深微錐孔汽蝕管加工工藝研究

何衛(wèi)東，詹海鵬，史 勇

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

0 引言

汽蝕文氏管-汽蝕管結(jié)構(gòu)為喉部呈收斂/擴(kuò)張型面的喇叭狀部件，當(dāng)流體流過汽蝕管，汽蝕管喉部發(fā)生汽蝕后，只要汽蝕管入口壓力保持不變，則汽蝕管出口流量可保持不變，該流量大小不受反壓變化的影響，并能抑制脈動(dòng)壓力反向傳遞，從而保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。汽蝕管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、經(jīng)濟(jì)耐用，流量調(diào)節(jié)精度高，能抑制系統(tǒng)振動(dòng)，降低系統(tǒng)工作噪聲，廣泛應(yīng)用于空調(diào)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。汽蝕管一般在腐蝕性或低溫介質(zhì)中工作，常用1Cr18Ni9Ti不銹鋼或純鎳材料制成?？讖捷^大的汽蝕管一般采用切削加工工藝制造，孔徑小于2毫米的汽蝕管通常采用切削加工和電鑄鎳相結(jié)合的工藝制造。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生器氧化劑路副系統(tǒng)汽蝕管結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。設(shè)計(jì)要求見表1。

圖1 汽蝕管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of cavitating venturi

表1 汽蝕管設(shè)計(jì)要求Tab.1 Design requirements of cavitating venturi

汽蝕管材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼棒材，汽蝕管內(nèi)腔收斂段為60°錐孔，入口直徑為Φ3 mm，喉部直徑為 Φ0.7±0.01 mm，擴(kuò)散段為 6°±10°錐孔，出口直徑為Φ1.9 mm，長(zhǎng)度為11 mm，收斂段與喉部連接處為R1圓角，整個(gè)內(nèi)腔表面粗糙度要求為Ra1.6。

1 汽蝕管加工工藝

1.1 工藝流程

汽蝕管加工工藝流程框圖見圖2。

圖2 汽蝕管加工工藝流程框圖Fig.2 Flow chart for machining technological process of cavitating venturi

1.2 收斂段與喉部精密車鏜加工工藝

在精密數(shù)控車床上用微型鏜刀車鏜加工收斂段與喉部。微型鏜刀選擇京瓷整體鎢鋼微型鏜刀，該鏜刀硬度和抗彎強(qiáng)度高，鏜刀材料屬于超微粒鎢鋼合金，表面鍍覆有AlTiN涂層，最小切削直徑為Φ0.6 mm，最大切削深度可達(dá)3 mm。在20倍放大鏡下進(jìn)行對(duì)刀。

加工過程和工藝規(guī)范：先用修磨過的中心鉆粗锪60°錐孔去余量，直徑方向留余量0.1 mm；鏜喉部孔到Ф0.69 mm，再鏜60°錐孔，最后一刀60°錐孔連接喉部加工至Ф0.7 mm。鏜孔時(shí)主軸轉(zhuǎn)速V=5 000～5 500 r/min，進(jìn)給量前三刀和最后三刀每次 f=0.02 mm/r，中間每次 f=0.03～0.04 mm/r，切削深度0.01 mm。

1.3 Ф0.65通孔鉆孔加工工藝

Ф0.65通孔加工設(shè)備為TG4132B型精密單柱坐標(biāo)鏜床，該坐標(biāo)鏜床機(jī)身堅(jiān)固，偏擺和振動(dòng)量很小，刀具系統(tǒng)偏擺量較小，對(duì)刀精度較高。鉆頭采用高韌性高速鋼鉆頭，精細(xì)修磨切削刃，保證兩側(cè)刃長(zhǎng)一致且左右對(duì)稱，以避免高速鋼鉆頭受力不均勻而鉆偏Ф0.65通孔。Ф0.65通孔加工前，要求找正工件端面，工件外圓跳動(dòng)量必須控制在0.01 mm以內(nèi)。為了減小Ф0.65通孔加工長(zhǎng)度，在加工通孔前需預(yù)先完成兩道工序，既從兩頭加工臺(tái)階孔，將需要加工的通孔長(zhǎng)度由15 mm壓縮至4 mm，然后再加工Ф0.65×4通孔。加工方法為：啄孔式加工工藝方法，每進(jìn)給0.1 mm即抬刀一次將切屑帶出，并用蘸有機(jī)油的毛刷清理鉆頭上附著的切屑，同時(shí)對(duì)刃口進(jìn)行潤(rùn)滑。Ф0.65通孔鉆孔加工工藝規(guī)范為：精密坐標(biāo)鏜床轉(zhuǎn)速800 r/min，進(jìn)給量0.01 mm/r。

