超聲橢圓振動切削技術(shù)在液體火箭發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用展望

王卿 劉林

摘 ?要：介紹了超聲橢圓振動切削技術(shù)及其前身振動切削技術(shù)的機理和優(yōu)點，并結(jié)合超聲橢圓振動切削技術(shù)的特點和液體火箭發(fā)動機零件的特點對超聲橢圓振動切削技術(shù)在液體火箭發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：超聲橢圓振動切削;液體火箭發(fā)動機;應(yīng)用展望

中圖分類號：TG65 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0105-02

Abstract： The mechanism and advantages of ultrasonic elliptical vibration cutting technology and its predecessor vibration cutting technology are introduced. Combined with the characteristics of ultrasonic elliptical vibration cutting technology and liquid rocket engine parts， the application prospect of ultrasonic elliptical vibration cutting technology in the field of liquid rocket engine manufacturing is put forward.

Keywords： ultrasonic elliptical vibration cutting; liquid rocket engine; application prospect

1 超聲橢圓振動切削技術(shù)簡介

1.1 振動切削技術(shù)簡介

超聲橢圓振動切削技術(shù)是在常規(guī)的振動切削技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。振動切削技術(shù)是上世紀60年代發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)，它借助常規(guī)的切削刀具，并在刀具上添加高頻振動，使刀具與工件時而分離，時而接觸地進行間斷切削。為了便于理解，我們將這種振動切削技術(shù)比喻為“啄木鳥式”切削，而把普通切削比喻為“犁土式”切削[1]。振動切削方法的工藝特點：切削力小;切削溫度低;加工精度高、表面粗糙度低;刀具耐用度高。國內(nèi)外學者對于振動切削機理進行了大量的研究[2]。如摩擦系數(shù)降低理論認為，振動切削可以從幾個方面降低切削力，一是振動分離使刀具與被切削材料接觸變?yōu)閯討B(tài)接觸，降低了摩擦系數(shù);二是因為振動分離有利于切削液進入切削區(qū)，降低了摩擦系數(shù);三是因為振動分離時接觸面產(chǎn)生的氧化物降低了摩擦系數(shù)[3]。切削材料局部脆化理論認為，金屬材料在振動沖擊力的作用下，在切削局部區(qū)域產(chǎn)生大量的位錯增殖、纏結(jié)和交割，形變區(qū)內(nèi)材料的組織形態(tài)主要是大量孿晶和亞晶粒，切削材料在局部區(qū)域脆化，使切削力和切削溫度大大降低[3]。

1.2 超聲橢圓振動切削技術(shù)簡介

超聲橢圓振動切削技術(shù)是在常規(guī)的超聲振動車削加工技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點是給車刀施加兩個方向的超聲頻率的激勵，通過調(diào)節(jié)激勵方向上的振幅值和相位，使刀刃在包含切削速度方向和切屑流向的平面內(nèi)沿橢圓軌跡做超聲頻率振動，進行周期性斷續(xù)切削加工。

圖1是分離型超聲波橢圓振動切削原理圖。圖1（a）是刀具與切屑和工件處于分開狀態(tài)，即未切削狀態(tài)。圖1（b）是切削初始時刻，此時刀具與切屑無接觸。圖1（c）是切削有效進行期間。圖1（d）切削結(jié)束瞬間。超聲波橢圓振動切削是以圖1（a）～（d）為一個切削周期進行往復切削的一種微觀斷續(xù)的切削方法[4-6]。

超聲橢圓振動切削從刀具運動形式上增強了振動切削所特有的刀具工件分離特性，除前刀面與切屑分離外，后刀面也可與工件分離，切削過程中刀刃可以被充分潤滑冷卻，提高了刀具壽命。同時，刀具前刀面與切屑之間的產(chǎn)生作用力，其方向與普通切削的摩擦力方向正好相反，將阻力變成助力，刀具可以利用該作用力將切屑帶出切削區(qū)，有力地促進了切屑的排出，大幅度地減小了切削區(qū)變形和切削力[7]。

與普通切削加工相比，超聲波橢圓振動切削加工具有如下優(yōu)點：（1）超聲波橢圓振動切削加工平均切削力大幅度地減小，是普通切削加工的1/30～1/80;（2）超聲波橢圓振動切削加工精度能提高兩級;（3）對于弱剛度的零部件，?超聲波橢圓振動切（鏜）削有抑制顫振的作用;（4）超聲波橢圓振動切削加工微觀表面無鱗刺、無撕裂，表面完整性顯著提高;（5）超聲波橢圓振動鏜削加工的表面光潔度能提高兩級;（6）超聲波橢圓振動切（鏜）削有抑制毛刺作用，特別對有斷槽內(nèi)孔鏜削及有斷槽的外圓切削非常有益。

