CN112809323B - 一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺。该制造工艺贯穿喷管毛胚件制作、部段加工、检测、喷管装配过程，通过控制喷管产品制造残余应力消除、内型面加工精度、内型面粗糙度、喷管同轴度、喷管装配间隙与接差处理等重要环节，使喷管制造后的内型面与理论型面的偏差满足精度要求，确保喷管获得符合国军标要求的速度场品质，减少加工过程中的制造风险与加工过程的反复。该制造工艺已经在Ф0.5m量级、Ф1m量级和Ф2m量级的轴对称型面喷管制造中得到应用，喷管速度场均匀区内的最大马赫数偏差均小于1％的国军标要求。

Description

一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺

技术领域

本发明涉及常规高超声速风洞设备制造领域，具体来说，涉及一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺。

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，是满足国家国防和航空航天事业长远发展战略需求，为国家重大型号气动设计、优化、验证与考核的重要基础设施。

轴对称型面喷管是高超声速风洞的一个核心部件，其速度场品质性能直接决定了风洞的流场性能，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速度场品质要达到国军标GJB1179和GJB4399对喷管速度场指标要求，即在均匀区内最大马赫数偏差小于等于1％，方向场流向角小于等于±0.02°。

一套完整的喷管一般长度很长，无法进行整体加工，需要对喷管进行分段设计和加工，最后组装为一整套喷管；常规高超声速风洞喷管加工有一定的难度，并且加工周期较长，一套喷管要求具有很长的使用寿命。不同生产单位的喷管制造工艺不同，经常会出现加工后的喷管速度场指标不合格，导致喷管报废，需要重新投料加工，造成很大的经费损失，并耽误风洞试验能力的形成。

为达到喷管具有速度场和方向场好的性能指标目的，轴对称型面喷管的制造要达到如下要求：喷管内表面粗糙度达到0.8μm以上；喷管内型面坐标数据加工精度偏差控制在±0.03mm以内，在每100mm内最大波动量(即在每100mm内型面数据坐标最大最小加工偏差的绝对值之和)要小于0.06mm；喷管各个部段组装连接后对接位置处无缝隙，无逆向台阶，顺向台阶小于0.05mm；喷管同轴度精度指标满足流向角在±0.02°之内；精加工后的喷管残余应力小，满足喷管长寿命使用要求等。

常规高超声速风洞喷管制造工艺和制造水平直接影响着喷管速度场的最终性能。因此，对喷管加工来说，好的制造工艺加工出好的喷管。为确保制造完成后的喷管速度场品质达到国军标相关要求，降低喷管制造不合格风险，为此，我们探索出了一种常规高超声速风洞喷管制造工艺，在喷管产品加工中对残余应力消除、内型面曲线加工精度控制、内型面粗糙度控制、整套喷管同轴度控制、喷管装配间隙控制等重要环节中发挥指导作用，使喷管制造达到好的效果。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，包括以下步骤：

S1、残余应力消除，残余应力消除包括焊接应力消除和加工应力消除，

其中，焊接应力消除，在扩散段卷制完成后，进行锥筒纵向焊缝焊接以及与其两端法兰、加强筋、加强环组对焊接；为尽可能减少焊接应力，焊接坡口加工成U型坡口，焊接过程中采用小焊道多层叠加方式焊接，焊接完成后通过加热和保温措施对焊道进行保温，并配合应力锤锤击，消除喉道段和扩散段各个零部件焊接组对过程中产生的材料收缩、变形和残余应力；

加工应力消除，在粗加工后进行一次低温热处理，温度在200℃～400℃之间；半精加工后采用振动台或人工应力锤锤击的方式进行一次振动时效处理；

S2、喷管内型面加工精度控制，通过控制毛坯制造、车床精度、刀具选择、切削量、切削速度、切削液选择、刀具磨损补偿、准确测量八个环节，使喷管内型面的加工精度控制在±0.03mm偏差范围内；

S3、喷管内型面加工粗糙度控制，通过提高机床的转速和控制切削量使精加工最后一道工序结束后，喷管内型面的粗糙度小于1.6μm，在精加工后增加一道抛光工序，精加工最后一道工艺的喷管内型面数据预留0.03～0.05mm的理论余量作为抛光余量，通过数控抛光工艺使其粗糙度小于0.8μm；

