CN111397834A - 一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法。该加工方法包括以下步骤：加工蜂窝器的蜂窝位置圆孔，制作专用的阵列式电极装置，将电火花机床主轴与阵列式电极装置的工装底座的下表面固定连接；使用阵列式电极装置，通过电火花加工制造蜂窝器。本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法解决了大口径高超声速风洞蜂窝器制造问题，制造出的高超声速风洞蜂窝器强度好、变形小，能够满足高超声速风洞使用要求。本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法步骤简单、加工效率高、工作可靠，可推广应用于加工需要承受高温高压、并要求对气流进行整流的类似蜂窝器的容器或设备。

Description

一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞试验设备领域，具体涉及一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法。
背景技术
在风洞中，为在喷管出口获得湍流度较低的均匀流动，降低风洞运行气流脉动，提高风洞流场品质，需要在上游面积较大的稳定段内布置一系列的整流装置，以使风洞上游产生的大尺度、非各向同性的旋涡在惯性力的作用下向小尺度旋涡转化，小尺度涡又在粘性耗散的作用下形成充分发展的湍流。
蜂窝器是一种能将大尺度旋涡分割成小尺度涡的整流装置。在高超声速风洞中，蜂窝器安装方式一般有两种，一种是将蜂窝器夹在稳定段直段与锥段的法兰之间，另一种是将蜂窝器安装在一个端法兰的沉孔内。
高超声速风洞的运行马赫数大于4.5以后，需要采用管式或蓄热式等加热器对气流进行加热以防止气流冷凝，气流加热的温度最高达到1082K，气流压力达到12.0MPa，因此，高超声速风洞蜂窝器研制中需要考虑承受高温高压的问题。另外，由于高超声速风洞启动瞬间冲击大，高超声速风洞蜂窝器必定会承载较大的冲击载荷，在结构强度计算时，高超声速风洞蜂窝器还要考虑3倍的冲击因子。
低速风洞或者跨声速风洞蜂窝器采用的一种工艺是利用精密冲载落料模具以及精压成型模具完成蜂窝器单元下料到最终成型，然后将加工的各个单元在精度定位板上集成并点焊为整体蜂窝块；另一种工艺是用不锈钢卷板制作六角管，六角管在组装模具上组装，并通过点焊相邻六角管壁，将六角管组装成蜂窝器。但是，这两种工艺方法生产的蜂窝器都不能承载高温高压以及大冲击载荷，满足不了高超声速风洞运行工况要求。
高超声速风洞蜂窝器材料一般选用不锈钢锻件，要求孔内壁(气流通道)的粗糙度优于6.3μm，各个正六边形与整流栅两侧面垂直度优于0.12mm，尖角≤R0.3mm，六边形孔前后两端六个边壁厚一致，厚度偏差≤0.2mm，六个边长度一致，长度偏差≤0.1mm。
为了确保加工精度，高超声速风洞蜂窝器通常采用整体锻件材料整体加工制造的方法，整体加工常用的方式是线切割方式，需要加工线切割走线孔，但大口径高超声速风洞蜂窝器的正六边形孔多达上万个，为了达到对气流整流效果，孔的深一般超过120mm，如果采用线切割方式，24小时不间断加工，经测算需要两年半时间，制造周期和成本较高，无法满足高超声速风洞设备建设周期以及使用要求。
为了使得高超声速风洞蜂窝器能够承受高温高压以及大冲击载荷，达到加工精度要求，缩短设备加工制造周期并降低制造成本，当前，亟需发展一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，蜂窝器的蜂窝的内切圆直径为D，蜂窝的壁厚为t，包括以下步骤：
a.加工蜂窝器的蜂窝位置圆孔：蜂窝器的外轮廓尺寸全部完成精加工后，在数控钻床上进行蜂窝器的蜂窝位置圆孔加工，得到加工件；
b.制作专用的阵列式电极装置：阵列式电极装置包括具有矩形阵列的电极头安装杆、工装底座和电极头；工装底座为方形金属板；矩形阵列的电极头安装杆安装在工装底座上表面的安装孔内，安装孔的数量大于等于电极头安装杆的数量；每个电极头安装杆的顶端安装有电极头；矩形阵列数为m*n，m为行数，n为列数；
c.将电火花机床主轴与阵列式电极装置的工装底座的下表面固定连接；
