一種空氣舵扭杆加工工藝的製作方法

2023-05-28 02:37:26 1

專利名稱：一種空氣舵扭杆加工工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械加工科學，特別提供了一種空氣舵扭杆加工工藝。
背景技術：
空氣舵是按制導指令，控制飛行的關鍵裝置。其中，空氣舵扭杆是保證空氣舵出筒 後，展開、鎖定的極其重要的部件。其性能的好壞，直接影響空氣舵能否正常工作。空氣舵扭 杆在研製階段和批生產初期，合格率一直比較低，在40%左右，嚴重影響了產品的生產進度 和交付節點，不但增加了承制方生產成本，也不能滿足產品對質量的可靠性的追求。對此， 我公司在對空氣舵扭杆的驗收工作中，為保證產品質量，在嚴格生產過程控制的同時，注重 對生產過程和工藝的調查、研究，開始批生產初期，就對產品生產過程全面跟蹤，對每一道 工序和採用的工藝手段進行分析、比對，力求在摸清規律的基礎上，找出提高合格率的工藝 方法。經過2005和2006年近兩年的研究，已經取得成效產品合格率上升到85%以上。該項成果在提高產品合格率的同時，保證了產品生產進度，產品質量有了進一步 的保障，大幅降低了承制方生產成本，在時間緊、任務量大的情況下，保證了產品批生產的 交付進度。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足之處，提供一種空氣舵扭杆加工工藝。空氣舵扭杆的材料是彈簧鋼，長度為371mm，工作直徑為6mm，一端為長10mm的六 方，一端為長10mm直徑為9mm帶銷孔 4的圓柱，六方端固定在空氣舵的端蓋的六方孔上， 另一圓柱端通過6 4銷釘固定在舵軸上；空氣舵扭杆是空氣舵舵面展開的關鍵零件。在發 射筒中空氣舵折成76°存放，扭杆也扭轉76°，發射出筒後，由於扭杆的恢復作用將空氣 舵展開，同時，壓縮在舵軸內的彈射鎖釘彈出插入舵面定位孔中，將舵面與舵軸固定，舵面 被固定為工作狀態；彈簧是機械上的重要部件，它利用其彈性變形來吸收和釋放外力，所以 要求要有高的彈性極限，為防止在交變應力下發生疲勞和斷裂，彈簧應具有高的疲勞強度 和足夠的塑性和韌性。彈簧鋼為低合金彈簧鋼，錳主要是提高粹透性，矽提高彈性極限。為 保證彈簧有高的疲勞壽命，要求鋼的純淨度高，非金屬夾雜物少，表面質量高。彈簧鋼的熱 處理工藝是淬火和中溫回火，得到回火屈氏體，滲碳體以細小的顆粒分布在相的基體上，由 馬氏體分解產生的相已發生回復，高碳馬氏體孿晶結構已經消失，相變引起的內應力已經 大幅度下降。彈簧鋼熱處理為830°C油淬，430°C回火。通過對已經生產的六批不合格扭杆進行分析歸類，找出不合格扭杆的主要原因 是扭杆表面發紋佔不合格的77%，線切割6 4孔超差佔不合格的15%，永久變形試驗殘餘 角度超差佔不合格的8%。根據分析歸類確定了研製工作的主要方向，就是要解決扭杆表面 發紋、線切割64孔超差問題、永久變形試驗殘餘角度超差問題。材料發紋產生原因材料表面發紋是鋼中夾雜物、氣泡或疏鬆等在鋼的加工變形過程中沿鍛軋方行被