S4、喷管同轴度控制，定义整套喷管的同轴度为Фd，喷管分段数量为n；通过前述工艺中的配合类型选用、控制喷管各部段对接处配合定位止口尺寸精度、控制配合端面的平面度措施，保证每段喷管部段的同轴度精度优于Фd/n；喷管装配时，每连接一段，采用激光跟踪仪进行同轴度结果检测，并不断调整，直至喷管装配完成；

S5、喷管装配间隙与接差处理，通过控制喷管各部段入口和出口尺寸精度、控制喷管各部段对接处配合定位止口尺寸精度、控制配合端面的平面度、选用合适密封形式以及密封槽截面尺寸，以达到各段装配后配合面间隙小于0.1mm，无逆向台阶，顺向台阶小于0.05mm的目标。

进一步地，S2中的八个环节分别包括：

毛坯制造，喷管部件毛坯件包括锻件毛坯和焊接结构件毛坯，锻件毛坯采用从钢厂定制粗加工并完成相关热处理后的光坯，扩散段毛坯制造中，锥筒卷制精度关系到加工后最小壁厚，Ф0.5m口径的喷管最小壁厚大于15mm，Ф1m口径的喷管最小壁厚大于20mm，Ф2m及以上口径的喷管最小壁厚大于30mm；扩散段的锥筒的卷制圆度精度控制在3mm以内，采用数控等离子切割机下料，采用无压边精卷机卷制；

车床精度，在精加工前要对机床精度进行检测和调整，利用激光干涉仪和大理石方尺对机床精度进行检测和调整，使数控机床设备精度控制在0.005mm以内；

刀具选择，选用防震刀杆防止发生振刀或跳刀，采用修光刃立方氮化硼刀片提高切削精度，降低刀具磨损；

切削量，粗加工时，进给量2～5mm；精加工时，进给量0.2～0.5mm；增大进给量会使切削残留高度和积屑瘤高度加大，进给量为0.1～0.8mm；

切削速度，切削不锈钢时的切削速度为切削普通碳钢的40％～60％；

切削液选择、选择乳化液作为粗车、磨削与钻孔的切削液，在精加工时还需在乳化液中加入极压或油性添加剂；

刀具磨损补偿、在进入精加工过程后，一道切削工序完成后，将半精加工或精加工每道工序结束后的喷管型面数据从数控车床的系统中导出或采用便携式三坐标测量仪在车床上对该工序加工后的喷管内型面进行测量，并与给定的加工数据进行比对，确定刀具磨损量和磨损规律，对下一道工序给定的加工数据进行补偿修正，修正后最大数据偏差量小于0.03mm，该修正后的数据作为下一工序加工输入参数，完成刀具磨损补偿；

准确测量，在加工过程中预留工艺测量基准台，定制毛胚件时，在喷管每一段的入口和出口位置各增加一段长度10mm的直段台阶孔，在半精加工阶段，首先将两端的直段台阶孔加工成直孔，直孔的直径ФD与该段产品理论的喷管内型面尺寸ФDL一致，尺寸精度偏差控制±0.03mm以内，直孔深度取10mm，深度偏差小于0.01mm；该直段台阶孔作为后续工艺的测量基准，用来精确测量喷管各个部段进出口尖角处的尺寸精度；在产品精加工工序完成后，最终再将该直段台阶孔切除。

进一步地，在S5中，喷管各段精加工后，入口和出口保持原有的加工尖角，加工尖角处禁止倒角或修磨，成品的端面进行防护防止损伤尖角；

首先按照前述的准确测量措施，准确测量各部段入口和出口的尺寸；其次，通过调整喷管各段入口和出口型面数据值，即前一段部段出口加工尖角处的直径尺寸在原始理论数据的基础DL上减0.05mm，在后一段部段入口加工尖角处的直径尺寸在原始理论数据的基础DL上加0.05mm，通过这种方式，确保两端连接后无逆差，顺差小于0.05mm；

