何衛(wèi)東，詹海鵬，史 勇

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

0 引言

汽蝕文氏管-汽蝕管結構為喉部呈收斂/擴張型面的喇叭狀部件，當流體流過汽蝕管，汽蝕管喉部發(fā)生汽蝕后，只要汽蝕管入口壓力保持不變，則汽蝕管出口流量可保持不變，該流量大小不受反壓變化的影響，并能抑制脈動壓力反向傳遞，從而保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。汽蝕管結構簡單、體積小、經濟耐用，流量調節(jié)精度高，能抑制系統(tǒng)振動，降低系統(tǒng)工作噪聲，廣泛應用于空調和液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)。汽蝕管一般在腐蝕性或低溫介質中工作，常用1Cr18Ni9Ti不銹鋼或純鎳材料制成?？讖捷^大的汽蝕管一般采用切削加工工藝制造，孔徑小于2毫米的汽蝕管通常采用切削加工和電鑄鎳相結合的工藝制造。

液體火箭發(fā)動機發(fā)生器氧化劑路副系統(tǒng)汽蝕管結構示意圖見圖1。設計要求見表1。

圖1 汽蝕管結構示意圖Fig.1 Structure diagram of cavitating venturi

表1 汽蝕管設計要求Tab.1 Design requirements of cavitating venturi

汽蝕管材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼棒材，汽蝕管內腔收斂段為60°錐孔，入口直徑為Φ3 mm，喉部直徑為 Φ0.7±0.01 mm，擴散段為 6°±10°錐孔，出口直徑為Φ1.9 mm，長度為11 mm，收斂段與喉部連接處為R1圓角，整個內腔表面粗糙度要求為Ra1.6。

1 汽蝕管加工工藝

1.1 工藝流程

汽蝕管加工工藝流程框圖見圖2。

圖2 汽蝕管加工工藝流程框圖Fig.2 Flow chart for machining technological process of cavitating venturi

1.2 收斂段與喉部精密車鏜加工工藝

在精密數控車床上用微型鏜刀車鏜加工收斂段與喉部。微型鏜刀選擇京瓷整體鎢鋼微型鏜刀，該鏜刀硬度和抗彎強度高，鏜刀材料屬于超微粒鎢鋼合金，表面鍍覆有AlTiN涂層，最小切削直徑為Φ0.6 mm，最大切削深度可達3 mm。在20倍放大鏡下進行對刀。

加工過程和工藝規(guī)范：先用修磨過的中心鉆粗锪60°錐孔去余量，直徑方向留余量0.1 mm；鏜喉部孔到Ф0.69 mm，再鏜60°錐孔，最后一刀60°錐孔連接喉部加工至Ф0.7 mm。鏜孔時主軸轉速V=5 000～5 500 r/min，進給量前三刀和最后三刀每次 f=0.02 mm/r，中間每次 f=0.03～0.04 mm/r，切削深度0.01 mm。

1.3 Ф0.65通孔鉆孔加工工藝

Ф0.65通孔加工設備為TG4132B型精密單柱坐標鏜床，該坐標鏜床機身堅固，偏擺和振動量很小，刀具系統(tǒng)偏擺量較小，對刀精度較高。鉆頭采用高韌性高速鋼鉆頭，精細修磨切削刃，保證兩側刃長一致且左右對稱，以避免高速鋼鉆頭受力不均勻而鉆偏Ф0.65通孔。Ф0.65通孔加工前，要求找正工件端面，工件外圓跳動量必須控制在0.01 mm以內。為了減小Ф0.65通孔加工長度，在加工通孔前需預先完成兩道工序，既從兩頭加工臺階孔，將需要加工的通孔長度由15 mm壓縮至4 mm，然后再加工Ф0.65×4通孔。加工方法為：啄孔式加工工藝方法，每進給0.1 mm即抬刀一次將切屑帶出，并用蘸有機油的毛刷清理鉆頭上附著的切屑，同時對刃口進行潤滑。Ф0.65通孔鉆孔加工工藝規(guī)范為：精密坐標鏜床轉速800 r/min，進給量0.01 mm/r。

1.4 6°錐孔加工工藝

汽蝕管6°錐孔的最小孔徑為Ф0.7 mm，長度為11 mm，長徑比大于10。汽蝕管6°錐孔是在HARDINgE GX480 plus型精密數控鏜銑加工中心上完成粗銑和精鉸加工的。定制的京瓷6°錐銑刀和6°錐鉸刀材料為亞微粒碳化鎢材料。6°錐銑刀和6°錐鉸刀結構示意圖見圖3和圖4。刀具表面涂層為納米復合結構涂層，該復合結構涂層由鋁基化合物和N系基體材料組成。該材料在高能離子束流轟擊作用下，納米鋁基化合物晶體被鑲嵌在N系基體材料體內。納米狀態(tài)下的化合物很難啟動增殖源，所以，基體材料將會阻止納米化合物晶粒遷移，由此提高了刀具硬度。涂覆了納米涂層刀具的硬度常溫下可達50 GPa，同時還可以保持良好的韌性。在加工過程中，當刀具溫度達到900～1 100℃時，刀具硬度還可保持在30 GPa左右，滿足汽蝕管6°錐孔加工工藝要求。6°錐銑刀和6°錐鉸刀均為等前角和不等刃帶寬結構，降低了加工過程中產生的振動效應，增加了刀具剛性，提高了汽蝕管6°錐孔加工精度。6°銑刀采用不等分刃口結構，有效抑制了加工過程中產生的振動，進一步提高了汽蝕管6°錐孔加工精度。鉸刀型面為圓弧齒背和螺旋刃邊結構，增加了刃口強度，在加工過程排屑流暢，還可提高汽蝕管6°錐孔鉸孔質量。

