王新辉 窦媛
中国航发西安动力控制科技有限公司 陕西西安710077
摘要：在某油泵壳体工艺组件科研生产制造过程中，由于上盖板工艺过程控制及其工艺方法存在一定问题，导致盖板变形量大，应力释放不充分，致使产品合格率较低，且多次在工作过程中出现“碰磨”现象，直接影响公司生产效率和正常产品交付。
关键词：盖板；变形量；合格率；工艺方法
某油泵壳体工艺组件科研生产制造过程中发生多次质量问题，究其原因主要是对该壳体组件在整个工艺装配过程考虑不周，特别是对装配零件的材料性能、装配工艺方法了解不够，致使没能及时发现装配后零件依然存在变形隐患，造成叶轮与盖板表面发生碰磨现象，影响了整个公司正常的生产交付。
1 工作原理分析
该油泵壳体内部装配了一件钛合金材料的盖板，壳体与盖板之间靠螺纹连接。在装配拧合前，需分别壳体与盖板相互配合的内外螺纹表面均涂抹了粘结乳胶，预防盖板在油泵工作过程中产生松动，沿螺纹拧合的相反方向退出。盖板内装配叶轮,叶轮与盖板锥面的装配最大间隙为1毫米。整台产品在正常工作情况下,叶轮高速旋转,油泵壳体从侧面孔进入高压油,使其充满整个油泵内腔、盖板锥面与叶轮叶片之间。由于受装配方法的限制,产生内应力过大,没能充分释放,致使在工作状态下,盖板表面受到高温高压的油压作用下,稍微有些变形,突起部位便会与叶轮的叶片发生碰磨或间断撞击,长时间碰磨的情况下就会使盖板产生裂纹,从而导致整台产品发生质量问题。
2 原因分析
2.1 盖板的材料特点
盖板的材料牌号是TC6，属于α+β型钛合金。其主要优点是高比强度，较宽的工作温度范围，耐腐蚀性好，可焊接，淬透性好，密度小等，但其存在成本高，刚性低，导热性能差，摩擦系数高，对缺陷敏感性大等缺点。
2.2 盖板机械加工工艺的选材
由于盖板零件材料属于钛合金,根据钛合金材料的特点,选择毛坯类型为锻件.若采用模锻件毛坯，机械加工余量明显减少，可以大大减少由于机械加工引起盖板变形的情况，从而提高产品合格率。
2.3 过程控制
⑴ 原装配工艺过程要求
模拟装配：使用10N.M力矩将盖板拧入壳体中，并要求止靠，然后在盖板表面使用记号笔做标记；
涂胶装配：使用专用工装，将涂胶后的盖板拧入壳体内，并要求超过刻线3到12mm。
⑵ 存在问题
?专用工装压紧盖板的力矩大小不明确；
?超过刻线3到12mm是否合理；
?盖板按10N.M力矩模拟装配是否能按设计图要求拧至止靠；
2.4 专用工装设计
⑴ 原专用工装设计原理
新轴主要由锥面和带有外螺纹螺纹杆构成，其中锥面设计尺寸和盖板锥面尺寸保持一致，螺杆与螺帽配合，和压套一起压紧盖板。在壳体拧上盖板的过程中，靠盖板锥面和专用工装的锥面摩擦配合，使盖板旋至事先标记好的刻线部位。
⑵ 原专用工装存在的缺陷
没有考虑到零件的特征属于薄壁件；
一般的薄壁件的最大特征就是变形，采用机械加工从毛坯到成品过程，会使所加工的零件内部存在一定机械加工应力，我们一般把这称之为残余应力。因为有大部门的机械加工所产生的应力已经在加工过程中自然得到释放，零件还会存在一定的残余应力。这里涉及到的零件就属于薄壁件，虽然它在零件的机械加工过程中分了粗精加工，甚至还采用了二次去应力退火，但是在组件的装配工艺中，由于工装设计忽略了零件的具体特征，致使零件产生变形。
① 没有考虑到零件的材料属于钛合金;
钛合金密度大约为4.5g/cm3,相对密度较小，常温性能高，中温耐热性好，耐腐蚀性好，但是刚性低，导热性差，摩擦系数高，对缺陷敏感性差，薄壁件易于失稳变形。
② 没有考虑到实际装配中盖板的受力情况。
a、当使用专用工装压紧盖板，盖板锥面与专用工装锥面完全接触，就会受到专用工装锥面对盖板的支撑力F1、摩擦力F2及压套对盖板的正面压力F3（见图1）。
b、当盖板完全拧入壳体内，盖板小端面与壳体端面接触，即盖板刚好符合设计图止靠要求，也符合模拟装配要求。但当按原来的装配工艺要求，需要将盖板再拧过模拟装配标记刻线3到12mm。这个过程就会使壳体端面对盖板小端面有支撑力F4，盖板随之就会变形。
2.5 密封圈的材料及装配
⑴ 材料属性
