CN109623277A - 一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：步骤1:钻内孔，孔径小于喉孔直径，作为车削底孔；步骤2：粗车，快速去除多余的材料，为精车做准备。步骤3，精车，将离喉孔较远，型面直径较大的区域精车至要求的最终尺寸；离喉孔较近，型面直径较小的区域精车至留0.15mm左右加工余量。步骤4：铰孔，利用成型铰刀将喉道加工到最终的型面要求。本发明利用成型铰刀加工喉道喉孔附近内型面的方法，避免了车削过程中出现的严重的让刀问题，提高了加工精度，解决了激波风洞高马赫数喉道内型面高精度加工问题，提高了流场品质。

Description

一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法
技术领域
本发明涉及一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，属于高超声速激波风洞工程领域。
背景技术
激波风洞是一种特殊的高超声速风洞，激波风洞是通过激波的压缩来提高风洞来流总温，激波风洞结构很简单，造价也比较低廉，随着现代测试技术的发展，能够承担大部分的高超声速气动力和气动热测量试验，在新型号的气动外形研制过程中起着越来越重要的作用。激波风洞喷管是产生高超声速气流的管件设备，由于喷管较长，一般分段进行加工，其中喷管的喉道段内型面先收缩后扩张，是影响风洞流场品质的核心部件。喉道段内型面尺寸较小，要求的精度和粗糙度较高，加工难度大。喉道中型面直径最小的位置称作喉孔，一般采用车削加工，加工过程中由于直径很小，且深度较深，存在严重的让刀现象，最终的加工精度和粗糙度很难保证。
高马赫数喷管的喉道在使用过程中通过的气流通常焓值较高(4000K以上)，对于喉道的抗烧蚀及耐冲刷性要求更高，目前的解决方法往往采用耐高温金属，例如钨锆钼合金，价格昂贵。如何提供一种价格低廉，精度较高，耐烧蚀性好的喉道是高马赫数激波风洞领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，通过成型铰刀保证加工精度，通过增加涂层提高耐烧蚀性。
本发明的技术解决方案是：
提供一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，包括如下步骤：
步骤1：在坯料上沿喉道轴线钻内孔，孔径小于喉孔直径，作为车削底孔；
步骤2：按照喉道型面进行粗车，并保留粗加工余量；
步骤3：精车，将收缩段和扩张段中直径大于阈值的部分，加工至最终尺寸；直径不大于阈值的部分保留精加工余量；
步骤4：利用第一前段成型铰刀加工收缩段直径不大于阈值的部分，第一后段成型铰刀加工扩张段直径不大于阈值的部分，第一前段成型铰刀加工获得的型面的各截面尺寸均大于该段目标截面尺寸h；第一后段成型铰刀加工获得的型面的各截面尺寸均大于该段目标截面尺寸h；
步骤5：在直径不大于阈值的部分内部均匀涂刷耐高温防氧化涂料材料，材料的涂覆厚度大于h；
步骤6：将整个喉道段进行固化；
步骤7：固化后冷却至室温，利用第二前段成型铰刀加工收缩段直径不大于阈值的部分，第二后段成型铰刀加工扩张段直径不大于阈值的部分，加工获得最终的喉道型面。
优选的，所述第一、第二前段成型铰刀和第一、第二后段成型铰刀的刃数为4个或6个。
优选的，粗加工余量为0.5～1mm，精加工余量0.1～0.2mm。
优选的，h取0.1～0.2mm。
优选的，阈值取40～50mm。
优选的，涂料材料采用志盛ZS-1023的超高温防氧化涂层。
优选的，材料的涂覆厚度为0.2～0.3mm。
优选的，固化的方法为：将整个喉道段放入马弗炉中加热至500～600℃，持续设定时间进行固化。
优选的，第一前段成型铰刀，包括成型段和导向段，收缩段直径不大于阈值的部分向外扩大h形成收缩段过型面，成型段的型面为收缩段过型面；导向段的型线为直线，直径为喉道直径加2h；
第一后段成型铰刀，包括成型段和导向段，扩张段直径不大于阈值的部分向外扩大h形成扩张段过型面，成型段的型面为扩张段过型面，导向段的型线为直线，直径为喉道直径加2h。
优选的，第二前段成型铰刀包括成型段和导向段，成型段与收缩段直径不大于阈值的部分型面相同，导向段的型线为直线，直径与喉道直径相同；第二后段成型铰刀包括成型段和直线段，成型段与扩张段直径不大于阈值的部分型面相同，导向段的型线为直线，直径与喉道直径相同。
本发明具有以下优点及突出性效果：
(1)本发明利用成型铰刀加工喉道喉孔附近内型面的方法，避免了车削过程中出现的严重的让刀问题，提高了加工精度，解决了激波风洞高马赫数喉道内型面高精度加工问题，提高了流场品质。
(2)本发明首次在喉道内部设置无机非金属涂层，解决了风洞喷管喉道在高焓条件下容易烧蚀的问题，降低冲刷对喉道的损伤。
(3)本发明涂层进行固化及二次加工，保证了喉道内型面的粗糙度满足流场的品质要求。
(4)一旦喉道内发生烧蚀，则可去除该涂层后重新涂刷一层涂层，再次进行加工后即可继续使用该喷管，节约了成本，提供了喷管的使用寿命。
附图说明
图1为喉道段精加工完后的示意图；其中喉道段1，前段成型铰刀2，后段成型铰刀3，a-b-o-c-d型线为喉道段要求加工的最终型线，a-b1-o1-c1-d曲线为精加工后喉道达到的尺寸，b2-o2-c2为过加工型线；m-n-p、s-t-q分别为两把成型铰刀的型线。
具体实施方式
如图1所示喉道段的内型面包括收缩段ao、喉孔o、扩张段od，其中型面直径较大(例如，直径大于50mm)，便于加工的部分为ab，cd段，难于加工的部分为bo、oc段。
设置第一前段成型铰刀，刀刃的型线mn与喉道b2o2段型线一致；
设置第一后段成型铰刀，刀刃的型线ts与喉道o2c2段型线一致；
