喷油环微孔加工快换工装设计与应用

■ 沈阳黎明航空发动机有限责任公司工装制造厂 （辽宁 110043） 罗 敏 申玉萍 胡东清

I区喷油环是发动机六路总管之一，采用逆喷方式，前方有挡油板，燃油从喷油环喷出之后打到挡油板上，进行蒸发雾化。喷油环由中心直径680mm的薄壁环管、螺纹接头、三通接头及进油管组件焊接形成，环管上均布了24个φ0.56mm的喷油孔，提高喷油孔的加工精度，可使总管的燃油分布均匀，提高加力燃烧室的效率，同时也会延长总管的使用寿命。

1. 喷油环技术要求及加工中存在的问题

喷油环结构如图1所示，环管的中心平面为水平基准D，进油管为角向基准K，喷油孔对基准D及基准K的位置度要求≤1mm，各孔的流量不均匀性要求≤5%。由于喷油环为薄壁弹性件且直径尺寸公差大，整体焊接后变形量大，圆度及平面度不易控制，在自由状态下变形量更大，无法形成稳定的定位基准，因此电火花加工喷油孔过程中，喷油环无法准确安装定位，导致按照喷油环的理论位置编程打孔时，60%的孔位置偏离中心，偏离大时个别孔打不到环管上。因此，一直以来喷油环的喷油孔加工前，先利用人工划线的方法划出孔的中心点位置，再逐个找正划线点进行电火花打孔，由于孔径只有0.56mm，对操作人员的技能要求高，受人为因素影响大，综合上述各种因素，导致加工后的喷油孔的尺寸精度和位置精度无法保证，从而影响流量试验准确性及喷油均匀度，以致在后续流量试验过程中需要反复修孔。另外，由于进油管是打孔的基准之一，但加工进油三通两侧的孔时电极夹头与进油管干涉，因此打24个喷油孔分为两个工序，在焊接进油管之前先加工进油三通两侧各3个孔，焊接进油管之后再加工其余喷油孔，期间零件需要在两个工段间周转，加工精度和生产效率相对较低。

图1 喷油环结构图

为解决上述问题，重新对喷油环工艺路线进行了梳理，通过控制导管管料长度来确保制造出的总管直径的一致性，在专用工装上划切端线，将环管的展开长度公差控制在1mm之内，直径公差就控制在0.3mm之内。喷油环上的9处螺纹接头焊接后对平面度影响很大，采用对称焊接的方法，焊后经轻微校正以减少焊接变形。同时改变喷油环逐孔划线、找正及打孔的传统工艺方法，设计带有零点定位系统的基础座及与之相配使用的高效快换工装，实现喷油环的准确定位，通过数控机床编程加工24个喷油孔，从而解决喷油环划线打孔、分两次加工等问题，提高零件的打孔精度和加工效率。

2. 零点定位快换工装的优点

早在20世纪60～70年代，国外就开始推广应用“1min换装”技术，快换工装利用零点定位系统、快换托盘及快换夹具实现工装夹具与机床之间的快速定位和夹紧，减少机械加工中的辅助时间，其优点包括：

（1）零点定位系统具有误差自动找正功能，定位接头可以任意角度插入定位器，减轻了工人将定位接头对准定位器的找正工作量。

（2）零点定位系统是一个独特的定位和锁紧装置，能保持工件在工序间及机床间变换时零点始终保持不变，可以节省重新找正零点的辅助时间，保证工作连续性。

（3）零点定位系统的重复定位精度可以达到0.005mm，最大夹持质量可以达到10.4t，夹具换装时间由30min缩短为2min，零件加工精度可以大大提高。

（4）被加工零件可以实现离线装夹和找正，机床几乎没有空转时间，机床使用效率大大提高。

（5）零点定位系统可以使用液压系统也可以使用气压系统，0.45MPa的气压系统可以直接利用工厂的气源，使用非常方便。

3. 带零点定位系统的基础座设计方案

基础座是机床与夹具间的连接装置，通过基础座上的零点定位器，可以实现夹具的快速精确安装与更换，节省夹具的安装、找正等辅助时间。基础座设计既考虑了喷油孔加工的电火花设备，同时也兼顾了工厂的加工中心设备，设计的基础座可以在上述设备间通用。经过对设备参数及加工零件的综合分析，同时了解前期零点定位快换系统在公司的制造与应用情况，选择了气压解锁的法兰安装型零点定位器，这种定位器装配和调整方便，安装高度更低，制造精度容易保证；同时，该定位器通过弹簧力进行机械锁紧，气压解锁，解锁压强只要0.45MPa，符合工厂的动力源要求。