喷管各部段之间的配合采用H8/h7，各部段止口连接处的凹台加工深度偏差采用负偏差，凸台加工长度偏差采用正偏差；

各部段止口连接处的凹台面和凸台面粗糙度小于1.6μm，平面度小于0.1mm；

通过计算橡胶密封圈的截面尺寸面积，确定密封槽的截面面积，密封槽的截面面积要大于橡胶密封圈的截面尺寸面积，确保压缩后的密封圈完全填充到密封槽内，无多余部分外溢。

进一步地，在装配时，各部段以及喷管装配的同轴度精度需要满足以下要求，Ф0.5m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.1mm，Ф1m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.25mm，Ф2m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.5mm。

进一步地，在喷管制造过程中，采用锻件材料的喷管部段加工工艺为：对工件毛坯粗车至外形尺寸；热处理消除粗加工过程中产生的加工应力；粗加工完成后对工件内型面进行100％超声探伤，防止精加工后内型面出现材料缺陷；半精车工件外圆、两端面、密封台以及内型面；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；应力锤敲击震动，释放加工过程产生的应力；精车工件外圆，两内部端面以及内型面尺寸；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；内型面抛光；采用粗糙度仪检测粗糙度；三坐标检测内型面。

进一步地，在喷管制造过程中，采用焊接结构件材料的喷管部段加工工艺为：钢板下料并巻制；焊接巻制段纵向焊缝；巻制段校圆；加工巻制段两端焊接坡口；焊接两端法兰毛配件；焊缝100％射线探伤；焊接加强筋与加强环；消除焊接应力热处理；对工件毛坯粗车至外形尺寸；低温热处理消除粗加工过程中产生的加工应力；半精车工件外圆、两端面、密封台以及内型面；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；应力锤敲击震动，释放加工过程产生的应力；精车工件外圆，两内部端面以及内型面尺寸；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；内型面抛光；采用粗糙度仪检测粗糙度；三坐标检测内型面。

进一步地，在喷管制造过程中，喷管装配的工艺为：用酒精或四氯化碳清洗喷管各部段内型面、连接端面；采用立式装配方式，从大到小装配；每装配一段，采用塞尺、刀口尺、激光跟踪仪检查接缝与接差情况；达到要求后并紧固连接螺栓；用油石清理接口处加工毛刺；再次用激光跟踪仪检测整套喷管的同轴度。

进一步地，在喷管制造过程中，焊后热处理消除焊接残余应力可分为加热和保温两个过程；在加热过程中，焊接残余应力随着材料屈服点的降低而降低，到达焊后热处理的温度后，残余应力被减弱到材料在此温度的屈服点以下；在保温过程中，由于高温松弛残余应力得以充分降低；扩散段要进行高温固溶热处理，其热处理温度与过程控制根据材料特性确定；采用不锈钢材料制成喷管扩散段时，热处理温度要达到950℃以上；采用碳钢材料制作喷管扩散段时，采用低温回火热处理的方式，温度在450℃以内。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，采用该发明消除制造过程产生的各种残余应力的措施，有效的消除了后期喷管使用过程中因残余应力的存在造成喷管持续变形，速度场发生变化，导致不同期飞行器数据不重复的问题；防止因喷管某部段发生较大变形导致速度场不合格，避免造成喷管报废的问题；

2、本发明提供的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，采用该发明控制内型面加工精度的措施，能够有效保证喷管加工精度，使加工后的喷管内型面与理论设计型面吻合，保证实际马赫数与速度场品质达到设计期望值；

3、本发明提供的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，采用该发明控制内型面粗糙度的措施，提高了喷管内型面加工粗糙度精度，可以有效降低喷管出口流场噪声以及杂波扰动对速度场品质的影响；

4、本发明提供的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，采用该发明控制各段装配后配合面间隙以及接差的措施，可以达到部段连接之间基本无缝隙，无逆差，顺差满足要求，可以有效消除缝隙、接差产生膨胀波或压缩波对速度场的影响，确保速度场均匀内的最大马赫数偏差满足国军标要求；

5、本发明提供的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，采用该发明控制各部段以及喷管装配同轴度的措施，提高了喷管装配后的同轴度精度，从而提高了喷管出口流向角偏差精度，使其满足国军标相关要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例一的高超声速风洞轴对称型面喷管结构示意图；

