丁新玲 朱平苑 郭博聞 矯 慧 李 躍
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航天典型零部件精密加工技術研究
丁新玲 朱平苑 郭博聞 矯 慧 李 躍
(首都航天機械有限公司,北京 100076)
介紹了歐美國家航天工業(yè)中幾種典型零件的精密加工技術,包括美國太空望遠鏡的鏡面加工技術、歐空局火箭發(fā)動機燃燒室絲狀再生冷卻通道的精密加工以及美國大型火箭貯箱壁板網(wǎng)格的高速銑削技術。從這幾個精密加工典型實例中可以看出,精密加工技術隨著航天工業(yè)的發(fā)展而進步,在航天產(chǎn)品的研制中始終占據(jù)重要的地位。
精密加工;鏡面加工;太空望遠鏡;冷卻通道;網(wǎng)格
隨著航天產(chǎn)品系列化、標準化的發(fā)展,航天零件的研制與生產(chǎn)對尺寸精度、加工效率和表面完整性的要求越來越高,許多零部件都需要精密加工制造而成:如大型反射鏡的精密研磨與拋光技術、火箭發(fā)動機冷卻通道的成型以及運載火箭貯箱的網(wǎng)格加工等,都需要精確、高效地完成。隨著材料與數(shù)字技術的發(fā)展,精密加工技術也進一步更新?lián)Q代。精密加工技術綜合應用了機械技術發(fā)展的新成果以及現(xiàn)代電子、傳感技術、光學和計算機等高新技術,是一個國家科學技術水平和綜合國力的重要體現(xiàn),因此受到各工業(yè)發(fā)達國家的高度重視。
近五十年來,傳統(tǒng)的天文儀器直徑已從2m級擴大到10m級,除了在材料應用上的發(fā)展進步之外,其鏡面精密加工技術也一直是研究的重點。美國航天飛機1990年送入太空軌道的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST)和2021年將投入使用的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST),其主鏡段均采用計算機控制工具拋光(CCOS)技術制造而成,但材料和工藝都發(fā)生了變化。鏡面精密加工的先進技術還包括美國亞利桑那大學Steward天文臺大尺寸鏡片實驗室采用的應力盤拋光技術以及凱克(Keck)望遠鏡繼應力加工后采用的數(shù)控離子束拋光法等。
哈勃望遠鏡由NASA、歐空局(ESA)共同研制,以美國著名天文學家埃德溫·鮑威爾·哈勃的名字命名。1978年開始研制,原計劃1983年發(fā)射升空,但直到1985年該項目才結束。1990年4月25日,“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機將哈勃望遠鏡送入太空。哈勃望遠鏡的設計初衷是收集15年的數(shù)據(jù),經(jīng)過5次大修后超期服役至今。NASA原本計劃在哈勃望遠鏡退役后用航天飛機將其帶回,作為博物館展品展出,后來改變計劃:在2009年最后一次維護時,除了安裝升級裝置保障望遠鏡自由轉(zhuǎn)動外,還為其配備了一枚小型推進裝置,使哈勃望遠鏡在退役時可受控墜入大氣層銷毀。接替哈勃望遠鏡的韋伯望遠鏡原計劃于2014年發(fā)射,現(xiàn)已推遲至2021年。在28年的運行期間,哈勃望遠鏡幫助天文學家取得了許多突破性的發(fā)現(xiàn),并拍攝了無數(shù)令人驚嘆的宇宙光學影像。
哈勃望遠鏡的研制計劃被分成許多子計劃進行,其中馬歇爾太空飛行中心(MSFC)負責望遠鏡的設計與制造,其光學系統(tǒng)和制導傳感器等分包給珀金埃爾默(Perkin Elmer)公司。哈勃望遠鏡長13.2m,重11t,最大直徑4.2m。珀金埃爾默公司承接的主鏡磨制是望遠鏡中最關鍵的部分。望遠鏡主鏡在拋光后的準確性達到可見光波長的二十分之一,也就是大約30nm。為了達到如此苛刻的精度要求,珀金埃爾默公司計劃使用特制的、先進計算機控制的拋光機將主鏡磨成所需的形狀。為防止珀金埃爾默公司尖端技術出現(xiàn)問題,影響哈勃望遠鏡的研制,NASA要求分包給柯達公司,用傳統(tǒng)的鏡面拋光技術建造一個備用鏡。珀金埃爾默公司生產(chǎn)的主鏡發(fā)射升空,柯達公司生產(chǎn)的備用主鏡送入國家航空航天博物館永久展出。
圖1 哈勃望遠鏡主鏡的加工與檢測