3延伸所至。其磁粉探傷的磁痕表現為呈線狀，形細而直，顯示強烈、磁粉聚集濃密，輪廓清 晰，重現性好，多與金屬纖維方向一致。發紋對工件材料的機械性能無明顯影響，但在要求 嚴格的工件上，有可能成為產生疲勞裂紋的裂紋源；鋼材在加熱溫度不均、鋼溫過低或軋後 冷卻不當也可能形成發紋。鋼中總是有夾雜物，如硫化錳、氧化鋁、矽酸鹽等，這些夾雜物在 應力作用下都容易和基體分離，形成空洞。當加載達到滑移線場中的應力最大點落在夾雜 物上時，夾雜物也就落在塑性應變較大的區域內，夾雜物與基體分離或本身碎裂，形成顯微 空洞，這種空洞在裂紋頂端三向應力作用下不斷擴大，這時可能有兩種情況或者裂紋頂端 位移再增加一些，最終達到失穩；或者裂紋頂端位移基本上不再增加而裂紋頂端的材料沿 著對數螺線切變開裂；從對扭杆表面發紋大量出現在扭杆加溫加荷(失效處理)後的情況 分析，扭杆表面發紋應該是扭杆在扭轉過程扭杆表面的夾雜物在應力作用下夾雜物與基體 分離或本身碎裂，形成顯微空洞，這種空洞在裂紋頂端三向應力作用下不斷擴大，形成表面 裂紋；原材料表面發紋是鋼中夾雜、氣泡或疏鬆等在鋼的加工變形過程中沿鍛軋方行被延 伸所至。的原材料表面發紋是原材料在鋼棒拉伸成型過程中產生的。熱處理後表面發紋產生原因熱處理後表面發紋是由於淬火過程有淬火應力的存在，淬火應力分為熱應力和組 織應力兩種，工件淬火變形或開裂是這兩種應力綜合作用的結果。當淬火應力超過材料的 屈服極限時，工件就會產生塑性變形，當淬火應力超過材料的強度極限時，工件則發生開 裂。工件在加熱或冷卻時，由於不同部位的溫度差異，導致熱脹冷縮的不一致而產生的內 應力稱為熱應力。園柱工件在快速冷卻過程中，表層先冷，中心後冷，表層冷卻快，中心冷卻 慢，表層和心部始終存在著溫度差。在冷卻初期，由於表層冷卻快、溫度低、收縮量大，心部 溫度較高、收縮量小，故表面的收縮受到心部的抵制，於是在表層產生拉應力，心部產生壓 應力。到了冷卻後期，表層溫度的降低和體積的收縮已經終止，而心部體積繼續收縮，由於 心部受到表層的牽制，應力逐漸轉變為拉應力，而表層則受到壓應力。當整個工件冷卻至室 溫時，內外溫差消失，冷卻後期的應力狀態被保留下來成為殘餘內應力。如圖1.因此，工件淬火冷卻至室溫時，由熱應力引起的殘餘應力表層為壓應力，心部為拉 應力。因為熱應力是由於快速冷卻時工件截面上溫差造成的，因此，冷卻速度越大，截面上 的溫差越大，則熱應力越大。此外，淬火溫度高，工件截面尺寸大或鋼材導熱性差，線膨脹系 數大，也會增大截面溫差，增大熱應力。工件在冷卻時，由於溫差造成的不同部位組織轉變 不同屬性而引起的內應力稱為組織應力。淬火初期，當工件表層溫度降到Ms點以下發生馬 氏體轉變時，體積產生膨脹，而心部溫度尚處在Ms點以上，仍為奧氏體組織，體積不發生變 化。因此，表層體積膨脹受到心部的牽制，而產生壓應力，心部則產生拉應力。隨後在繼續 冷卻過程中，當心部溫度降低到Ms點以下，開始發生馬氏體轉變，體積發生膨脹時，由於表 層馬氏體轉變已經基本結束，形成強度高、塑性低的硬殼，不能發生塑性變形，因此，心部體 積膨脹受到表層的約束，則在心部產生壓應力，表層產生拉應力，見圖1。由此可見，組織應 力引起的殘餘應力與熱應力恰好相反，表層為拉應力，心部為壓應力。組織應力的大小除與 鋼在馬氏體轉變溫度範圍的冷卻速度、工件的尺寸、鋼的導熱性及奧氏體的屈服強度等有 關外，還與鋼的含碳量、馬氏體的比容及鋼的淬透性等密切相關。熱處理後出現的表面 發紋是淬火過程有淬火應力造成的。扭杆時效後表面發紋產生原因
