CN114799776B - 一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法 - Google Patents

一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于常规高超声速风洞设备制造技术领域，公开了一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法。该工艺方法基于豪克能加工原理和加工方式。该工艺方法在轴对称喷管内型面的坐标加工偏差范围在±0.03mm之间，表面粗糙度小于3.2μm后，用电子粗糙度仪测量不同位置的粗糙度，求出平均粗糙度值。然后将精加工刀具更换为豪克能加工刀具，将平均粗糙度值作为豪克能刀具振幅，按照高精度加工的数控车床转速和进给量完成豪克能刀具加工。该工艺方法能够大幅度提高轴对称喷管内型面表面的粗糙度，达到镜面水平；通过豪克能刀具的冲击碾压，能够大幅度提高轴对称喷管内型面表面的微观硬度，微观硬度提升量达到20%以上。

Description

一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法
技术领域
本发明属于常规高超声速风洞设备制造技术领域，具体涉及一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法。
背景技术
常规高超声速风洞是高超声速飞行器研制和空气动力学研究的地面模拟试验设备，是飞行器装备试验验证与考核的地面试验基础设施。
轴对称喷管是高超声速风洞的核心部件，其速度场品质性能直接决定了高超声速风洞的流场性能，直接关系到飞行器试验数据的精度和准度，从而关系到飞行器的飞行性能和飞行安全。
常规高超声速风洞轴对称喷管内型面要求表面粗糙度小于1.6μm，内型面曲线坐标加工偏差在±0.03mm之间，轴对称喷管内型面流道具有一定的抗气流冲刷能力。
轴对称喷管内型面表面粗糙度过低会对喷管速度场品质性能产生以下不利影响：
a.导致喷管沿轴线方向的附面层厚度发展逐渐增加，直接影响喷管出口可用于模型试验的流场均匀区大小；
b.造成轴对称喷管内型面表面微观上有较大幅度的凹凸交错现象，超音速试验气流的马赫波经过凹凸区域时会产生一些微弱的膨胀波或压缩波，这些波系通过内型面壁面不断的反射与汇聚，波系强度不断增加，造成喷管流场均匀区内某点或某区域上的马赫数出现跳跃变化，降低了流场速度场品质；
c.导致试验气流在喷管壁面的附面层内气流脉动增加，用于模型试验的流场均匀内噪声水平会升高，对飞行器转捩等试验测量带来偏差。
一套轴对称喷管制造成本高，使用周期较长，一般设计使用寿命为10年以上，而用于高超声速风洞的高速试验气流经过碳钢输气管道、加热器等设备时，会夹带一些锈蚀或颗粒状物体，这些杂质颗粒经过气流加速后，会对轴对称喷管内型面表面造成冲刷，产生一些局部缺陷。提高轴对称喷管内型面表面的抗冲刷能力除了选择抗冲刷的材料加工轴对称喷管外，提高轴对称喷管内型面表面硬度也是很好的措施。
高超声速风洞轴对称喷管对轴对称喷管内型面表面粗糙度有较高的要求，很难通过机床精加工实现，需要采取特种工艺措施来实现。通过材料选取或表面氮化处理工艺提高内表面硬度，会提高造价成本；通过表面氮化处理工艺提高内表面硬度，会对已经完成精加工的内型面表面精度产生不良影响。因此，需要发展一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法。
发明内容
为了满足高超声速风洞轴对称喷管对粗糙度要求，同时提高轴对称喷管内型面的表面硬度，提高轴对称喷管的速度场品质和内型面表面抗冲刷能力，本发明提供了一种提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法。
本发明的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法，包括以下步骤：
S10.完成轴对称喷管部段的粗加工、半精加工；
将轴对称喷管部段的毛坯件按照粗加工工艺要求加工到半精加工状态，得到半精加工后的轴对称喷管部段；将半精加工后的轴对称喷管部段转移到高精度的数控车床上装夹并调整找正；
S20.完成轴对称喷管内型面精加工；