d.使用阵列式电极装置，通过电火花加工制造蜂窝器。
所述的步骤a中的圆孔加工时，钻孔的直径比D小0.5mm～1mm。
所述的电极头安装杆的材质为碳钢或不锈钢
所述的电极头的材质为石墨。
所述的步骤d包括以下步骤：
d1.根据蜂窝器的尺寸确定电火花机床的X向、Y向和Z向行程，X向、Y向行程大于蜂窝器的外径，Z向行程大于蜂窝器的厚度；
d2.将步骤a完成的加工件放置到电火花机床的油槽盒内，找正加工件水平度，确定加工的初始位置；
d3.模拟加工过程，根据编程情况，观察每个加工位置处阵列式电极装置的电极头与蜂窝位置圆孔匹配情况，发现偏差就进行程序补偿或调整加工件位置，要求每模拟完成一个加工位置，阵列式电极装置均能够自动退出，再根据操作者的输入指令走到下一个加工位置，直至模拟完成所需的加工位置；
d4.油槽盒加入工作液，开始进行蜂窝器加工。
所述的步骤d2的加工件水平度小于等于0.01mm。
所述的步骤d2的初始位置的要求为电极头的中心与蜂窝位置圆孔中心重合。
所述的步骤d3中，选择走横向方向时，X向行程的进给量为2D，Y向行程的进给量为(D+t)/2；选择走纵向方向时，X向行程不变，Y向行程的进给量为(D+t)*m。
所述的步骤d4的工作液为煤油。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法的阵列式电极装置中的电极头材料选用石墨，是因为石墨具有熔点、沸点温度高，耐腐蚀性高，热容量大，耐消耗，耐高温，变形小，质量轻，加工效率高的优点。电极头为消耗品。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法的阵列式电极装置中的电极头安装杆的矩形阵列数m*n根据蜂窝器口径、一次希望加工完成的数量、机床脉冲电源的功率以及产品总工期要求综合确定。阵列电极装置中的安装孔的数量大于等于电极头安装杆的数量，是为了便于根据生产进度要求灵活增加电极头安装杆数量，进一步缩短制造周期。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法的阵列式电极装置的质量直接影响包括加工效率、几何精度以及表面粗糙度在内的加工工艺指标，因此，要求阵列式电极装置具备有一定的轴向刚度和精度，有足够的进给行程，运动的直线性和防扭转性能好。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法具有以下优点：
1.可根据蜂窝器的蜂窝的数量和加工位置要求，随时调整电极头的数量；
2.阵列式电极装置具有多头电极，多头电极同时加工能够大大缩短大口径高超声速风洞蜂窝器生产制造周期，相比线切割方式，生产制造周期缩短接近三分之二的时间；
3.加工精度高，蜂窝过流通道的内壁面粗糙度达到6.3μm，蜂窝各个正六边形与整流栅两侧面垂直度优于0.12mm，蜂窝前后两端面的六边形孔的六个边壁厚基本一致，厚度偏差优于0.1mm。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法解决了大口径高超声速风洞蜂窝器制造问题，制造出的高超声速风洞蜂窝器强度好、变形小，能够满足高超声速风洞使用要求。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法步骤简单、加工效率高、工作可靠，可推广应用于加工需要承受高温高压、并要求对气流进行整流的类似蜂窝器的容器或设备。
附图说明
图1a为高超声速风洞蜂窝器立体图；
图1b为高超声速风洞蜂窝器局部平面图；
图2为本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法中使用的阵列式电极装置的立体图；
图3a为本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法中使用的阵列式电极装置的电极头安装杆剖面图；
图3b为本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法中使用的阵列式电极装置的电极头安装杆侧视图。
图4a为本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法中使用的阵列式电极装置的工装底座安装孔俯视图；