除材料本身及熱處理產生的少數發紋外，其餘表面發紋都是在扭杆加溫加荷時效 處理時產生的。扭杆加溫加荷時效處理是在扭杆熱處理後，在工裝上將扭杆按照實際扭 轉方向扭轉82°，在110°C溫度情況下保持2h;出爐卸載後，繼續按照實際扭轉方向扭轉 82°，在110°C溫度情況下保持1.5h，卸載後完成扭杆加溫加荷時效處理。其目的是將扭杆 的塑性變形消耗掉，保證扭杆在工作時扭轉76°，鬆開後能及時準確復位，沒有塑性變形。扭杆加溫加荷時效處理時應力應變分析扭杆加溫加荷時效處理就是扭杆扭轉變形的過程。一等直徑圓杆受到扭矩作用 時，其中的應力應變分布如圖2所示。在橫截面上無正應力而只有切應力作用，在彈性變形 階段，橫截面上各點的切應力與半徑方向垂直，其大小與該點距中心的距離成正比；中心處 切應力為零，表面處切應力最大，見圖2。當表層產生塑性變形後，各點的切應變仍與該點距 中心的距離成正比，但切應力則因塑性變形而降低，如圖2所示。在園杆表面上在切線和平 行於軸線的方向上切應力最大，在與軸線成45°的方向上正應力最大，正應力等於切應力。 如圖2.在彈性變形範圍內材料力學給出了園杆表面的切應力計算公式為X = M/W3-1式中，t為切應力，M為扭矩，W為截面係數。對於實心圓杆，W=oid〗/16，dQ為圓
杆直徑。因切應力作用而在圓杆表面產生的切應變為y = tana = ^d0/210X100%3-2式中，a為圓杆表面任一平行於軸線的直線因T的作用而轉動的角度，，見圖；▽ 為扭轉角，lo為杆的長度。扭杆的扭轉試驗扭轉試驗在扭轉試驗機上進行，試件為圓杆，見圖3。試驗過程中，隨著扭矩的增 大，試件兩端截面不斷發生相對轉動，使扭轉角▽增大。M-W關係曲線，稱為扭轉圖，如 圖4。它與拉伸試驗測定的真應力_真應變曲線極相似。這是因為在扭轉時試件的形狀不 變，其變形始終是均勻的，即使進入塑性變形階段，扭轉仍隨變形的增大而增加，直至試件 斷裂。如圖3;圖 4.利用扭轉圖和式3-1、式3-2，可確定材料的切變模量G，扭轉比例極限t P，扭轉屈 服強度^，和抗扭強度等性能指標如下 T p = Mp/ff3-4式中，MP為扭轉曲線開始偏離直線時的扭矩。確定MP時，用曲線上某點的切線與 縱坐標軸夾角的正切值比與縱坐標夾角的正切值大50%，則該點所對應的扭矩即定為MP。X 0 3 = M0 3/W3-5式中，Ma3為殘餘扭轉切應變0. 3%時的扭矩。確定扭轉屈服強度時的殘餘切應變 取0. 3%，是為了和確定拉伸屈服強度時取殘餘正應變為0. 2%相當。T b = Mb/ff3-6式中，Mb為試件斷裂前的最大扭矩，應當指出，T b仍然是按彈性變形狀態下的公式計算的。由圖可知，它比真實的抗扭強度大，故稱為條件抗扭強度。考慮塑性變形的影響， 應採用塑性狀態下的公式計算真實抗扭強度Tk。[3Mk+ 0 k k]3-7式中，Mk為試件斷裂前的最大扭矩，e k為試件斷裂時單位長度上的相對扭轉角， 0 k=d ￥ /dl ；(普)d M- 0曲線上=Mk點的切線的斜率tan a，如圖5所示。若M- 0曲線的最後部分與橫坐標軸近於平行，則(#)=0。於是，式3-7可簡化為 扭杆為60Si2MnA園棒，材料的屈服強度扭轉直徑為6mm，o 0 2為1180MPa，o 0 2為 扭杆的極限應力，超過則扭杆發生破壞。由於扭杆為關鍵件，因此設計安全係數應選 在5以上，按5考慮，因此扭杆的許用應力