1.4 6°錐孔加工工藝

汽蝕管6°錐孔的最小孔徑為Ф0.7 mm，長(zhǎng)度為11 mm，長(zhǎng)徑比大于10。汽蝕管6°錐孔是在HARDINgE GX480 plus型精密數(shù)控鏜銑加工中心上完成粗銑和精鉸加工的。定制的京瓷6°錐銑刀和6°錐鉸刀材料為亞微粒碳化鎢材料。6°錐銑刀和6°錐鉸刀結(jié)構(gòu)示意圖見圖3和圖4。刀具表面涂層為納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，該復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層由鋁基化合物和N系基體材料組成。該材料在高能離子束流轟擊作用下，納米鋁基化合物晶體被鑲嵌在N系基體材料體內(nèi)。納米狀態(tài)下的化合物很難啟動(dòng)增殖源，所以，基體材料將會(huì)阻止納米化合物晶粒遷移，由此提高了刀具硬度。涂覆了納米涂層刀具的硬度常溫下可達(dá)50 GPa，同時(shí)還可以保持良好的韌性。在加工過程中，當(dāng)?shù)毒邷囟冗_(dá)到900～1 100℃時(shí)，刀具硬度還可保持在30 GPa左右，滿足汽蝕管6°錐孔加工工藝要求。6°錐銑刀和6°錐鉸刀均為等前角和不等刃帶寬結(jié)構(gòu)，降低了加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，增加了刀具剛性，提高了汽蝕管6°錐孔加工精度。6°銑刀采用不等分刃口結(jié)構(gòu)，有效抑制了加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，進(jìn)一步提高了汽蝕管6°錐孔加工精度。鉸刀型面為圓弧齒背和螺旋刃邊結(jié)構(gòu)，增加了刃口強(qiáng)度，在加工過程排屑流暢，還可提高汽蝕管6°錐孔鉸孔質(zhì)量。

加工方法：啄孔式加工工藝方法，每進(jìn)給0.02 mm即抬刀一次，精密數(shù)控鏜銑加工中心主軸轉(zhuǎn)速V=8 000～9 000 r/min，鉸孔進(jìn)給量為0.001 3 mm/r。用 TAYLOR HOBSON PGI 820 表面粗糙度儀測(cè)量了6°錐孔內(nèi)表面的表面粗糙度，測(cè)量結(jié)果為Ra0.4，小于設(shè)計(jì)要求值Ra1.6，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 錐孔鉸刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of tapered hole reamer

圖4 錐孔銑刀和鉸刀刃口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of tapered hole milling cutter and reamer cutting edges

數(shù)控程序編程。根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣、設(shè)計(jì)技術(shù)要求、補(bǔ)刀量、刀具參數(shù)、工藝規(guī)范以及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，在HARDINgE GX480 plus型精密數(shù)控鏜銑加工中心上，依據(jù)FUNUC Series Oi-MD操作系統(tǒng)完成了6°錐孔銑加工和6°錐孔精加工程序編程，在HARDINgE GX480 plus型精密數(shù)控鏜銑加工中心上，采用該程序加工出的汽蝕管6°錐孔經(jīng)計(jì)量檢測(cè)，結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

6°錐孔銑加工程序如下：

T8 M6

G59 G90 G0 X0 Y0

G43 Z100 H8

M03 S8000

G0 Z100

#1=0.02

#2=3

#3=8

#4=0.2

G0 Z20

N10 G1 Z[#3+#4]F3000 M8

G01 Z#3 F20

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 10

G01 Z#3 F20

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 10

G0 Z200 M9

G91 G0 X0 Y0 G28

M0

6°錐孔精加工程序如下：

T12 M6

G59 G90 G0 X0 Y0

G43 Z100 H12

M03 S8000

G0 Z100

#1=0.02

#2=2.4

#3=3

#4=0.2

G0 Z20

N20 G1 Z[#3+#4]F3000 M8

G01 Z#3 F10

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 20

G01 Z#3 F10

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 20

G0 Z200 M9

G91 G0 X0 Y0 G28

M30

2 汽蝕管液流試驗(yàn)