图4b为本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法中使用的阵列式电极装置的工装底座安装孔剖面图；
图5为本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法的加工进刀过程示意图。
图中，1.电极头安装杆 2.工装底座 3.电极头 4.蜂窝器 5.安装孔 6.内螺纹孔7.沉头螺钉孔Ⅰ 8.沉头螺钉孔Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1a、1b所示，蜂窝器4的蜂窝的内切圆直径为D，蜂窝的壁厚为t。
本发明的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法包括以下步骤：
a.加工蜂窝器4的蜂窝位置圆孔：蜂窝器4的外轮廓尺寸全部完成精加工后，在数控钻床上进行蜂窝器4的蜂窝位置圆孔加工，得到加工件；
b.制作专用的阵列式电极装置：如图2所示，阵列式电极装置包括具有矩形阵列的电极头安装杆1、工装底座2和电极头3；工装底座2为方形金属板；如图3a、3b所示的矩形阵列的电极头安装杆1安装在工装底座2上表面如图4a、4b所示的安装孔5内，安装孔5的数量大于等于电极头安装杆1的数量；每个电极头安装杆1的顶端安装有电极头3；矩形阵列数为m*n，m为行数，n为列数；
c.将电火花机床主轴与阵列式电极装置的工装底座2的下表面固定连接；
d.使用阵列式电极装置，通过电火花加工制造蜂窝器4。
所述的步骤a中的圆孔加工时，钻孔的直径比D小0.5mm～1mm。
所述的电极头安装杆1的材料为碳钢或不锈钢。
所述的电极头3的材质为石墨。
所述的步骤d包括以下步骤：
d1.根据蜂窝器4的尺寸确定电火花机床的X向、Y向和Z向行程，X向、Y向行程大于蜂窝器4的外径，Z向行程大于蜂窝器4的厚度；
d2.将步骤a完成的加工件放置到电火花机床的油槽盒内，找正加工件水平度，确定加工的初始位置；
d3.模拟加工过程，根据编程情况，观察每个加工位置处阵列式电极装置的电极头3与蜂窝位置圆孔匹配情况，发现偏差就进行程序补偿或调整加工件位置，要求每模拟完成一个加工位置，阵列式电极装置均能够自动退出，再根据操作者的输入指令走到下一个加工位置，直至模拟完成所需的加工位置；
d4.油槽盒加入工作液，开始进行蜂窝器4加工。
所述的步骤d2的加工件水平度小于等于0.01mm。
所述的步骤d2的初始位置的要求为电极头3的中心与蜂窝位置圆孔中心重合。
所述的步骤d3中，如图5所示，选择走横向方向时，X向行程的进给量为2D，Y向行程的进给量为(D+t)/2；选择走纵向方向时，X向行程不变，Y向行程的进给量为(D+t)*m。
所述的步骤d4的工作液为煤油。
实施例1
本实施例的工装底座2的方形金属板的上表面开有与蜂窝器4的蜂窝相对应的矩阵排列的正六边形的安装孔5，安装孔5为盲孔，方形金属板的下表面开有与安装孔5对应的矩阵排列的沉头螺钉孔Ⅰ7；安装孔5内切圆的直径为D-4mm，安装孔5在水平方向的孔间距为2D，安装孔5在竖直方向的孔间距为D+t；安装孔5的位置度精度为IT6级精度。
电极头安装杆1的上端和下端均加工成正六棱柱Ⅰ，正六棱柱Ⅰ内切圆的直径为D-4mm，正六棱柱Ⅰ的高度为3mm～5mm；电极头安装杆1的上端和下端均设置有与电极头安装杆1同轴的内螺纹孔6；电极头安装杆1下端的正六棱柱Ⅰ通过依次穿过沉头螺钉孔Ⅰ7和内螺纹孔6的沉头螺钉安装在工装底座2上表面的安装孔5内；各电极头连接杆1之间的相对位置偏差在±0.05mm之内。
电极头3为正六棱柱Ⅱ，正六棱柱Ⅱ与蜂窝器4的蜂窝的尺寸相同，正六棱柱Ⅱ的内切圆直径为D；电极头3的上端开有与电极头3同轴线的沉头螺钉孔Ⅱ8，电极头3的下端开有与正六棱柱Ⅰ装配的正六棱柱孔，正六棱柱孔的内切圆直径为D-4mm；电极头3的下端从上至下套装在电极头安装杆1上端的正六棱柱Ⅰ上，电极头3通过依次穿过沉头螺钉孔Ⅱ8和内螺纹孔6的沉头螺钉安装在电极头安装杆1的上端。
电极头安装杆1的材质为碳钢或不锈钢。
电极头安装杆1中段的截面形状为圆形，圆形的直径为D-2mm。或者，电极头安装杆1中段的截面形状为正六边形，正六边形的内切圆直径为D-2mm。