在高精度的数控车床上，将半精加工后的轴对称喷管部段，根据给定的理论型面坐标，按照精加工工艺要求，加工轴对称喷管内型面，得到精加工后的轴对称喷管部段；再用移动式三坐标机在加工位置进行精加工后的轴对称喷管内型面坐标测量，并将测量值与理论型面坐标数据比对，当轴对称喷管内型面坐标尺寸半径加工偏差∆r达到±0.03mm之间，合格率即偏差合格点数量/测点总数量达到98%以上，进入下一步骤；否则以测量的最大加工偏差∆rmax-0.03mm的值作为切削量继续进行精加工，直到满足要求为止；
S30.获得轴对称喷管内型面粗糙度平均值；
在高精度的数控车床上，采用电子粗糙度仪，沿轴对称喷管内型面的母线方向，按照间隔距离小于等于50mm的要求，测量每个位置的表面粗糙度Rai，要求沿轴对称喷管内型面的圆周对称测量至少4条母线，将所有位置的表面粗糙度Rai求和，并求出粗糙度平均值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，当粗糙度平均值
Figure 905209DEST_PATH_IMAGE002
小于3.2μm，进入下一步骤；否则给定切削量继续进行精加工，不断提高轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai，直至粗糙度平均值
Figure 556770DEST_PATH_IMAGE002
小于3.2μm；确定粗糙度平均值
Figure 320195DEST_PATH_IMAGE002
为输入参数；
S40.利用豪克能加工刀具，进行轴对称喷管内型面的冲击碾压加工；
在高精度的数控车床上，用于轴对称喷管内型面精加工的刀具更换为豪克能加工刀具，按照轴对称喷管内型面精加工时的高精度的数控车床转速和进给量，以豪克能刀具振幅A即加工量为粗糙度平均值
Figure 449826DEST_PATH_IMAGE002
，完成轴对称喷管内型面的冲击碾压加工；
S50.重复利用豪克能加工刀具加工，直至轴对称喷管内型面的表面粗糙度符合要求；
退出豪克能加工刀具，用电子粗糙度仪复测轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai，当轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai小于1.6μm时，加工结束；否则，再次调整豪克能刀具振幅A即加工量，继续加工，直至轴对称喷管内型面的表面粗糙度小于1.6μm；
S60.通过测量，获得轴对称喷管内型面坐标尺寸和表面粗糙度；
豪克能加工完成后，采用龙门式或台式三坐标机进行轴对称喷管内型面坐标测量，采用电子粗糙度仪进行轴对称喷管内型面表面粗糙度Rai测量，给出最终的轴对称喷管内型面坐标尺寸和表面粗糙度Rai。
本发明提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法是通过分析表面粗糙度的含义，结合豪克能加工方式而提出的新的加工工艺。本发明提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法，在轴对称喷管内型面的坐标加工偏差范围在±0.03mm之间，表面粗糙度小于3.2μm后，用电子粗糙度仪测量不同位置的粗糙度，求出平均粗糙度值
Figure 998619DEST_PATH_IMAGE002
。然后将精加工刀具更换为豪克能加工刀具，将平均粗糙度值
Figure 555502DEST_PATH_IMAGE002
作为豪克能刀具振幅，按照高精度加工的数控车床转速和进给量完成豪克能刀具加工。
本发明的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法具有以下优点：
1.能够大幅度提高轴对称喷管内型面表面的粗糙度，使得轴对称喷管内型面表面均匀光亮，达到镜面水平；能够提高轴对称喷管流场速度场品质，进一步降低气流噪声水平。
2.能够大幅度提高轴对称喷管内型面表面的微观硬度，微观硬度提升量达到20%以上，大大提高了轴对称喷管内型面表面的耐冲刷性和耐腐蚀性。
本发明的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法能够将轴对称喷管内型面表面加工到镜面水平，可推广应用到对表面粗糙度要求更高的高超声速风洞型面喷管加工。
附图说明
图1为轴对称喷管的轮廓图；
图2为轴对称喷管的结构图；
图3为本发明的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法的流程图；
图4为精加工后的轴对称喷管内型面的表面微观结构示意图；