考虑到零件加工的尺寸范围，基础座在不同设备间的通用性，基础座设计为方形，基础座上设计了5个零点定位器，保证了基础座与打孔夹具既有较高的定位精度又有足够的拉紧力，中心1处用于定心，其余4处沿φ410mm圆周均布，5个零点定位器的平面度要求≤0.005mm，对底面的垂直度及相互间的位置度≤0.01mm。基础座的底面设计有φ60mm的心轴，心轴与电火花数控机床台面的中心孔小间隙配合，最大间隙≤0.02mm，使机床的中心轴线与基础座的中心轴线重合，适用于喷油环的分度打孔。基座上开有4个与设备安装的螺钉孔窝，既可以用T形槽螺钉压紧，又可以用压板压紧，可满足不同设备的安装要求。

零点定位器结构如图2所示，为钢球自锁安装系统，滚珠从三个方向被裹夹，所以定位销得以稳固的锁紧在定位器中，此系统与其它方法相比有锁紧容易、反应速度快及定位准确等优点，锁紧结构为机械锁紧，气压解锁，强力的碟形弹簧保证了最大的锁紧力和拉紧力。使用时通过基础座上的通气阀对基础座内部进行加压，通过气压驱动安装在基础座上的5个锁紧套，当气压达到锁紧套解锁压强后，锁紧球在内部机械结构作用下自动由中心向四周移动，释放锁紧套中心空间，然后将夹具定位接头插入快换基础座定位孔内，确保定位销完全进入后停止供气，释放快换基础座内气压达到普通大气压后，快换基础座内的定位锁紧套结构发生作用，使定位锁紧球自动移向中心，锁死定位接头，定位夹具。

4. 喷油环打孔夹具设计方案

根据喷油环的结构特点，结合喷油环在发动机中的装配状态，打孔夹具以环管的底面作为平面定位基准，以环管的内圆作为径向定位基准，以进油管为角向定位基准，夹具的具体结构如图3所示。为消除焊接变形对打孔的影响，打孔夹具采用楔式定心胀紧机构。8个胀紧定位块组成一个圆环，相互之间留有适当的间隙，利用胀紧定位块与锥体锥面的相对移动，使胀紧定位块同时等速移近或离开，从而达到定心胀紧喷油环的目的，消除管路弯曲、焊接时的变形，均分工件公差，提高喷油环的定位精度。零点接头与基础座的零点定位器相配合，实现夹具的快速换装。

图2 基础座及零点定位器结构示意图

图3 喷油环打孔夹具结构示意图

底座是夹具的基础部件，其它各个零件以一定的装配关系有机地组装在底座上，并通过底座下基准面与基础座零点定位器表面接触，底座的上基准面与喷油环的环管基准平面接触，对喷油环起定位支承作用，利用压板压紧喷油环。底座的平面度要求≤0.01mm，以满足喷油孔最终的垂直度要求。

胀紧机构既起定位作用又起压紧作用，胀紧机构采用楔式胀紧，设计有8个胀紧定位块、在导向板和底座形成的滑道间滑动。螺母装配在锥体槽中，两者同时运动。胀紧机构的工作原理：用扳手拧紧螺母，螺母在转矩的作用下带动锥体向下运动，并使8个胀紧定位块同时等速径向向外运动，从而胀紧被加工零件的内径。胀紧定位块分8块（胀紧定位块数量要根据被加工零件直径相应增加或减少），沿底座和导向板之间的滑道滑动。导向板用螺钉和销子装配到底座上，两件之间构成60H7/f7、12H7/f7的滑道。松开螺母，螺母带动锥体向上运动，弹簧弹开，推动8个胀紧定位块回退，与被加工工件的内径分开，可以将零件取出。由于喷油环是薄壁管件，为防止力矩过大将零件胀变形，在底座上设计限位孔，与胀紧定位块的限位外圆相配，当胀紧定位块胀到喷油环的理论位置时，定位块限位外圆与限位孔接触，定位块停止运动，可以保证每次加工中胀紧量一致，保证喷油孔加工的一致性。夹具通过定位销定位进油管内孔，实现喷油环的角向定位。