图2是根据本发明实施例一的高超声速风洞轴对称型面喷管内型面样式图；

图3是根据本发明实施例一的喷管扩散段焊接组装图；

图4是根据本发明实施例一的喷管各段工艺测量台阶结构示意图；

图5是根据本发明实施例一的喷管内型面抛光余量预留示意图；

图6是根据本发明实施例一的喷管各段出入口尖角位置示意图；

图7是根据本发明实施例一的喷管各段凸口与凹台结构示意图；

图8是根据本发明实施例一的喷管各段密封槽结构示意图；

图9是本发明实施例二中内型面加工偏差分布图；

图10是本发明实施例二中喷管速度场校测马赫数分布与最大偏差结果；

图11是本发明实施例三中内型面加工偏差分布图；

图12是本发明实施例三中喷管速度场校测马赫数分布与最大偏差结果。

图中：

1、喉道段；2、扩散段；3、锥筒；4、两端法兰；5、加强筋；6、加强环；7、喷管内型面；8、直段台阶孔；9、抛光余量；10、加工尖角；11、凹台；12、凸台；13、凹台面；14、凸台面；15、密封槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本发明的目的是通过良好的工艺路线与控制策略，最终实现高超声速风洞轴对称型面喷管的生产加工达到良好效果，实现喷管具有良好的速度场品质性能，减少加工过程的制造风险与加工过程的反复。

常规高超声速风洞轴对称型面喷管一般在结构上划分为喉道段和扩散段两种部段类型，喉道段根据其长度和加工难度可分为多段，一般选用锻件制作；扩散段可根据其长度和加工难度分为多段，根据每段扩散段的最小直径确定采用锻件还是钢板巻制。一般来说最小直径大于Ф500mm时，可以采用巻制焊接组对方式。

根据本发明的实施例，请参阅图1-8，

一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，包括以下步骤：

S1、残余应力消除，残余应力消除包括焊接应力消除和加工应力消除，

其中，焊接应力消除，在扩散段2卷制完成后，进行锥筒3纵向焊缝焊接以及与其两端法兰4、加强筋5、加强环6组对焊接；为尽可能减少焊接应力，焊接坡口加工成U型坡口，焊接过程中采用小焊道多层叠加方式焊接，焊接完成后通过加热和保温措施对焊道进行保温，并配合应力锤锤击，消除喉道段1和扩散段2各个零部件焊接组对过程中产生的材料收缩、变形和残余应力；

加工应力消除，在粗加工后进行一次低温热处理，温度在200℃～400℃之间；半精加工后采用振动台或人工应力锤锤击的方式进行一次振动时效处理；

S2、喷管内型面7加工精度控制，通过控制毛坯制造、车床精度、刀具选择、切削量、切削速度、切削液选择、刀具磨损补偿、准确测量八个环节，使喷管内型面7的加工精度控制在±0.03mm偏差范围内；

S3、喷管内型面7加工粗糙度控制，通过提高机床的转速和控制切削量使精加工最后一道工序结束后，喷管内型面7的粗糙度小于1.6μm，在精加工后增加一道抛光工序，精加工最后一道工艺的喷管内型面7数据预留0.03～0.05mm的理论余量作为抛光余量9，通过数控抛光工艺使其粗糙度小于0.8μm；

S4、喷管同轴度控制，定义整套喷管的同轴度为Фd，喷管分段数量为n；通过前述工艺中的配合类型选用、控制喷管各部段对接处配合定位止口尺寸精度、控制配合端面的平面度措施，保证每段喷管部段的同轴度精度优于Фd/n；喷管装配时，每连接一段，采用激光跟踪仪进行同轴度结果检测，并不断调整，直至喷管装配完成；

S5、喷管装配间隙与接差处理，通过控制喷管各部段入口和出口尺寸精度、控制喷管各部段对接处配合定位止口尺寸精度、控制配合端面的平面度、选用合适密封形式以及密封槽15截面尺寸，以达到各段装配后配合面间隙小于0.1mm，无逆向台阶，顺向台阶小于0.05mm的目标。