哈勃望遠鏡主鏡2.4m,重達828kg,采用超低膨脹玻璃制成。珀金埃爾默首先研制了當時極端復雜的計算機控制拋光機,同時還開發(fā)出配套拋光檢測技術。主鏡的研制工作常常在夜間進行,因為車輛運行產(chǎn)生的振動會影響設備的精度。為了降低重量,將主鏡中間加工成蜂窩狀,上下兩面用厚25mm的玻璃封合。1981年年底,歷時3年的研制工作終于結束,并且在鏡面上鍍上75nm厚的鋁反射層和25nm厚的鎂氟保護層。圖1為哈勃望遠鏡主鏡的加工及檢測[1,2]。
主鏡拋光很完美,非常勻稱,但是超出了預算,也超過了研制周期的最后期限。NASA匆忙結束了項目,但最后遺憾地發(fā)現(xiàn),為測量拋光工作而設計的反射式零校正器系統(tǒng),其內(nèi)部反射鏡的位置有1.3mm的偏差,因此,造成了主鏡極輕微的像差,使得哈勃望遠鏡初期工作不對焦,發(fā)回的圖片模糊不清。NASA指責主鏡的制作缺乏質(zhì)量控制,而珀金埃爾默公司報怨NASA結束項目太匆忙,沒有給出足夠的時間完成質(zhì)量控制工作,從而造成本該花1000萬美元的最后測試,要花費20億美元修復。好在珀金埃爾默公司制作的主鏡非常完美,所以修復起來也相當簡單。
哈勃望遠鏡主鏡的備用鏡由美國柯達公司制造,鏡面制造工藝包括研磨、修球面、拋光和測試等。厚度為300mm的主鏡坯料為康寧玻璃,由25mm厚的正反兩塊玻璃中間夾上玻璃蜂窩組成,比實心板料輕了5倍。加工時將坯料放置在帶特殊金鋼石切割工具的大型磨床上,先將坯料的正面和背面都切割為球形并磨圓;再對內(nèi)外徑的邊緣磨斜面和拋光,達到減重的目的;然后將鏡片放置在大型松散磨料精磨床上進行精磨和磨球面,這一過程可去除約0.762mm厚的材料;當鏡面留有所需表面的1.3μm余量時,將鏡板磨成高光區(qū)。
20世紀80年代初期,美國光學制造主要依賴高技能水平配鏡師非凡的手工拋光技術,而今則全部使用先進的計算機數(shù)控設備,利用如高壓水切割和離子修磨工藝等技術制造。
韋伯望遠鏡是新一代大型太空望遠鏡,接替即將退役的哈勃望遠鏡。韋伯望遠鏡由NASA、ESA以及加拿大航天局(CSA)聯(lián)合研制,原計劃于2014年由阿里安5運載火箭發(fā)射升空,后因預算及一系列技術問題一次次推遲,目前預計在2021年送入太空。
韋伯望遠鏡沒有配備鏡筒,重6.2t。韋伯望遠鏡的主鏡6.5m,與哈勃望遠鏡相比,直徑更大,是哈勃的2.5倍,表面積也比哈勃大6倍;設備更精密,紅外光譜靈敏度是原來的1000倍;最關鍵是韋伯望遠鏡采用了超薄、超輕的鏡片,使其主鏡的總重量大大降低,約705kg。由于鏡片尺寸太大,發(fā)射時需要折疊鏡片,因此,韋伯望遠鏡主鏡片設計為一系列六邊型分鏡片組成。與哈勃望遠鏡不同,韋伯望遠鏡不在地球上空繞飛,而是直接發(fā)射到距地球150萬公里的空間,在第二拉格朗日點(L2)的位置飛行。由于距離地球過遠,無法派宇航員維修保養(yǎng),所以必須將韋伯望遠鏡制造得完美無缺,這也是屢屢推遲發(fā)射的原因之一。該項目一再被推遲,其成本大幅上升[3~5]。
韋伯望遠鏡由諾格(Northrop Grumman)公司負責研制,包括望遠鏡最重要部件主鏡的加工。主鏡由18個六邊形子鏡組成,折疊發(fā)射,在軌道中調(diào)整打開。鏡面采用最大輕量級的鈹光纖精制而成,鈹光纖材料重量輕、硬度高,能夠承受巨大的溫度變化而不翹曲,并且這種材料在30~80K范圍內(nèi)對溫度變化非常穩(wěn)定。每個子鏡段的制造包括加工、熱處理、檢驗以及鏡面的涂層與拋光等工序。
鏡面的加工在溫控廠房內(nèi)進行。加工設備為三井精機美國公司定制的8個臥式加工中心,設備的定位和行程精度可達幾微米。加工包括:
a. 安裝鈹鋼坯。重約245kg鈹鋼坯垂直安裝在機床的角度板上;
b. 加工出子鏡形狀。尺寸為厚101.6mm,跨度1.37m,點對點為1.57m的六邊型;
c. 網(wǎng)格加工。在每個子鏡的背面銑出600個面積大約為16.13cm2的網(wǎng)格,如圖2所示。子鏡重量減至125kg;
圖2 六面坯背面網(wǎng)格及鏡面組裝圖
d. 加工安裝墊等。在子鏡上加工出22個安裝墊的位置;
e. 熱處理去除加工應力;
f. 鏡面粗加工??扇コ?3~27kg的重量;
