離心式噴嘴加工工藝研究

崔薇 李業(yè)棟

摘要：針對離心式噴嘴結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性，對噴嘴的加工流程進(jìn)行分析，找出了影響噴嘴性能的核心加工工藝，通過合理設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，確保了綜合試驗(yàn)性能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：噴嘴;加工工藝;性能分析

中圖分類號：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0040-02

0? 引言

離心式噴嘴在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中大量應(yīng)用，主要作用是對氧化劑和燃料進(jìn)行流量分配、霧化、混合，使推力室或發(fā)生器具備燃燒和膨脹做功的基本條件。流阻特性和霧化特性作為噴嘴液流試驗(yàn)重點(diǎn)考察性能要求，是噴嘴制造過程中需要重點(diǎn)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1? 噴嘴加工工藝

噴嘴材料設(shè)計(jì)選材為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，其組織類別為奧氏體型，由于該類型不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性、成形性、相容性以及在很寬溫度范圍內(nèi)的強(qiáng)韌性等系列特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，我國生產(chǎn)非常成熟，一般對其熱處理是進(jìn)行固溶，根據(jù)需要進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

1.1 噴嘴加工性能分析

不銹鋼熱處理前后均可進(jìn)行加工，具體到噴嘴，因其尺寸較小，所以可選用進(jìn)行熱處理后奧氏體狀態(tài)加工工藝。由于其伸長率較大，噴嘴完全可以采用冷收口的工藝進(jìn)行加工。由于該材料加工時(shí)發(fā)粘，對刀具和機(jī)床轉(zhuǎn)速都有要求，尤其是針對小孔的鉆削工序更應(yīng)引起重視。

1.2 加工工藝風(fēng)險(xiǎn)、難點(diǎn)

因噴嘴切向孔孔徑較小，材料又是不銹鋼，切削時(shí)發(fā)粘，這樣加工成的小孔的形狀精度、孔內(nèi)粗糙度等將會(huì)影響噴嘴的流量，因此，微小切向孔的加工可確定為加工難點(diǎn)。對加工中難點(diǎn)都要進(jìn)行仔細(xì)分析，試加工，嚴(yán)格控制兩道工序。

2? 噴嘴加工工藝設(shè)計(jì)、確定

2.1 噴嘴殼體的加工過程

工藝工序見圖1。

2.2 噴嘴技術(shù)要求

①有配合要求的圓柱面或工作面同軸度要求0.03-0.05mm;

②圓柱面與軸垂直度要求≤0.05mm;

③切向孔孔徑公差一般為+0.02mm。

2.3 殼體粗、精車

①殼體加工采用軟爪裝夾定位，定位時(shí)控制徑向、軸向的跳動(dòng)量在0.03mm內(nèi)。

②燃料或氧化劑經(jīng)過的腔體盡量一次裝夾加工完成，以保證各液流腔體平滑過渡及各腔的同軸性;對于一次裝夾加工困難，需要倒頭對接的，在加工后，需先采用鉆頭或鉸刀將內(nèi)腔交接處的毛刺去除，然后采用砂紙進(jìn)行打磨，保證對接棱邊，無劃痕、毛刺。

③噴嘴采用數(shù)控精密小車，是為小型軸類零件、盤類零件的高效率生產(chǎn)而開發(fā)的精密數(shù)控設(shè)備。大型鑄件采用高強(qiáng)度、低應(yīng)力的密烘鑄鐵;采用日本THK精密直線導(dǎo)軌、絲杠和臺(tái)灣高速精密主軸。具有高剛性、高精度、高效率和可靠性高的特點(diǎn)，不僅適合加工各種合金鋼、不銹鋼的精密零件，而且加工銅、鋁合金等有色金屬零件尤為出色。設(shè)備主要參數(shù)見表1。

④噴嘴噴口狀態(tài)對噴嘴霧化質(zhì)量有決定性影響，對于霧化均勻性要求高的噴嘴，在滿足設(shè)計(jì)圖紙要求的前提下，需對噴嘴噴口用砂紙進(jìn)行拋光，并在至少30倍顯微鏡下檢查是否存在缺陷。

⑤噴嘴常見的材料有不銹鋼、高溫合金、白銅等，各材料粗、精車推薦的工藝參數(shù)及機(jī)床如表2所示。

2.4 切向小孔加工

①噴嘴切向孔機(jī)械加工一般可分為鉆模加工與銑鉆加工兩種;

②兩種加工方式特點(diǎn)，見表3。

現(xiàn)噴嘴均由加工中心銑鉆完成切向孔。

③銑鉆加工切向孔是先用微型銑刀劃平臺(tái)，然后再鉆、鉸孔到要求孔徑。當(dāng)采用加工中心或數(shù)控銑床加工時(shí)，銑刀直徑比最終孔徑小0.05-0.1mm，其余參數(shù)詳見表4。