在实施时，具体S2中的八个环节分别包括：

毛坯制造，喷管部件毛坯件包括锻件毛坯和焊接结构件毛坯，锻件毛坯采用从钢厂定制粗加工并完成相关热处理后的光坯，扩散段2毛坯制造中，锥筒3卷制精度关系到加工后最小壁厚，Ф0.5m口径的喷管最小壁厚大于15mm，Ф1m口径的喷管最小壁厚大于20mm，Ф2m及以上口径的喷管最小壁厚大于30mm；扩散段2的锥筒3的卷制圆度精度控制在3mm以内，采用数控等离子切割机下料，采用无压边精卷机卷制；

车床精度，在精加工前要对机床精度进行检测和调整，利用激光干涉仪和大理石方尺对机床精度进行检测和调整，使数控机床设备精度控制在0.005mm以内；

刀具选择，选用防震刀杆防止发生振刀或跳刀，采用修光刃立方氮化硼刀片提高切削精度，降低刀具磨损；

切削量，粗加工时，进给量2～5mm；精加工时，进给量0.2～0.5mm；增大进给量会使切削残留高度和积屑瘤高度加大，进给量为0.1～0.8mm；

切削速度，切削不锈钢时的切削速度为切削普通碳钢的40％～60％；

切削液选择、选择乳化液作为粗车、磨削与钻孔的切削液，在精加工时还需在乳化液中加入极压或油性添加剂；

刀具磨损补偿、在进入精加工过程后，一道切削工序完成后，将半精加工或精加工每道工序结束后的喷管型面数据从数控车床的系统中导出或采用便携式三坐标测量仪在车床上对该工序加工后的喷管内型面7进行测量，并与给定的加工数据进行比对，确定刀具磨损量和磨损规律，对下一道工序给定的加工数据进行补偿修正，修正后最大数据偏差量小于0.03mm，该修正后的数据作为下一工序加工输入参数，完成刀具磨损补偿；

准确测量，在加工过程中预留工艺测量基准台，定制毛胚件时，在喷管每一段的入口和出口位置各增加一段长度10mm的直段台阶孔8，在半精加工阶段，首先将两端的直段台阶孔8加工成直孔，直孔的直径ФD与该段产品理论的喷管内型面7尺寸ФDL一致，尺寸精度偏差控制±0.03mm以内，直孔深度取10mm，深度偏差小于0.01mm；该直段台阶孔8作为后续工艺的测量基准，用来精确测量喷管各个部段进出口尖角处的尺寸精度；在产品精加工工序完成后，最终再将该直段台阶孔8切除。

在S5中，

喷管各段精加工后，入口和出口保持原有的加工尖角10，加工尖角10处禁止倒角或修磨，成品的端面进行防护防止损伤尖角；

首先按照前述的准确测量措施，准确测量各部段入口和出口的尺寸；其次，通过调整喷管各段入口和出口型面数据值，即前一段部段出口加工尖角10处的直径尺寸在原始理论数据的基础DL上减0.05mm，在后一段部段入口加工尖角10处的直径尺寸在原始理论数据的基础DL上加0.05mm，通过这种方式，确保两端连接后无逆差，顺差小于0.05mm；

喷管各部段之间的配合采用H8/h7，各部段止口连接处的凹台11加工深度偏差采用负偏差，凸台12加工长度偏差采用正偏差；

各部段止口连接处的凹台面13和凸台面14粗糙度小于1.6μm，平面度小于0.1mm；

通过计算橡胶密封圈的截面尺寸面积，确定密封槽15的截面面积，密封槽15的截面面积要大于橡胶密封圈的截面尺寸面积，确保压缩后的密封圈完全填充到密封槽内，无多余部分外溢。

实施时，在装配时，各部段以及喷管装配的同轴度精度需要满足以下要求，Ф0.5m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.1mm，Ф1m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.25mm，Ф2m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.5mm。

在喷管制造过程中，采用锻件材料的喷管部段加工工艺为：对工件毛坯粗车至外形尺寸；热处理消除粗加工过程中产生的加工应力；粗加工完成后对工件内型面进行100％超声探伤，防止精加工后内型面出现材料缺陷；半精车工件外圆、两端面、密封台以及内型面；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；应力锤敲击震动，释放加工过程产生的应力；精车工件外圆，两内部端面以及内型面尺寸；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；内型面抛光；采用粗糙度仪检测粗糙度；三坐标检测内型面。