夹具设计有5个零点定位接头，通过这5个接头与基础座的5个零点定位器相配，实现夹具与基础座的快速安装，其位置与基础座的5个零点定位器一致，定中心的定位接头限制X、Y方向的自由度，并作为参考基点，对底座基准面的垂直度要求≤0.01mm；角向定位的单向接头只限制旋转方向的自由度，对定位接头的位置度要求≤0.01mm；紧固接头只起增加夹紧力的作用，用以实现基础座与打孔夹具的固紧，对定位接头的位置度要求≤0.03mm。

5. 喷油环打孔快换工装的应用及效益

快换工装应用时，首先将基础座安装在数控电火花机床上，找正零点定位器的内孔及端面，确定机床编程的零点及坐标系，将打孔夹具上的零点接头与基础座上的零点定位器大致对齐，快速安装好夹具，将快换基础座的进气阀门与供风系统相连，打开空气阀，待快换基础座上的钢球自锁系统完全打开后，将夹具向快换基础座方向推入，使快换基础座与夹具上的钢球自锁系统紧密配合，断开进气阀门与供风系统的连接，待快换基础座内气压降至额定压力后，钢球自锁系统完全锁死，夹具固定完成，夹具与快换基础座的连接及定位靠5处零点定位系统完成，不需要找正及压紧过程。

与普通打孔工装相比，使用零点定位系统的快换工装，工装装夹和找正时间由30min减少到5min，基础座首次安装找正后，再次安装在设备上无需找正，直接加工，可以实现离线安装，占用设备时间仅为5min左右，减少了设备的停机时间，提高了设备的利用率，定位精度达到0.01mm以内。

应用快换工装加工喷油环的喷油孔，实现了孔的数控自动化加工，取消了划线打孔工序，消除了人为因素影响，通过楔式定心胀紧机构定位胀紧喷油环薄壁管件的内径，对喷油环进行校圆，消除了管路弯曲、焊接时的变形，提高了定位精度，一次找正就可以完成整圈24个喷油孔的加工，孔的一致性较好，提高了喷油环喷油孔的加工精度和加工效率。通过设计直径更小的电极夹头，解决了喷油环的两次打孔问题。

6. 结语

零点定位快换工装在喷油环打孔中的应用，校正了管路弯曲、焊接时的变形，提高了喷油孔的加工精度和加工效率，实现了喷油环的无干预数控加工，从而提高了喷油环喷油方向的准确性，喷油均匀度好，减少了孔的修正量，提高加工效率5倍以上，产品合格率达100%，工人劳动强度降低80%。

应用零点定位快换工装的效益是多方面的，直接的效益是提高了工装的换装效率，增加了设备的有效工时，实现了离线装夹，使零件的加工和装夹同时进行，大大提高了零件加工的工作效率，使零件的加工工艺和生产模式产生了重大变化，精密的定位精度和快速装夹可减少零件的装夹次数，提高零件的加工效率与精度，缩短机械加工中的辅助时间，实现了随时更换加工产品的需求，为实现敏捷制造、柔性生产奠定了基础。

[1] 戴曙.金属切削机床［M］.北京：机械工业出版社，1996.

[2] 李文卓，颜国正，于云霞.微细喷油孔电火花加工机床的研制［J］.中国石油大学学报，2008，32(1)：82-85.

[3] 练宏俊，赵利军，许峰.基于零点工装的数控加工中心零件快速装夹［J］.机电一体化，2012，18(7)：81-83.