2.5 鉗工去毛刺

噴嘴毛刺主要集中在切向孔入口及切向孔出口與內(nèi)腔的交接處，去毛刺過程及參數(shù)如下：

①外圓粗去毛刺：自制工裝將噴嘴裝夾在臺(tái)鉆上，轉(zhuǎn)速1500-2000r/min，用什錦銼刀將外圓0.1mm以上的大毛刺及入口突起清除干凈。

②內(nèi)腔粗鉸毛刺：用比內(nèi)腔直徑小0.01-0.03mm的專用鉸刀，裝夾在臺(tái)鉆上，轉(zhuǎn)速500-800r/min，將內(nèi)腔與切向孔交界處的大毛刺鉸除。

③粗鉸切向孔翻邊毛刺：采用比孔徑小0.005-0.01mm 的鉸刀，在鉆床上，將切向孔與內(nèi)腔交界處翻邊毛刺鉸除。

④外圓精去毛刺：自制工裝將噴嘴裝夾在臺(tái)鉆上，轉(zhuǎn)速1500-2000r/min，用什錦細(xì)銼刀將外圓毛刺清除干凈。

⑤內(nèi)腔精鉸毛刺：用比內(nèi)腔直徑小0.01-0.03mm的專用鉸刀，裝夾在臺(tái)鉆上，轉(zhuǎn)速500-800r/min，將內(nèi)腔與切向孔交界處的毛刺鉸除。

⑥精鉸切向孔翻邊毛刺：采用比孔徑小0.005-0.01mm 的鉸刀，在鉆床上，將切向孔與內(nèi)腔交界處翻邊毛刺再次鉸除。

⑦內(nèi)腔精拋毛刺：在小型臥式車床上，將150-180目細(xì)砂紙纏在油石頭上，拋光切向孔附近得內(nèi)腔，將毛刺清除。

⑧疏通切向孔：用比孔徑小0.005-0.01mm左右的銷棒，疏通切向孔。

⑨切向孔毛刺去除完成后，需采用顯微鏡對切向孔毛刺進(jìn)行檢查，放大倍數(shù)不低于30倍，且切向孔進(jìn)、出口狀態(tài)需滿足相關(guān)技術(shù)文件要求。

2.6 流試驗(yàn)與返修

噴嘴液流不合格或配套比例不滿足要求時(shí)，設(shè)計(jì)技術(shù)文件一般允許通過鉸孔或切向孔入口倒角的方式滿足要求。對于技術(shù)要求倒角保證流量的，需要滿足以下要求：

①倒角時(shí)，雙手端持噴嘴，臺(tái)鉆轉(zhuǎn)速為1000-1500r/min，切向孔向上正對鉆頭，鉆頭角度約120°。

②倒角后，采用約17°的油石尖角，對倒角后的棱邊均勻鈍化，并在至少30倍顯微鏡下檢查切向孔入口毛刺。

2.7 質(zhì)量檢測

①噴嘴尺寸需全檢全測量，為適應(yīng)大批量生產(chǎn)需求，對于采用數(shù)控加工的尺寸，在工藝規(guī)程中已經(jīng)明確機(jī)床、加工程序、刀具更換頻率、抽檢比例等參數(shù)的前提下，允許采用首件、中間件、尾件抽檢的方式進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)。

②切向孔孔徑檢測應(yīng)采用塞規(guī)檢測;切向孔定位尺寸推薦采用插銷棒，測量銷棒與定位面的距離，然后再加上銷棒半徑的方式進(jìn)行測量，銷棒直徑比孔徑小0.005-0.01mm，不得晃動(dòng);切向孔偏心距推薦采用插校棒，然后三坐標(biāo)或萬能工具顯微鏡進(jìn)行測量，銷棒直徑比孔徑小0.005-0.01mm，不得晃動(dòng);切向孔毛刺在至少30倍顯微鏡下進(jìn)行檢查。

3? 結(jié)論

噴嘴作為燃?xì)獍l(fā)生器的重要單元，主要研究了噴嘴技術(shù)要求，殼體的粗、精車、切向小孔加工、鉗工去毛刺、液流試驗(yàn)與返修、質(zhì)量檢測等相關(guān)工藝參數(shù)和要求。在經(jīng)過相應(yīng)試驗(yàn)后，噴嘴的加工合格率和質(zhì)量有了大幅提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國球，胡平信.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的回顧與發(fā)展[J].推進(jìn)技術(shù)，1988（4）：2-6.

[2]宋大亮，凌前程，章榮軍.雙組元離心式噴嘴外噴嘴流動(dòng)數(shù)值模擬分析 [J].火箭推進(jìn)，2018（4）：10-15.

[3]朱寧昌.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)（上）[M].北京：中國宇航出版社，1994.

[4]曹建明.液體噴霧學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[5]黎明，沈輝.一種離心式噴嘴的精密車削技術(shù).上?？臻g推進(jìn)研究所.