g. 精銑網(wǎng)格里側。網(wǎng)格壁厚為0.51~7.59mm;
h. 精銑鏡面?zhèn)让?、網(wǎng)格側邊以及定位樞紐,精加工公差一般為0.000~0.005mm。
最后涂覆金層。涂敷的黃金涂層厚度只有120nm,每面子鏡大約涂覆了3.4g的黃金,可提供從0.6~28μm的高反射率。涂覆鏡面時,需要將黃金加熱到1371℃,從固體熔化為液體,然后再蒸發(fā)到鈹板上形成光滑、顯微鏡下可見的薄涂層。2010年6月至2011年9月,諾格公司完成了韋伯望遠鏡鏡面鍍金工作。涂層項目是主鏡的最新高科技,面臨許多技術挑戰(zhàn),項目的完成使主鏡的研制工作取得了巨大的進展。
精磨和拋光在計算機控制光學表面制造設備(CCOS)中進行,每完成一道加工工序都要使用坐標測量機(CMM)進行零件尺寸精度和殘余應力的檢測。對于鏡面加工來說,最重要的是精度,而不是速度。機床精度是精密加工的基礎,鏡面加工設備安置時,需要在設備下墊990.6mm厚的混凝土板,四周由沙床包圍,以隔離周邊設備產(chǎn)生的振動。每臺機床用27個地基盤固定,每個盤用4個地腳螺栓固定。鏡面裝配要求在嚴格控制的潔凈間進行,裝配人員的工作服、帽子以及面罩等也要有嚴格規(guī)定[6]。
目前國際上十分關注30~100m巨型望遠鏡的研制技術。美國加州30m望遠鏡(CELT)主鏡由1080塊邊長1m的六邊型離軸非球面組成,沿用凱克望遠鏡主鏡的加工方法,將圓形的鏡坯預先應力變形,然后加工成球面,釋放預應力后得到非球面,再切割成六邊型,隨后采用離子轟擊消除因切割引起的邊緣變形。而使用主動拋光盤技術則可以直接加工出六邊型的離軸非球面,無須切割和離子束修改。美國Steward天文臺的Mirror Lab實驗室開展的主動拋光盤磨制離軸非球面實驗,在下一代望遠鏡的光學加工中起到了非常關鍵的作用。
傳統(tǒng)的天文儀器大多采用金屬和玻璃制成,有限元模型(FEM)、輕質(zhì)技術、巧妙的光學設計和有效的控制使望遠鏡的儀器從2m級擴大到10m級,但在制造材料上卻無大的修改。長此以往,巨型望遠鏡(Extremely Large Telescope-ELT)將變得沉重而難以控制和移動。此外,由于目前構成ELT的許多儀器都是由一些相同的子系統(tǒng)組成,對光學元件要求也從“完美的單件”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱山邮艿南盗猩a(chǎn)”。如高分子的化合物、復合材料、輕金屬以及功能性合金等材料,也可能會逐步進入天文儀器的設計考量。相應地,離子束拋光、全息等新工藝也將逐步取代傳統(tǒng)的制造技術[7]。
由不同材料構成的未來ELT焦平面儀器可能是非球面形狀的大型光學表面,對公差要求極為嚴格,制造難度大且造價昂貴。離子束修磨(Ion Beam Figuring-IBF)工藝被證明是最有效的高精度修磨技術。這種非接觸式拋光工藝具有加工精度高、無應力、加工面潔凈無污染的特點,特別適合加工非球面鏡面、正六邊形鏡面等。由于離子束拋光是在原子量級上實現(xiàn)材料的去除,去除效率較低,因此通常先采用傳統(tǒng)方法對工件進行預拋光處理,在基本達到精度要求后,再采用離子束拋光,對球面、非球面或非對稱自由曲面等工件表面面形進行高精度修正。離子束拋光工藝所需設備投資較大,運行成本較高,但對于某些具有特殊高精度要求的光學大型鏡面加工必不可少。ELT光學部件就是采用這種方式加工而成,即先傳統(tǒng)拋光,最后用IBF銑削修磨。
燃燒室是液體火箭發(fā)動機的核心部件,加上工作環(huán)境惡劣,因此需要選用導熱性好、抗熱性高的材料制成。最初采用鋼材料的內(nèi)外壁夾層結構制造液體火箭發(fā)動機燃燒室,結構復雜而笨重,夾層剛度小、承壓能力低,制造及試車時都容易損壞。德國率先開發(fā)出用于薄壁燃燒室內(nèi)襯的熱傳導材料,如鋁、銅等。此后,美國洛克達因公司研制出Narlay-Z銅基合金用于航天飛機主發(fā)動機(SSME)燃燒室,而俄羅斯的RD-0120氫氧發(fā)動機主燃燒室上則采用了鉻青銅合金材料做內(nèi)襯,歐洲的阿斯特里姆(Astrium)公司在阿里安5的主發(fā)動機火神燃燒室上相應地使用了銅合金CuAgZr材料。