在喷管制造过程中，采用焊接结构件材料的喷管部段加工工艺为：钢板下料并巻制；焊接巻制段纵向焊缝；巻制段校圆；加工巻制段两端焊接坡口；焊接两端法兰4毛配件；焊缝100％射线探伤；焊接加强筋5与加强环6；消除焊接应力热处理；对工件毛坯粗车至外形尺寸；低温热处理消除粗加工过程中产生的加工应力；半精车工件外圆、两端面、密封台以及内型面；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；应力锤敲击震动，释放加工过程产生的应力；精车工件外圆，两内部端面以及内型面尺寸；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；内型面抛光；采用粗糙度仪检测粗糙度；三坐标检测内型面。

在喷管制造过程中，喷管装配的工艺为：用酒精或四氯化碳清洗喷管各部段内型面、连接端面；采用立式装配方式，从大到小装配；每装配一段，采用塞尺、刀口尺、激光跟踪仪检查接缝与接差情况；达到要求后并紧固连接螺栓；用油石清理接口处加工毛刺；再次用激光跟踪仪检测整套喷管的同轴度。

在喷管制造过程中，焊后热处理消除焊接残余应力可分为加热和保温两个过程；在加热过程中，焊接残余应力随着材料屈服点的降低而降低，到达焊后热处理的温度后，残余应力被减弱到材料在此温度的屈服点以下；在保温过程中，由于高温松弛残余应力得以充分降低；扩散段2要进行高温固溶热处理，其热处理温度与过程控制根据材料特性确定；采用不锈钢材料制成喷管扩散段2时，热处理温度要达到950℃以上；采用碳钢材料制作喷管扩散段2时，采用低温回火热处理的方式，温度在450℃以内。

实施例二

如图9、10所示，某高超声速风洞出口直径2米的喷管，总长度12635mm，共分为7段加工，按照本发明的制造工艺，得到了良好的制造效果，内型面加工偏差均优于±0.03mm，同轴度精度达到Ф0.4mm，经过风洞流场校测调试检验，最大马赫数偏差小于1％，达到国军标相关要求。

实施例三

如图11、12所示，某高超声速风洞出口直径1米的喷管，总长度5615mm，共分为4段加工，按照本发明的制造工艺路线与措施，得到了良好的制造效果，内型面加工偏差均优于±0.03mm，同轴度精度达到Ф0.2mm，经过风洞流场校测调试检验，最大马赫数偏差小于1％，达到国军标相关要求。

综上所述，采用该发明消除制造过程产生的各种残余应力的措施，有效的消除了后期喷管使用过程中因残余应力的存在造成喷管持续变形，速度场发生变化，导致不同期飞行器数据不重复的问题；防止因喷管某部段发生较大变形导致速度场不合格，避免造成喷管报废的问题；采用该发明控制内型面加工精度的措施，能够有效保证喷管加工精度，使加工后的喷管内型面与理论设计型面吻合，保证实际马赫数与速度场品质达到设计期望值；采用该发明控制内型面粗糙度的措施，提高了喷管内型面加工粗糙度精度，可以有效降低喷管出口流场噪声以及杂波扰动对速度场品质的影响；采用该发明控制各段装配后配合面间隙以及接差的措施，可以达到部段连接之间基本无缝隙，无逆差，顺差满足要求，可以有效消除缝隙、接差产生膨胀波或压缩波对速度场的影响，确保速度场均匀内的最大马赫数偏差满足国军标要求；采用该发明控制各部段以及喷管装配同轴度的措施，提高了喷管装配后的同轴度精度，从而提高了喷管出口流向角偏差精度，使其满足国军标相关要求。

本发明的一种常规高超声速风洞轴对称型面喷管制造工艺，能够实现加工后轴对称型面喷管具有速度场和方向场好的性能指标的目标，该工艺措施已经在Ф0.5m量级、Ф1m量级和Ф2m量级的喷管制造中得到应用，喷管速度场均匀区内的最大马赫数偏差均小于1％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、残余应力消除，残余应力消除包括焊接应力消除和加工应力消除，

