为研究对象，针对高硅氧材料在切削加工过程中的特点，结合填充环的结构特点、加工难点及加工材料特性等，主要分析了确定填充环加工性能的工艺流程、工装设计、刀具材料和切削参数等因素。同时，通过理论分析及具体加工试验，给出了较为优化的加工工装、切削刀具材料以及切削工艺参数，对加工类似零件具有一定的借鉴意义。

关键词：高硅氧  特型  刀具  加工工艺

中图分类号：TG659;TH16                       文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0058-03

当前，由于高硅氧复合材料在耐烧蚀、隔热性、抗疲劳等方面具有较大的优势[1]，通常用作姿态控制发动机喷管的绝热材料。高硅氧复合材料通常采用成型工艺压制而成，但是填充环作为喷管的重要零件，直接采用高硅氧成型工艺压制的零部件精度无法达到零部件的设计指标要求，因此，还需要对压制成型的工件进行切削加工。由于高硅氧模压件在机械加工时的特点是各向异性及导热性差，容易发生表面粗糙度差和掉边、缺角等问题[2-4]，从而无法满足使用精度要求。本文通过对高硅氧复合材料进行切削试验，分析探讨了影响填充环特型零件加工质量及尺寸精度的主要因素，提出了合理的加工工装、加工方法、切削刀具材料以及切削用量，解决了填充环的加工难题，可为类似产品的加工提供借鉴。

1   喷管填充环的特性分析

1.1 喷管填充环结构特点

姿态控制发动机喷管填充环的外形结构图如图1所示。该填充环是由高硅氧酚醛模压制品加工而成。填充环由直径为D圆柱与半径R的半圆柱相贯而形成的，且R轴线与D的轴线成15°夹角，属不规则的异型非金属零件，难装夹，难加工。

填充环是构成喷管的关键零件，其加工精度及各项指标将直接决定喷管的使用性能，从而影响飞行器空中飞行的姿态轨迹。

填充环与其他零件装配形成绝热作用区。为确保气流通过时可靠绝热，要求两侧弧形面对称度≤0.05mm;同时，要求圆弧的中心线于喷管轴线成105°夹角，产品型面完整，不允许出现崩角、棱边形成锯齿状等缺陷。

1.2 高硅氧材料特性

高硅氧酚醛模压复合材料包含长短不一的增强相纤维及基体相酚醛树脂，其中纤维在酚醛树脂之间杂乱排列，经高温高压成型后高硅氧酚醛模压复合材料呈现各向异性，因此，切削加工时易出现分层、掉渣等缺陷。

而产品是由D圆柱与R半圆柱相贯而形成的，受R的轴线与D的轴线成105°夹角结构的影响，切削型面不连续，断续切削力造成崩角，棱边处容易形成锯齿状缺陷。

2  填充环加工难点分析

2.1 材料切削性能差

高硅氧酚醛模压复合材料的强度高、脆性大、均匀性较差，复合材料的切削过程不同于金属材料，基体相与增强相界面粘接强度相对较低，切削过程易出现分层、纤维剥离和崩棱（角）等现象。加工时，由于复合材料导热性差，聚集在刀尖及刀刃附近的热量不能迅速散出，而且在切削过程中受材料加工的限制，只能采用干式切削，由于不使用切削液而加速了刀具的磨损，影响了零件的表面质量、尺寸精度和切削效率。

2.2 相贯圆弧处易出现缺陷

该产品填充环圆柱与半圆柱相贯处为断续圆弧，因加工过程中，相贯圆弧边缘因切削力不均匀，产品强度差易出现崩角、掉块现象，圆弧两侧形成锯齿状的缺陷，缺陷情况如图2所示。

2.3 对称度精度难以保证

由于产品的热防护作用要求圆弧相交形成的型面的对称度较高，若采用车加工时，无法实现零件型面的加工。若采用铣加工方法，需多次找正装夹，误差积累大，难以满足零件公差要求。

3  工艺研究

为高精度且更便捷的加工此产品，本文进行了以下工艺研究及工装设计。

3.1 工艺流程

填充环加工设备为C620型普通车床，工艺流程如下：

（1）设计辅助工装，满足产品车削加工要求;