在此壳体组件中装配的胶圈属O型胶圈，材料为氟橡胶F275，硬度HV78，技术条件是Q/GHAG89-2006。该胶圈具有耐高温、耐油、耐酸碱、耐天候老化等方面突出性能，并具有低的压缩永久变形及良好的加工工艺性能。
⑵ 组件中的作用
此处胶圈密封是典型的螺纹连接件的固定密封结构形式，主要作用是：阻止固化后的胶质产生的杂质进入壳体腔中，同时也有防止燃油从螺纹处流入壳体腔的作用（进口活门关闭时燃油通过油嘴可以进入壳体腔以起冷却作用）。
⑶ 压紧量计算
按照一般的筒轴、固定连接密封结构，密封结构的槽、筒和轴尺寸如下：
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不考虑胶圈被拉伸导致的截面变小的情况：
盖板处密封圈，单边间隙（52.5－49.6）/2＝1.45，单边压缩量为1.05。
⑷ 装配情况
当装配这种螺纹拧入式胶圈时，由于紧度较大，会出现密封圈难以进入密封空间的情况。由于盖板装配时难以观察到密封圈状态，此时就会对盖板产生较大的作用力，致使壳体拧紧力矩很大，甚至造成胶圈撕裂或破损等严重情况发生。因此，必须控制盖板的压紧力以及壳体的拧紧力矩，才可能减小盖板变形和胶圈破坏的情况发生，而不应该强行装配。
因此，盖板的材料特性、选材方式、装配过程中的力矩控制、装配工装的设计、胶圈材料与壳体密封结构等因素均会影响到盖板内应力得变化，所以从以上角度入手，才能解决油泵发生故障根本问题。
3 解决措施
3.1 盖板的毛坯选择、工艺流程安排以及组件工艺性的选择
⑴ 盖板的毛坯选择
盖板的毛坯选择锻件，且各毛坯面的机械加工余量均为2mm。避免由于机械加工余量过大而引起零件本身变形。
⑵ 工艺流程安排
钛合金零件的工艺过程一般分粗加工、半精加工、精加工和光整加工阶段。主要目的是减少或消除内应力、切削力和切削热对精加工的影响，便于热处理工序的安排，避免或减少对已加工表面的损伤。粗加工、半精加工和精加工的加工依次提高，各工序加工余量依次减小。一般来说，精加工的加工余量在0.1～0.2㎜左右比较合理。在加工钛合金时，由于切削热量大，切削温度高，因此要求加工钛合金时所选择的切削速度要低，进给量要适中。
钛合金零件在安排热处理时应按以下要求进行：切削加工之前，为了改善钛合金材料的加工性能，需要进行完全退火；粗加工后，为了消除内应力，需要进行去应力退火；半精加工后、精加工之前为了稳定材料性能、尽量消除内应力，要再次进行稳定时效处理。在切削加工时应尽量选用超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8制造的刀具，该种刀具耐热性高、强度和韧性也较好、可磨性好、综合性能好，适合切削钛合金。
⑶ 组件工艺性的选择
原盖板在装配之前已经满足设计图尺寸要求，在装配过程中完全靠盖板锥面与专用工装锥面的摩擦力，使盖板易变形。
3.2 改变装配方法
新装配盖板原理类似与螺丝刀上螺钉的原理，把它放入新盖板小端面
的十字槽，然后按螺纹拧合方向进行旋转拧紧即可。
3.3 力矩大小进行控制
a、在组件模拟装配时，为保证盖板完全止靠，根据涡壳和盖板的设计尺寸计算装配完成后，符合设计图的前提下，盖板大端面距离涡壳大端面的距离为： H=24.5-1.3=23.2
b、在组件涂胶装配时，经过多次试验论证，使用新盖板、新工装进行装配，拧合力矩80N.M以下。
3.4 确定刻线范围
从理论上讲，盖板上预先刻的线必须拧至与Φ18孔底齐平（盖板大端面低于流道面），但考虑到操作误差、涂层厚度、拧合时间等因素，有可能会使刻线过孔底一部分，原工艺要求刻线过3到12毫米，现要求刻线过孔底0到3毫米。
3.5 增大螺纹孔口部大小
为了便于装配，且不影响产品性能的情况下，将M52×1.5螺纹孔口部Φ52.5光孔处倒角和过度圆角加大，方便密封圈在盖板拧入壳体过程中能够顺利进入螺纹口部光孔。
因此，这种壳体工艺组件装配盖板的新工艺方法可靠性和适用性大大增强，同时也可以在同类产品中加以推广和应用，方便批量加工，为公司顺利完成科研生产任务奠定了坚实的基础。