其中，焊接应力消除，在扩散段(2)卷制完成后，进行锥筒(3)纵向焊缝焊接以及与其两端法兰(4)、加强筋(5)、加强环(6)组对焊接；为尽可能减少焊接应力，焊接坡口加工成U型坡口，焊接过程中采用小焊道多层叠加方式焊接，焊接完成后通过加热和保温措施对焊道进行保温，并配合应力锤锤击，消除喉道段(1)和扩散段(2)各个零部件焊接组对过程中产生的材料收缩、变形和残余应力；

加工应力消除，在粗加工后进行一次低温热处理，温度在200℃～400℃之间；半精加工后采用振动台或人工应力锤锤击的方式进行一次振动时效处理；

S2、喷管内型面(7)加工精度控制，通过控制毛坯制造、车床精度、刀具选择、切削量、切削速度、切削液选择、刀具磨损补偿、准确测量八个环节，使喷管内型面(7)的加工精度控制在±0.03mm偏差范围内；

其中，准确测量，在加工过程中预留工艺测量基准台，定制毛胚件时，在喷管每一段的入口和出口位置各增加一段长度10mm的直段台阶孔(8)，在半精加工阶段，首先将两端的直段台阶孔(8)加工成直孔，直孔的直径ФD与该段产品理论的喷管内型面(7)尺寸ФDL一致，尺寸精度偏差控制±0.03mm以内，直孔深度取10mm，深度偏差小于0.01mm；该直段台阶孔(8)作为后续工艺的测量基准，用来精确测量喷管各个部段进出口尖角处的尺寸精度；在产品精加工工序完成后，最终再将该直段台阶孔(8)切除；

S3、喷管内型面(7)加工粗糙度控制，通过提高机床的转速和控制切削量使精加工最后一道工序结束后，喷管内型面(7)的粗糙度小于1.6μm，在精加工后增加一道抛光工序，精加工最后一道工艺的喷管内型面(7)数据预留0.03～0.05mm的理论余量作为抛光余量(9)，通过数控抛光工艺使其粗糙度小于0.8μm；

S4、喷管同轴度控制，定义整套喷管的同轴度为Фd，喷管分段数量为n；通过前述工艺中的配合类型选用、控制喷管各部段对接处配合定位止口尺寸精度、控制配合端面的平面度措施，保证每段喷管部段的同轴度精度优于Фd/n；喷管装配时，每连接一段，采用激光跟踪仪进行同轴度结果检测，并不断调整，直至喷管装配完成；

S5、喷管装配间隙与接差处理，通过控制喷管各部段入口和出口尺寸精度、控制喷管各部段对接处配合定位止口尺寸精度、控制配合端面的平面度、选用合适密封形式以及密封槽(15)截面尺寸，以达到各段装配后配合面间隙小于0.1mm，无逆向台阶，顺向台阶小于0.05mm的目标。

2.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，具体S2中包括：

毛坯制造，喷管部件毛坯件包括锻件毛坯和焊接结构件毛坯，锻件毛坯采用从钢厂定制粗加工并完成相关热处理后的光坯，扩散段(2)毛坯制造中，锥筒(3)卷制精度关系到加工后最小壁厚，Ф0.5m口径的喷管最小壁厚大于15mm，Ф1m口径的喷管最小壁厚大于20mm，Ф2m及以上口径的喷管最小壁厚大于30mm；扩散段(2)的锥筒(3)的卷制圆度精度控制在3mm以内，采用数控等离子切割机下料，采用无压边精卷机卷制；

车床精度，在精加工前要对机床精度进行检测和调整，利用激光干涉仪和大理石方尺对机床精度进行检测和调整，使数控机床设备精度控制在0.005mm以内；

刀具选择，选用防震刀杆防止发生振刀或跳刀，采用修光刃立方氮化硼刀片提高切削精度，降低刀具磨损；

切削量，粗加工时，进给量2～5mm；精加工时，进给量0.2～0.5mm；增大进给量会使切削残留高度和积屑瘤高度加大，进给量为0.1～0.8mm；

切削速度，切削不锈钢时的切削速度为切削普通碳钢的40％～60％；

切削液选择、选择乳化液作为粗车、磨削与钻孔的切削液，在精加工时还需在乳化液中加入极压或油性添加剂；

刀具磨损补偿、在进入精加工过程后，一道切削工序完成后，将半精加工或精加工每道工序结束后的喷管型面数据从数控车床的系统中导出或采用便携式三坐标测量仪在车床上对该工序加工后的喷管内型面(7)进行测量，并与给定的加工数据进行比对，确定刀具磨损量和磨损规律，对下一道工序给定的加工数据进行补偿修正，修正后最大数据偏差量小于0.03mm，该修正后的数据作为下一工序加工输入参数，完成刀具磨损补偿。