电极头安装杆1与电极头3过渡配合，电极头安装杆1与工装底座2的安装孔5过渡配合。
内螺纹孔6的深度为5mm～8mm。
为了提高蜂窝器碎涡效果，综合考虑通气率和制造周期，具体而言，本实施例的高超声速风洞蜂窝器4的蜂窝内切圆直径D＝13mm，壁厚t＝2mm；取安装孔5内切圆的直径为9mm，安装孔5在水平方向的孔间距为26mm，安装孔5在竖直方向的孔间距为15mm；取电极头安装杆1的上端和下端的正六棱柱Ⅰ内切圆的直径为9mm，正六棱柱Ⅰ的高度和安装孔5的深度均为5mm；取内螺纹孔6的深度为5mm；取电极头安装杆1的矩形阵列为6行4列。
蜂窝器4加工过程中，阵列式电极装置选择走横向方向时，X向行程的进给量为D＝13mm，Y向行程的进给量为(D+t)/2＝7.5mm；选择走纵向方向时，X向行程不变，Y向行程的进给量为(D+t)*m＝90mm。

Claims (9)

1.一种大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，蜂窝器(4)的蜂窝的内切圆直径为D，蜂窝的壁厚为t，其特征在于，包括以下步骤：
a.加工蜂窝器(4)的蜂窝位置圆孔：蜂窝器(4)的外轮廓尺寸全部完成精加工后，在数控钻床上进行蜂窝器(4)的蜂窝位置圆孔加工，得到加工件；
b.制作专用的阵列式电极装置：阵列式电极装置包括具有矩形阵列的电极头安装杆(1)、工装底座(2)和电极头(3)；工装底座(2)为方形金属板；矩形阵列的电极头安装杆(1)安装在工装底座(2)上表面的安装孔(5)内，安装孔(5)的数量大于等于电极头安装杆(1)的数量；每个电极头安装杆(1)的顶端安装有电极头(3)；矩形阵列数为m*n，m为行数，n为列数；
c.将电火花机床主轴与阵列式电极装置的工装底座(2)的下表面固定连接；
d.使用阵列式电极装置，通过电火花加工制造蜂窝器(4)。
2.根据权利要求1所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的步骤a中的圆孔加工时，钻孔的直径比D小0.5mm～1mm。
3.根据权利要求1所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的电极头安装杆(1)的材料为碳钢或不锈钢。
4.根据权利要求1所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的电极头(3)的材质为石墨。
5.根据权利要求1所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的步骤d包括以下步骤：
d1.根据蜂窝器(4)的尺寸确定电火花机床的X向、Y向和Z向行程，X向、Y向行程大于蜂窝器(4)的外径，Z向行程大于蜂窝器(4)的厚度；
d2.将步骤a完成的加工件放置到电火花机床的油槽盒内，找正加工件水平度，确定加工的初始位置；
d3.模拟加工过程，根据编程情况，观察每个加工位置处阵列式电极装置的电极头(3)与蜂窝位置圆孔匹配情况，发现偏差就进行程序补偿或调整加工件位置，要求每模拟完成一个加工位置，阵列式电极装置均能够自动退出，再根据操作者的输入指令走到下一个加工位置，直至模拟完成所需的加工位置；
d4.油槽盒加入工作液，开始进行蜂窝器(4)加工。
6.根据权利要求5所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的步骤d2的加工件水平度小于等于0.01mm。
7.根据权利要求5所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的步骤d2的初始位置的要求为电极头(3)的中心与蜂窝位置圆孔中心重合。
8.根据权利要求5所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的步骤d3中，选择走横向方向时，X向行程的进给量为2D，Y向行程的进给量为(D+t)/2；选择走纵向方向时，X向行程不变，Y向行程的进给量为(D+t)*m。
9.根据权利要求5所述的大口径高超声速风洞蜂窝器的加工方法，其特征在于，所述的步骤d4的工作液为煤油。
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