燃燒室結構也在不斷創(chuàng)新,從最初的波紋板式夾層結構發(fā)展到銑槽式。目前,國外主要氫氧發(fā)動機燃燒室所采用的銑槽式結構,均為在燃燒室內(nèi)壁銅合金的外表面銑出冷卻通道,然后進行冷卻通道的封合。在冷卻通道的加工中,精密加工工藝一直扮演著重要角色,同時也保持著航天領域核心生產(chǎn)工藝之一的地位。由于燃燒室輪廓及其冷卻通道的加工精度要求高,加工材料不斷更新,在保證加工質(zhì)量的同時,還要降低成本和節(jié)省制造時間。因此,為優(yōu)化燃燒室加工工藝過程,歐空局發(fā)動機燃燒室制造商Astrium公司開展了專項課題“高性能加工(HPC),即精度、材料和加工時間達到最高要求”,專門研究發(fā)動機燃燒室精密加工問題,并為此引進了一臺加工中心,以滿足阿里安5芯級發(fā)動機“火神2”和新型上面級發(fā)動機“芬奇”的推力室研制。
燃燒室內(nèi)輪廓的加工,不允許有臺階形成,加工只能從兩邊精車,或通過特殊的無振動安裝才能加工。冷卻通道的加工難度也很大。以正在研制的上面級發(fā)動機“芬奇”為例,燃燒室內(nèi)襯材料為CuAgZr,內(nèi)襯外表面上的冷卻通道最多處達468條,喉部附近的冷卻通道最窄處只有0.7mm寬,內(nèi)壁最薄處不到0.6mm。冷卻通道的幾何形狀除直槽外還有曲線形。Astrium公司采用了其特制的0.7mm厚的盤狀薄銑刀加工直槽段,并修改刀具加工出U型和S型槽段,如圖3所示。加工中采用特殊夾具裝夾,以保證銑削過程的低振動環(huán)境以及刀具的剛性。高速銑主軸轉(zhuǎn)速可達2000r/min以上,為傳統(tǒng)加工參數(shù)的10倍[8]。
圖3 燃燒室絲狀冷卻通道的銑削及檢測
由于冷卻通道壁的表面質(zhì)量對燃燒室的冷卻至關重要,因此,加工后除了必須檢驗通道的表面粗糙度之外,在高精度銑削過程中,還采用了在線測量,及時將加工結果反饋到機床控制系統(tǒng),以糾正銑削過程中的參數(shù)控制,優(yōu)化銑削效果。此項課題的成果節(jié)省發(fā)動機燃燒室加工成本50%,節(jié)省時間超過50%,同時零件質(zhì)量還有所提高。
運載火箭貯箱屬于大型薄壁結構件,成形質(zhì)量直接影響貯箱的承載能力。出于減重的目的,貯箱內(nèi)表面及上下底壁板外表面分布有大量的減重網(wǎng)格,網(wǎng)格的加工精度關系到貯箱整體的強度與減重效果。因此,網(wǎng)格的尺寸公差要求嚴格。早期的網(wǎng)格加工主要采用化學銑削,化銑的網(wǎng)格壁厚不均勻,根部圓角大,零件余重多,而且化銑工藝污染大,不符合環(huán)保要求。因此,現(xiàn)在多采用高速數(shù)控銑綠色高效生產(chǎn)工藝,而且加工出的網(wǎng)格尺寸精度高、余重小,可有效增加火箭的載荷。
20世紀90年代,美國開始研制大型運載火箭德爾它4,貯箱直徑從以往的3m級上升為5m級,壁板網(wǎng)格的加工量增大很多,以往采用的數(shù)控仿形銑工藝加工速度及尺寸要求無法滿足德爾它4的生產(chǎn)要求。為提高生產(chǎn)效率,專門研制了多軸、高速新主軸,用于德爾它4壁板的加工。新主軸重443kg,由5個齒輪驅(qū)動頭的加工組成,如圖4所示。五軸裝置中,中心軸以7200r/min的速度旋轉(zhuǎn),帶動四個軌跡軸,轉(zhuǎn)速最大可達10000r/min。新主軸安裝在美國辛辛那提機床上,和一些新購置的設備集中放置在波音公司在迪凱特的新廠房里,主要用于鋁材網(wǎng)格的高效銑削。德爾它4貯箱減重網(wǎng)格為尺寸不一的三角形。加工時,鋁板吸附在真空吸盤上進行端面銑;然后更換刀具進行網(wǎng)格銑,即采用4個刀具3軸聯(lián)動同時粗銑4個槽,粗加工功率可達73.5kw;最后用精加工刀具將網(wǎng)格加工到指定尺寸。德爾它4的壁板加工工藝可去除原材料60%~70%,機床的CNC分度裝置可以實現(xiàn)在加工過程中同時進行零件的裝缷,進一步提高了系統(tǒng)的加工效率,使壁板網(wǎng)格加工時間縮短了40%[9]。
圖4 Zagar主軸頭及貯箱壁板的加工