一般對於鋼材 因此扭杆的材料許用剪應力[t ] = 0. 5X236 = 118MPa根據式3-1求得扭杆表面最大切應力 根據理論計算可以看出扭杆扭轉時扭杆表面最大切應力遠小於扭杆的材料許用 剪應力，因此扭杆在正常扭轉時，是不應該出現開裂情況的。但實際扭杆在扭轉過程表面出現了較多的裂紋，此類裂紋應歸於疲勞裂紋，由於 工件兩次扭轉，在交變應力作用下材料本身在表面存在偏析或雜質，在切應力作用下造成 該處開裂。其磁粉特徵是呈線狀，顯示強烈，磁粉聚集集中，輪廓較清晰，重現性好。發紋的產生是一個較簡單的三個連續階段局部塑性應變的開始，微裂紋的形核 與微裂紋的擴展。裂紋的產生與扭轉變形的應變率6有關。 由式 3-2 扭杆的切應變為 扭杆扭轉時間為0. 5s,則由式3-10得應變率 應變率範圍劃分，屬於高動態變化。扭轉速度對於扭杆的表面切應力影響很大。根 據式3-1求得扭杆加溫加荷扭杆表面最大切應力為3. 87MPa，但這是在靜態下的數值。在 高動態下，扭杆表面最大切應力要比靜態下的大的多。在較大的扭杆表面最大切應力作用 下，在扭杆表面存在偏析或雜質的薄弱部位，發生了局部塑性應變的開始，微裂紋的形核與 微裂紋的擴展。同時材料對於溫度也很敏感，特別在10°C以下，材料脆性增大，有利於裂紋 形成。
扭杆線切割 4孔超差問題原因扭杆0 9端頭上的6 4孔是由扭杆熱處理前的6 2工藝孔線切割擴大而成，6 4孔 與六方端頭的角度是由工裝夾具保證的。線切割64孔超差現象都是64 口邊緣有一側有 沒割到，形成一個小倒角，基本不超過0.06mm。通過對於此問題的出現進行認真分析，產生 問題的原因一是扭杆加溫加荷時效處理後殘餘變形大，6 2工藝孔位置保證不了切割擴大 為小4孔；二是62可能實際比理論值要大。經過兩個批次的尺寸檢查跟蹤，斷定問題的產 生是在62鑽孔過程中由於鑽頭的晃動和選用的鑽頭為62，因此有一部分的62孔實際尺 寸達到6 2. 2，這部分扭杆在線切割6 4孔時大部分出現了孔超差情況，即邊緣有一側有沒 切割到，形成一個小倒角。本發明提供了一種空氣舵扭杆加工工藝，扭杆生產流程為機械加工->熱處 理_ >加溫加荷_ >磁粉探傷_ >線切割_ >機械加工_ >表面處理_ >角度檢驗_ >持久 試驗->角度檢查_>交付入庫；其特徵在於其加工工作環境溫度不低於25°C，加溫加荷 步驟，在工裝上將扭杆旋轉固定後，工件入爐溫度不得超過30°C，隨爐升溫；在110-120°C 情況下保持2-3小時後不馬上出爐，隨爐降至25-30°C後，出爐對工件卸載，使扭杆恢復原 狀，再對扭杆重新扭轉90度安裝固定，進爐隨爐升溫至110-120°C情況下保持1. 5-2小時， 產品不立即出爐，隨爐降至25-30°C後，然後才出爐進行卸載，使扭杆恢復原狀。所述空氣舵扭杆加工工藝，在扭杆扭轉時扭轉速度要均勻，每根扭杆扭轉及卸載 時間不小於5秒鐘；將應變率6降為小於0. 14057。所述空氣舵扭杆加工工藝，線切割步驟採取減少伸出鑽頭長度，減少鑽頭晃動量， 減小鑽頭直逕到1. 8-1. 9mm。本發明的優點該項成果在提高產品合格率的同時，保證了產品生產進度，產品質 量有了進一步的保障，大幅降低了承制方生產成本，在時間緊、任務量大的情況下，保證了 產品批生產的交付進度。