2 超聲橢圓振動切削技術(shù)在液體火箭發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用展望

2.1 弱剛度難加工材料零件精密加工

針栓式液體火箭發(fā)動機精密調(diào)節(jié)零件（如薄壁筒零件、細長桿零件等）剛性差、材料切削性差、尺寸精度、表面光潔度以及圓柱度等形位工差要求高。在對其進行精密切削加工時，零件變形的主要因素源于切削力和裝夾力。并且，由于切削熱量和加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會使該類零件的加工精度及表面質(zhì)量逐漸降低，嚴重時甚至會造成零件的報廢[5]。零件剛性差導致在切削加工時易發(fā)生顫振，從而降低表面粗糙度。實踐證明，采用常規(guī)切削加工技術(shù)，依靠增加刀具前角提高鋒利程度、減少切削進給量等工藝措施，由于切削特性的制約，無法從根源上解決該類零件切削加工中存在的問題。超聲橢圓振動切削技術(shù)可大大降低切削力和切削溫度，抑制顫振和刀具磨損，同時可以用較小的裝夾力裝夾零件，從而減小零件變形，提高加工精度。

2.2 深長孔精密加工

液氧煤油發(fā)動機調(diào)節(jié)器殼體類零件齒輪軸安裝孔長徑比大，殼體材料多為高強不銹鋼等難加工材料，而且孔的精度要求高。加工時由于鏜刀桿細長，剛度差，同時加工難加工材料切削力大，加工時會讓刀具發(fā)生顫振，導致尺寸精度、圓柱度、表面粗糙度均不能達到設(shè)計要求，影響齒輪軸轉(zhuǎn)動靈活性。超聲橢圓振動鏜削加工可減小切削力，抑制細長刀桿顫振，從而提高內(nèi)孔尺寸精度、形位精度、表面粗糙度。

此外，渦輪泵軸類零件減重孔也可采用超聲橢圓振動鏜削加工，可以解決減重孔同軸度差的問題，提高軸的動平衡性能。

2.3 流態(tài)控制棱邊高質(zhì)量加工

液體火箭發(fā)動機流態(tài)控制零件節(jié)流棱邊去毛刺時要求保持銳邊，傳統(tǒng)工藝去除毛刺后銳邊微觀倒角尺寸偏大，接近0.1mm，倒角周向一致性差，且毛刺難以去干凈，導致液流性能不可控，液流試驗時經(jīng)常發(fā)生射流不穩(wěn)定、發(fā)散、抖動、提前霧化、射流周向分布不均勻等問題。超聲橢圓振動切削技術(shù)可抑制毛刺的產(chǎn)生，免去了去毛刺工作，避免了去毛刺過程對節(jié)流棱邊的損傷，從而提高棱邊表面完整性和周向一致性，改善液流性能。

由于超聲橢圓振動切削技術(shù)能實現(xiàn)無毛刺切削，還可廣泛運用于內(nèi)腔毛刺難以去除的零件，特別是有小直徑相交盲孔的零件，從源頭上解決發(fā)動機內(nèi)腔多余物的問題。

2.4 復合材料機械加工

碳纖維增強樹脂基復合材料作為一種新型材料，具有低密度、高比強、耐高溫、抗氧化、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，代替金屬材料作為發(fā)動機隔熱罩、支板、氣瓶模塊等構(gòu)件，可以極大地減輕發(fā)動機的質(zhì)量，這對零部件的連接和裝配質(zhì)量提出更高的要求。零件與其它零部件裝配連接前，需要進行機械加工，特別是孔加工。由于材料本身的各向異性，特別是層間剪切強度很低，造成了其機械加工性能差，特別是普通鉆削由于軸向力大，鉆孔時極易產(chǎn)生出入口劈裂及內(nèi)部分層等缺陷，鉆出時脫層更為嚴重，同時加工精度也不易保證。超聲橢圓振動切削技術(shù)可改善對硬而韌的碳纖維的切削能力，同時還可抑制鉆削中材料的層間剝離，特別適用于碳纖維增強樹脂基復合材料鉆孔加工[8]。

C/SiC碳纖維增強陶瓷復合材料因其高強度、低密度、高韌性和高抗氧化特性，在火箭發(fā)動機燃燒部位的高溫環(huán)境下應(yīng)用具有重要意義。陶瓷復合材料所含SiC硬度高（HV2800～3000），高于常用的刀具硬度，加工難度更大，超聲橢圓振動切削技術(shù)通過降低切削力和切削溫度，改善刀具的切削環(huán)境，可提高刀具對碳纖維增強陶瓷復合材料的加工性能。

3 結(jié)束語

超聲橢圓振動切削技術(shù)的低切削力、低切削溫度、抑制毛刺產(chǎn)生的特點使其在液體火箭發(fā)動機關(guān)鍵零部件制造領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊，值得大力推廣。

參考文獻：

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