美國目前正在研制的重型運載器太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS),其貯箱直徑達到了8m級,壁板網(wǎng)格的銑削量更大,網(wǎng)格誤差的累加會嚴重影響到載荷的重量。負責SLS貯箱壁板加工的美國AMRO制造公司(AMRO Fabricating Corporation)采用先進的加工與檢測技術成功地完成了貯箱壁板的成型與加工,如圖5所示。SLS貯箱采用鋁合金2219材料制成。壁板加工工序如下:鋁板銑削到設計尺寸→數(shù)控龍門加工中心加工出三角和正交網(wǎng)格結構→精密鉆孔加工出緊固孔。
圖5 SLS貯箱面板和級間段面段
加工完成后,將壁板放置在特制真空臺上進行檢測,檢查內(nèi)容包括幾何形狀、壁厚、底部半徑位置、鉆孔位置以及孔直徑等。檢測使用基于Verisurf模型的檢測軟件,并借助激光跟蹤器和徠卡T型探測器(T-Probe)完成。檢測可自動生成零件檢驗報告,并觀察到零件的3D圖、加工尺寸以及探測器的相對位置等,可以檢測到隱蔽點及其他方法難以觸到的表面,如網(wǎng)格壁背面等位置。壁板從加工完成到裝箱待運,要經(jīng)過20多遍的探測、掃描及檢查。精密的測量與檢測確保了SLS火箭壁板質(zhì)量[10,11]。
在航天工業(yè)的生產(chǎn)中,無論是航天器,還是運載火箭,都離不開對精密加工的需求,精密加工在航天產(chǎn)品的研制中起著至關重要的作用。大型太空望遠鏡的主鏡從2m級發(fā)展10m級,再到未來的巨型望遠鏡,除了主鏡的材料更新?lián)Q代,精密加工技術也在不斷地發(fā)展;運載火箭發(fā)動機冷卻通道的精密加工、大型貯箱壁板的高速銑削,加工精度、制造效率都有很大的進步。從這些航天應用可以看出,精密加工技術隨著宇航工業(yè)的進步而發(fā)展,而航天技術作為高新技術領域的前沿,離不開對精密加工技術的需求和依賴。
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Precision Machining Technology of Typical Products and Parts Used in Aerospace
Ding Xinling Zhu Pingyuan Guo Bowen Jiao Hui Li Yue
(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)
This paper discusses the precision machining technology of several typical parts used in aerospace in Europe and America, including the primary mirror development of American space telescope, the precision machining of the combustion chamber regenerative cooling channel of rocket engine and the high-speed milling of the isogrid of large rocket panels. It can be seen from these typical examples of precision machining that precision machining technology has been progressing with the development of the aerospace industry and has always occupied an important position in the development of aerospace products.
precision machining;mirror processing;space telescope;cooling channel;isogrid
丁新玲(1965),高級工程師,航空發(fā)動機專業(yè);研究方向:火箭發(fā)動機制造技術。
2018-09-26