图5为采用本发明的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法加工后的轴对称喷管内型面的表面微观结构示意图。
图中，1.亚音速收缩段；2.初始膨胀段；3.平行流段；4.喷管喉道段；5.喷管扩散段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
图1为本实施例的轴对称喷管的轮廓图，轴对称喷管的总长度为L，在进行气动设计时一般分为亚音速收缩段1、初始膨胀段2、平行流段3三大部分，亚音速收缩段1的入口直径为Dr，平行流段3的出口直径为Dc。亚音速收缩段1的位置区域为OA段即喷管入口O至最小直径的喷管喉道A处，其作用是均匀加速气流，使气流沿收缩段壁面曲线流动时，流速单调增加，在壁面上避免分离，气流在出口处达到音速气流，同时改善气流的脉动程度，实现喷管喉道A处气流均匀且稳定。初始膨胀段2的位置区域为AB段，其作用是使喉道处的音速气流加速到设计马赫数，并将气流矫直成平行流；平行流段3的区域位置为BC段，在此区域内气流与喷管轴线平行，马赫数达到设计值，并且每个截面马赫数分布均匀。
图2为本实施例的轴对称喷管的结构图，轴对称喷管在结构上划分为喷管喉道段4和喷管扩散段5两种部段类型。喷管喉道段4包括气动设计上划分的亚音速收缩段1以及初始膨胀段2，喷管喉道段4的长度为Dr+0.5Dc，喷管扩散段5包含气动设计上划分的平行流段3。
如图3所示，本实施例的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法，包括以下步骤：
S10.完成轴对称喷管部段的粗加工、半精加工；
将轴对称喷管部段的毛坯件按照粗加工工艺要求加工到半精加工状态，得到半精加工后的轴对称喷管部段；将半精加工后的轴对称喷管部段转移到高精度的数控车床上装夹并调整找正；
S20.完成轴对称喷管内型面精加工；
在高精度的数控车床上，将半精加工后的轴对称喷管部段，根据给定的理论型面坐标，按照精加工工艺要求，加工轴对称喷管内型面，得到精加工后的轴对称喷管部段；再用移动式三坐标机在加工位置进行精加工后的轴对称喷管内型面坐标测量，并将测量值与理论型面坐标数据比对，当轴对称喷管内型面坐标尺寸半径加工偏差∆r达到±0.03mm之间，合格率即偏差合格点数量/测点总数量达到98%以上，进入下一步骤；否则以测量的最大加工偏差∆rmax-0.03mm的值作为切削量继续进行精加工，直到满足要求为止；
S30.获得轴对称喷管内型面粗糙度平均值；
在高精度的数控车床上，采用电子粗糙度仪，沿轴对称喷管内型面的母线方向，按照间隔距离小于等于50mm的要求，测量每个位置的表面粗糙度Rai，要求沿轴对称喷管内型面的圆周对称测量至少4条母线，将所有位置的表面粗糙度Rai求和，并求出粗糙度平均值
Figure 556956DEST_PATH_IMAGE002
，当粗糙度平均值
Figure 490277DEST_PATH_IMAGE002
小于3.2μm，进入下一步骤；否则给定切削量继续进行精加工，不断提高轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai，直至粗糙度平均值
Figure 893576DEST_PATH_IMAGE002
小于3.2μm；确定粗糙度平均值
Figure 886940DEST_PATH_IMAGE002
为输入参数；
S40.利用豪克能加工刀具，进行轴对称喷管内型面的冲击碾压加工；
在高精度的数控车床上，用于轴对称喷管内型面精加工的刀具更换为豪克能加工刀具，按照轴对称喷管内型面精加工时的高精度的数控车床转速和进给量，以豪克能刀具振幅A即加工量为粗糙度平均值
Figure 375690DEST_PATH_IMAGE002
，完成轴对称喷管内型面的冲击碾压加工；
S50.重复利用豪克能加工刀具加工，直至轴对称喷管内型面的表面粗糙度符合要求；
退出豪克能加工刀具，用电子粗糙度仪复测轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai，当轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai小于1.6μm时，加工结束；否则，再次调整豪克能刀具振幅A即加工量，继续加工，直至轴对称喷管内型面的表面粗糙度小于1.6μm；
S60.通过测量，获得轴对称喷管内型面坐标尺寸和表面粗糙度；