采用上述工藝及規(guī)范加工生產(chǎn)的汽蝕管安裝在圖5所示的汽蝕管液流試驗(yàn)系統(tǒng)中，完成了液流試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖5 汽蝕管液流試驗(yàn)原理示意圖Fig.5 Principle of liquid flow test for cavitating venturi

表2 汽蝕管液流試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of liquid flow test for cavitating venturi

由表2可見，汽蝕管流阻系數(shù)A全部在設(shè)計(jì)要求值1 800～2 100范圍之內(nèi)，汽蝕裕度均不大于設(shè)計(jì)要求值26.5%。通過比較汽蝕管初試和復(fù)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：兩次試驗(yàn)測(cè)得的流阻系數(shù)A散差均小于0.5%，說明試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)過程穩(wěn)定。裝配有采用該工藝規(guī)范加工生產(chǎn)的汽蝕管的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)通過了地面熱試車考核。

3 結(jié)論

通過研究深微錐孔汽蝕管收斂段與喉部精密車鏜加工、Ф0.65通孔鉆孔加工和6°錐孔數(shù)控編程加工工藝，得出了深微錐孔汽蝕管最佳工藝規(guī)范：鏜孔主軸轉(zhuǎn)速V=5 000～5 500 r/min，進(jìn)給量前三刀和最后三刀每次f=0.02 mm/r，中間每次f=0.03～0.04 mm/r，切削深度 0.01 mm；Ф0.65通孔鉆孔工藝規(guī)范：精密坐標(biāo)鏜床轉(zhuǎn)速800 r/min，進(jìn)給量0.01 mm/r；6°錐孔加工工藝規(guī)范：精密數(shù)控鏜銑加工中心主軸轉(zhuǎn)速V=8 000～9 000 r/min，鉸孔進(jìn)給量為0.001 3 mm/r。采用該工藝規(guī)范加工生產(chǎn)的汽蝕管內(nèi)表面表面粗糙度為Ra0.4，滿足設(shè)計(jì)要求。汽蝕管通過了液流試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。裝配有采用該工藝規(guī)范加工生產(chǎn)的汽蝕管發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)通過了地面熱試車考核。

[1]中國航天工業(yè)總公司.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)汽蝕文氏管通用規(guī)范,QJ1783A-96[S].北京：中國航天工業(yè)總公司第七零八研究所,1997.

[2]劉國球,任漢芬,朱寧昌,等.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：宇航出版社,1993.

[3]黃立德,林忠岳,尹克敏,等.發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)[M].北京：宇航出版社,1990.

[4]曾忠,黎永明.微孔加工技術(shù)的現(xiàn)狀[J].磨床與磨削,1994(4)：20-23.

[5]潘小蘇.高精度深小孔車(鏜)加工刃具的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2004(3)：40-44.

[6]黃傳真,李兆前,艾興,等.新型陶瓷刀具JX-2-Ⅱ切削電鍍純鎳的研究[J].工具技術(shù),1995(29)：37-39.

[7]許祥泰,劉艷芳.數(shù)控實(shí)用加工技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[8]文氏管在液壓與氣動(dòng)技術(shù)中的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2002(6)：29-30.

[9]汪光文.空調(diào)系統(tǒng)文氏管設(shè)計(jì)研究[J].科技信息,2011(22)：804.

[10]李鈺,馬繼山.鈑金件快速精確加工中的激光切割工藝分析[J].火箭推進(jìn),2008(4)：43-47.LI Yu,MA Jishan.Process analysis of laser cutting for sheet metal parts rapid precision machining[J].Journal of Rocket Propulsion,2008(4)：43-47.

[11]吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2004.

[12]徐之焜.薄壁半球類零件的數(shù)控加工[J].火箭推進(jìn),2006(2)：41-45.XU Zhikun.Numerical processing of thin-wall hemisphericaltype parts[J].Journal ofRocket Propulsion,2006(2)：41-45.

[13]趙飛,黃紅耀.大直徑薄壁球形閥芯加工工藝[J].火箭推進(jìn),2012(1)：62-67.ZHAO Fei,HUANG Hongyao.Machining technology of thin-walled spherical valve core with large diameter[J].Journal of Rocket Propulsion,2012(1)：62-67.