（2）刀具性能对比试验，选取合适刀具;

（3）切削参数选取及优化;

（4）粗车加工产品外形（图1所示D型面），粗、精车削内形（图1所示R型面）。

3.2 工装设计

由于高硅氧异型零件的复杂型面，加工面与装夹面之间有105°的夹角，且为不完整的异型曲线型面，工装既要满足产品装夹，增强产品的刚性，又需完成特型面的加工。

高硅氧异型零件的固定装置（图3）材料为钢件，保证有足够的强度，包括夹具体（1）、垫块（3）、压盖（4），其中夹具体（1）采用阶梯轴的形式与设备连接，连接方便直接，压盖与夹具体两部分通过螺纹连接方式;高硅氧异型零件的固定装置中的夹具体由两个回转体相贯焊接而成，两个回转体轴线成105°，之后对工装的Φ64内型面进行精加工，尺寸及形位精度满足产品的要求，解决了异型曲线型面轴线与装夹轴线不重合，且成105°的装夹加工问题。通过设计专用的定位工装，解决装夹，保证角度及对称度的几何公差的要求，消除对几何公差带来的不利影响。

3.3 刀具材料的选取

根据复合材料的工艺特性，借鉴已有的高硅氧酚醛模压制品机加方法与经验，对不同材料的刀具进行了切削质量的对比试验。

根据表1，按照非金属制品机加方法与经验，选用的普通YG8、YW1硬质合金材料车刀粗车。选用砂轮，对产品进行精车削加工，避免刀具与材料间的碰撞，保证产品型面完整。

因材料密度较低，车削力相对较小，车刀的几何角度进行了试切试验，粗车车刀几何参数结果见表2所示。车刀前角可以偏大。在前角确定后，选择偏大的后角，可减小刀具与加工面的摩擦，提高表面加工质量。

3.4 加工切削参数的选取

高硅氧酚醛模压复合材料的散热慢，脆性大，切削参数的选取直接影响切削表面的粗糙度。本文在开展高硅氧材料加工工艺研究基础上，进行了高硅氧零件的切削试验，采用优化的切削加工工艺参数，加工后的零件经测定，表面质量和加工精度均较高。在加工中的切削参数选取如下。

（1）切削速度。为了提高刀具耐用度，防止切削失效影响加工质量，车削时转速粗车控在180r/min～300 r/min，精车时严格控制在500r/min～800 r/min。

（2）进给量。过大的进给量将使得切削力增大，降低表面粗糙度，粗车进给量控制在0.15mm/r～2 mm/min，精车进给量控制在0.08mm/r～0.15mm/min为宜。

（3）切削深度。切削深度可以较大，提高生产效率的同时对刀具耐用度和切削热影响最小。选用粗加工取2～4 mm，精加工取0.1～0.4 mm。

4  结语

通过上述零件加工验证，高硅氧酚醛模压制品异型产品通过辅助工装的使用、刀具的选取、切削工艺参数的设计等工艺优化，可完成产品加工技术要求。

（1）辅助工装夹具体、垫块、压盖等组成，既满足产品加工时装夹，增强产品的刚性，又方便异型面的加工。

（2）粗加工高硅氧酚醛模压制品可选用普通YG8、YW1硬质合金材料刀具;精车削加工选用砂轮，可满足产品加工要求;

（3）车削时转速：粗车选取180r/min～300 r/min、精车时选取500r/min～800 r/min产品加工质量较好;进给量：粗车进给量选取0.15mm/r～2mm/min、精车进给量选取0.08mm/r～0.15mm/min為宜。切削深度：粗加工选取2～4 mm，精加工选取0.1～0.4 mm，产品加工效率较高。

参考文献

[1] 吴国君.高硅氧加工工艺[J].湖北航天科技，2004（5）：28-35.

[2] 汪周斌，付晓阳.复合材料加工技术研究[J].科技资讯，2011（21）：58.

[3] 杨东军，艾传智.高硅氧玻璃纤维复合材料的切削加工实验研究[J].航天制造技术，2005（2）：21-23.

[4] 肖继明，侯晓莉.高硅氧玻璃纤维/酚醛树脂复合材料切削力的试验研究[J].宇航材料工艺，2009，39（3）：64-67，73.