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

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于常规高超声速风洞设备制造
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]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，本专利技术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。
[0009]本专利技术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
∆
r
max
‑
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，当粗糙度平均值小于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，直至粗糙度平均值小于3.2μm；确定粗糙度平均值为输入参数；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，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。
[0010]本专利技术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。本专利技术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。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。
[0011]本专利技术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。
[0012]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。
[0013]本专利技术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
[0014]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为本专利技术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为采用本专利技术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。
[0015]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
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
∆
r
max
‑
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙启志，杨波，陈映东，蒋万秋，范孝华，凌岗，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：