一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，步骤如下：
步骤1:采用钻床钻内孔，孔径小于喉孔直径，作为车削底孔；
步骤2：车床采用粗车刀具进行粗车，快速去除多余的材料，为精车做准备。
步骤3，车床采用精车刀具进行精车，将型面直径较大的图示a-b段和c-d段区域精车至要求的最终尺寸；离喉孔较近，型面直径较小的b-o-c段区域精车至b1-o1-c1型线，留0.15mm左右加工余量，即b1-o1-c1型线内对应点与b-o-c段对应点纵坐标相差0.15mm左右。
步骤4：铰孔，利用第一前段成型铰刀2加工bo段，第二后段成型铰刀3加工oC段，进行过加工0.2mm左右，即b1-o1-c1的基础上均匀去除0.35mm，至b2-o2-c2。
步骤5：在b-o-c段内部均匀涂刷0.3mm厚涂料，材料采用牌号为志盛ZS-1023的超高温防氧化涂层。
步骤6：将整个喉道段放入马弗炉中加热至500～600℃，持续30min进行固化。使得涂层材料中的有机材料挥发，以保证使用过程中流场中不受挥发气体的污染。
步骤7：固化后冷却至室温，利用第二前段成型铰刀2加工bo段，第二后段成型铰刀3加工oC段，加工获得最终的型面a-b-o-c-d。
两种前段和后段成型铰刀，刃数为4个或6个，铰刀刃型根据喉道内型面进行加工，刃数过少影响加工精度，刃数过多不利于排屑。
两种前段成型铰刀的形状和结构均相同，但径向尺寸不同分别对应型面b2o2和bo；两种后段成型铰刀的形状和结构均相同，但径向尺寸不同分别对应型面o2c2和oc；
以第二前段成型铰刀2为例，刃型根据喉孔前的喉道内型面尺寸加工，即铰刀型线mn按照喉道型线bo加工，第二后段成型铰刀3，刃型根据喉孔后的喉道内型面尺寸加工，即铰刀型线st按照喉道型线co加工；tq、np段为直段，直径为喉孔直径，该段的长度为5mm。喉孔前后内型面b-o-c段的最终尺寸分别由这两把铰刀分两个工序完成，其中前段成型铰刀2进刀至使n点与o点重合的位置，后段成型铰刀3进刀至使t点与o点重合的位置。
所述的加工方法，整个加工过程在数控车床完成。
利用成型铰刀加工喉道喉孔附近内型面的方法，避免了车削过程中出现的严重的让刀问题，提高了加工精度，解决了激波风洞高马赫数喉道内型面高精度加工问题，提高了流场品质。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在坯料上沿喉道轴线钻内孔，孔径小于喉孔直径，作为车削底孔；
步骤2：按照喉道型面进行粗车，并保留粗加工余量；
步骤3：精车，将收缩段和扩张段中直径大于阈值的部分，加工至最终尺寸；直径不大于阈值的部分保留精加工余量；
步骤4：利用第一前段成型铰刀加工收缩段直径不大于阈值的部分，第一后段成型铰刀加工扩张段直径不大于阈值的部分，第一前段成型铰刀加工获得的型面的各截面尺寸均大于该段目标截面尺寸h；第一后段成型铰刀加工获得的型面的各截面尺寸均大于该段目标截面尺寸h；
步骤5：在直径不大于阈值的部分内部均匀涂刷耐高温防氧化涂料材料，材料的涂覆厚度大于h；
步骤6：将整个喉道段进行固化；
步骤7：固化后冷却至室温，利用第二前段成型铰刀加工收缩段直径不大于阈值的部分，第二后段成型铰刀加工扩张段直径不大于阈值的部分，加工获得最终的喉道型面。
2.根据权利要求1所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：所述第一、第二前段成型铰刀和第一、第二后段成型铰刀的刃数为4个或6个。
3.根据权利要求1所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：粗加工余量为0.5～1mm，精加工余量0.1～0.2mm。
4.根据权利要求3所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：h取0.1～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：阈值取40～50mm。
6.根据权利要求1所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：涂料材料采用志盛ZS-1023的超高温防氧化涂层。
7.根据权利要求5所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：材料的涂覆厚度为0.2～0.3mm。
8.根据权利要求7所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：固化的方法为：将整个喉道段放入马弗炉中加热至500～600℃，持续设定时间进行固化。
9.根据权利要求7所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：第一前段成型铰刀，包括成型段和导向段，收缩段直径不大于阈值的部分向外扩大h形成收缩段过型面，成型段的型面为收缩段过型面；导向段的型线为直线，直径为喉道直径加2h；
第一后段成型铰刀，包括成型段和导向段，扩张段直径不大于阈值的部分向外扩大h形成扩张段过型面，成型段的型面为扩张段过型面，导向段的型线为直线，直径为喉道直径加2h。
10.根据权利要求7所述的激波风洞高马赫数喉道内型面加工方法，其特征在于：第二前段成型铰刀包括成型段和导向段，成型段与收缩段直径不大于阈值的部分型面相同，导向段的型线为直线，直径与喉道直径相同；第二后段成型铰刀包括成型段和直线段，成型段与扩张段直径不大于阈值的部分型面相同，导向段的型线为直线，直径与喉道直径相同。
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