圖1為工件冷卻時應力變化示意圖；圖2為扭轉試件中的應力與應變；圖3為扭轉試件；圖4為扭轉圖；圖5為求(普^圖解法。
具體實施例方式實施例1一種空氣舵扭杆加工工藝，扭杆生產流程為機械加工_ >熱處理_ >加溫加 荷_ >磁粉探傷_ >線切割_ >機械加工_ >表面處理_ >角度檢驗_ >持久試驗_ >角 度檢查_>交付入庫；其加工工作環境溫度不低於25°C，加溫加荷步驟，在工裝上將扭杆扭 轉90度後固定，工件入爐溫度不得超過30°C，隨爐升溫；在110-120°C情況下保持2-3小時 後不馬上出爐，隨爐降至25-30°C後，出爐對工件卸載，使扭杆恢復原狀，再對扭杆重新扭轉 90度安裝固定，進爐隨爐升溫至110-120°C情況下保持1. 5-2小時，產品不立即出爐，隨爐
7降至25-30°C後，然後才出爐進行卸載，使扭杆恢復原狀。本實施例所述空氣舵扭杆加工工藝，在扭杆扭轉時扭轉速度要均勻，每根扭杆扭 轉及卸載時間不小於5秒鐘；將應變率d降為0. 14057以內。本實施例所述空氣舵扭杆加工工藝，線切割步驟伸出鑽頭長度小於15mm，鑽頭直 徑 1. 8-1. 9mmo
權利要求
一種空氣舵扭杆加工工藝，扭杆生產流程為機械加工-＞熱處理-＞加溫加荷-＞磁粉探傷-＞線切割-＞機械加工-＞表面處理-＞角度檢驗-＞持久試驗-＞角度檢查-＞交付入庫；其特徵在於其加工工作環境溫度不低於25℃，加溫加荷步驟，在工裝上將扭杆按軸向扭轉90度後固定，工件入爐溫度不得超過30℃，隨爐升溫；在110-120℃情況下保持2-3小時後不馬上出爐，隨爐降至25-30℃後，出爐對工件卸載，使扭杆恢復原狀，再對扭杆按軸向重新扭轉90度安裝固定，進爐隨爐升溫至110-120℃情況下保持1.5-2小時，產品不立即出爐，隨爐降至25-30℃後，然後才出爐進行卸載，使扭杆恢復原狀。
2.按照權利要求1所述空氣舵扭杆加工工藝，其特徵在於在扭杆扭轉時扭轉速度要 均勻，每根扭杆扭轉及卸載時間不小於5秒鐘；將應變率6降為0. 14057以內。
3.按照權利要求1所述空氣舵扭杆加工工藝，其特徵在於線切割步驟伸出鑽頭長度 小於15_，鑽頭直徑1. 8-1. 9_。
全文摘要
一種空氣舵扭杆加工工藝，扭杆生產流程為機械加工-＞熱處理-＞加溫加荷-＞磁粉探傷-＞線切割-＞機械加工-＞表面處理-＞角度檢驗-＞持久試驗-＞角度檢查-＞交付入庫；其特徵在於其加工工作環境溫度不低於25℃，加溫加荷步驟，在工裝上將扭杆扭轉90度後固定，工件入爐溫度不得超過30℃，隨爐升溫；在110-120℃情況下保持2-3小時後不馬上出爐，隨爐降至25-30℃後，出爐對工件卸載，使扭杆恢復原狀，再對扭杆重新扭轉90度安裝固定，進爐隨爐升溫至110-120℃情況下保持1.5-2小時，產品不立即出爐，隨爐降至25-30℃後，然後才出爐進行卸載，使扭杆恢復原狀。
文檔編號B23H7/02GK101856754SQ20091001106
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月8日 優先權日2009年4月8日
發明者劉曉東, 劉海濤, 李強, 李德強, 王斌, 程彩霞, 賈成翔 申請人:瀋陽航天新星機電有限責任公司