加工方法：啄孔式加工工藝方法，每進給0.02 mm即抬刀一次，精密數控鏜銑加工中心主軸轉速V=8 000～9 000 r/min，鉸孔進給量為0.001 3 mm/r。用 TAYLOR HOBSON PGI 820 表面粗糙度儀測量了6°錐孔內表面的表面粗糙度，測量結果為Ra0.4，小于設計要求值Ra1.6，滿足設計要求。

圖3 錐孔鉸刀結構示意圖Fig.3 Structure diagram of tapered hole reamer

圖4 錐孔銑刀和鉸刀刃口結構示意圖Fig.4 Structure diagram of tapered hole milling cutter and reamer cutting edges

數控程序編程。根據設計圖樣、設計技術要求、補刀量、刀具參數、工藝規(guī)范以及計算機仿真結果，在HARDINgE GX480 plus型精密數控鏜銑加工中心上，依據FUNUC Series Oi-MD操作系統(tǒng)完成了6°錐孔銑加工和6°錐孔精加工程序編程，在HARDINgE GX480 plus型精密數控鏜銑加工中心上，采用該程序加工出的汽蝕管6°錐孔經計量檢測，結構尺寸滿足設計要求。

6°錐孔銑加工程序如下：

T8 M6

G59 G90 G0 X0 Y0

G43 Z100 H8

M03 S8000

G0 Z100

#1=0.02

#2=3

#3=8

#4=0.2

G0 Z20

N10 G1 Z[#3+#4]F3000 M8

G01 Z#3 F20

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 10

G01 Z#3 F20

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 10

G0 Z200 M9

G91 G0 X0 Y0 G28

M0

6°錐孔精加工程序如下：

T12 M6

G59 G90 G0 X0 Y0

G43 Z100 H12

M03 S8000

G0 Z100

#1=0.02

#2=2.4

#3=3

#4=0.2

G0 Z20

N20 G1 Z[#3+#4]F3000 M8

G01 Z#3 F10

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 20

G01 Z#3 F10

Z20 F3000

#3=#3-#1

M1

IF[#3 GT#2]GOTO 20

G0 Z200 M9

G91 G0 X0 Y0 G28

M30

2 汽蝕管液流試驗

采用上述工藝及規(guī)范加工生產的汽蝕管安裝在圖5所示的汽蝕管液流試驗系統(tǒng)中，完成了液流試驗。試驗結果見表2。

圖5 汽蝕管液流試驗原理示意圖Fig.5 Principle of liquid flow test for cavitating venturi

表2 汽蝕管液流試驗結果Tab.2 Results of liquid flow test for cavitating venturi

由表2可見，汽蝕管流阻系數A全部在設計要求值1 800～2 100范圍之內，汽蝕裕度均不大于設計要求值26.5%。通過比較汽蝕管初試和復試試驗數據發(fā)現：兩次試驗測得的流阻系數A散差均小于0.5%，說明試驗系統(tǒng)和試驗過程穩(wěn)定。裝配有采用該工藝規(guī)范加工生產的汽蝕管的發(fā)動機已經通過了地面熱試車考核。

3 結論

通過研究深微錐孔汽蝕管收斂段與喉部精密車鏜加工、Ф0.65通孔鉆孔加工和6°錐孔數控編程加工工藝，得出了深微錐孔汽蝕管最佳工藝規(guī)范：鏜孔主軸轉速V=5 000～5 500 r/min，進給量前三刀和最后三刀每次f=0.02 mm/r，中間每次f=0.03～0.04 mm/r，切削深度 0.01 mm；Ф0.65通孔鉆孔工藝規(guī)范：精密坐標鏜床轉速800 r/min，進給量0.01 mm/r；6°錐孔加工工藝規(guī)范：精密數控鏜銑加工中心主軸轉速V=8 000～9 000 r/min，鉸孔進給量為0.001 3 mm/r。采用該工藝規(guī)范加工生產的汽蝕管內表面表面粗糙度為Ra0.4，滿足設計要求。汽蝕管通過了液流試驗，試驗結果滿足設計要求。裝配有采用該工藝規(guī)范加工生產的汽蝕管發(fā)動機已經通過了地面熱試車考核。

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