豪克能加工完成后，采用龙门式或台式三坐标机进行轴对称喷管内型面坐标测量，采用电子粗糙度仪进行轴对称喷管内型面表面粗糙度Rai测量，给出最终的轴对称喷管内型面坐标尺寸和表面粗糙度Rai。
从图4、图5可以看出，豪克能加工方式能够大幅度提高轴对称喷管内型面表面的粗糙度，将表面粗糙度Rai从6.3μm降至0.8μm，表面加工到镜面水平。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速边界层转捩模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.完成轴对称喷管部段的粗加工、半精加工；
将轴对称喷管部段的毛胚件按照粗加工工艺要求加工到半精加工状态，得到半精加工后的轴对称喷管部段；将半精加工后的轴对称喷管部段转移到高精度的数控车床上装夹并调整找正；
S20.完成轴对称喷管内型面精加工；
在高精度的数控车床上，将半精加工后的轴对称喷管部段，根据给定的理论型面坐标，按照精加工工艺要求，加工轴对称喷管内型面，得到精加工后的轴对称喷管部段；再用移动式三坐标机在加工位置进行精加工后的轴对称喷管内型面坐标测量，并将测量值与理论型面坐标数据比对，当轴对称喷管内型面坐标尺寸半径加工偏差∆r达到±0.03mm之间，合格率即偏差合格点数量/测点总数量达到98%以上，进入下一步骤；否则以测量的最大加工偏差∆rmax-0.03mm的值作为切削量继续进行精加工，直到满足要求为止；
S30.获得轴对称喷管内型面粗糙度平均值；
在高精度的数控车床上，采用电子粗糙度仪，沿轴对称喷管内型面的母线方向，按照间隔距离小于等于50mm的要求，测量每个位置的粗糙度值Rai，要求沿轴对称喷管内型面的圆周对称测量至少4条母线，将所有位置的粗糙度值Rai求和，并求出粗糙度平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，当粗糙度平均值
Figure 328777DEST_PATH_IMAGE002
小于3.2μm，进入下一步骤；否则给定切削量继续进行精加工，不断提高轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai，直至粗糙度平均值
Figure 58967DEST_PATH_IMAGE002
小于3.2μm；确定粗糙度平均值
Figure 838704DEST_PATH_IMAGE002
为输入参数；
S40.利用豪克能加工刀具，进行轴对称喷管内型面的冲击碾压加工；
在高精度的数控车床上，用于轴对称喷管内型面精加工的刀具更换为豪克能加工刀具，按照轴对称喷管内型面精加工时的高精度的数控车床转速和进给量，以豪克能刀具振幅A即加工量为粗糙度平均值
Figure 233914DEST_PATH_IMAGE002
，完成轴对称喷管内型面的冲击碾压加工；
S50.重复利用豪克能加工刀具加工，直至轴对称喷管内型面的表面粗糙度符合要求；
退出豪克能加工刀具，用电子粗糙度仪复测轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai，当轴对称喷管内型面的表面粗糙度Rai小于1.6μm时，加工结束；否则，再次调整豪克能刀具振幅A即加工量，继续加工，直至轴对称喷管内型面的表面粗糙度小于1.6μm；
S60.通过测量，获得轴对称喷管内型面坐标尺寸和表面粗糙度；
豪克能加工完成后，采用龙门式或台式三坐标机进行轴对称喷管内型面坐标测量，采用电子粗糙度仪进行轴对称喷管内型面表面粗糙度Rai测量，给出最终的轴对称喷管内型面坐标尺寸和表面粗糙度Rai；
所述的提高轴对称喷管内型面表面粗糙度和硬度的工艺方法，在轴对称喷管内型面的坐标加工偏差范围在±0.03mm之间，表面粗糙度小于3.2μm后，用电子粗糙度仪测量不同位置的粗糙度，求出平均粗糙度值
Figure 110603DEST_PATH_IMAGE002
；然后将精加工刀具更换为豪克能加工刀具，将平均粗糙度值
Figure 933065DEST_PATH_IMAGE002
作为豪克能刀具振幅，按照高精度加工的数控车床转速和进给量完成豪克能刀具加工；
提高轴对称喷管内型面表面的粗糙度，使得轴对称喷管内型面表面达到镜面；提高轴对称喷管流场速度场品质，降低气流噪声水平；
提高轴对称喷管内型面表面的微观硬度，微观硬度提升量达到20%以上，提高轴对称喷管内型面表面的耐冲刷性和耐腐蚀性。
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