3.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，在S5中，

喷管各段精加工后，入口和出口保持原有的加工尖角(10)，加工尖角(10)处禁止倒角或修磨，成品的端面进行防护防止损伤尖角；

首先按照前述的准确测量措施，准确测量各部段入口和出口的尺寸；其次，通过调整喷管各段入口和出口型面数据值，即前一段部段出口加工尖角(10)处的直径尺寸在原始理论数据的基础DL上减0.05mm，在后一段部段入口加工尖角(10)处的直径尺寸在原始理论数据的基础DL上加0.05mm，通过这种方式，确保两端连接后无逆差，顺差小于0.05mm；

喷管各部段之间的配合采用H8/h7，各部段止口连接处的凹台(11)加工深度偏差采用负偏差，凸台(12)加工长度偏差采用正偏差；

各部段止口连接处的凹台面(13)和凸台面(14)粗糙度小于1.6μm，平面度小于0.1mm；

通过计算橡胶密封圈的截面尺寸面积，确定密封槽(15)的截面面积，密封槽(15)的截面面积要大于橡胶密封圈的截面尺寸面积，确保压缩后的密封圈完全填充到密封槽内，无多余部分外溢。

4.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，在装配时，各部段以及喷管装配的同轴度精度需要满足以下要求，Ф0.5m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.1mm，Ф1m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.25mm，Ф2m量级口径的喷管同轴度小于Ф0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，在喷管制造过程中，采用锻件材料的喷管部段加工工艺为：对工件毛坯粗车至外形尺寸；热处理消除粗加工过程中产生的加工应力；粗加工完成后对工件内型面进行100％超声探伤，防止精加工后内型面出现材料缺陷；半精车工件外圆、两端面、密封台以及内型面；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；应力锤敲击震动，释放加工过程产生的应力；精车工件外圆，两内部端面以及内型面尺寸；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；内型面抛光；采用粗糙度仪检测粗糙度；三坐标检测内型面。

6.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，在喷管制造过程中，采用焊接结构件材料的喷管部段加工工艺为：钢板下料并巻制；焊接巻制段纵向焊缝；巻制段校圆；加工巻制段两端焊接坡口；焊接两端法兰(4)毛配件；焊缝100％射线探伤；焊接加强筋(5)与加强环(6)；消除焊接应力热处理；对工件毛坯粗车至外形尺寸；低温热处理消除粗加工过程中产生的加工应力；半精车工件外圆、两端面、密封台以及内型面；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；应力锤敲击震动，释放加工过程产生的应力；精车工件外圆，两内部端面以及内型面尺寸；测量对比内型面数据，修正刀具磨损误差并补偿；内型面抛光；采用粗糙度仪检测粗糙度；三坐标检测内型面。

7.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，在喷管制造过程中，喷管装配的工艺为：用酒精或四氯化碳清洗喷管各部段内型面、连接端面；采用立式装配方式，从大到小装配；每装配一段，采用塞尺、刀口尺、激光跟踪仪检查接缝与接差情况；达到要求后并紧固连接螺栓；用油石清理接口处加工毛刺；再次用激光跟踪仪检测整套喷管的同轴度。

8.根据权利要求1所述的一种常规高超声速风洞轴对称喷管制造工艺，其特征在于，在喷管制造过程中，焊后热处理消除焊接残余应力可分为加热和保温两个过程；在加热过程中，焊接残余应力随着材料屈服点的降低而降低，到达焊后热处理的温度后，残余应力被减弱到材料在此温度的屈服点以下；在保温过程中，由于高温松弛残余应力得以充分降低；扩散段(2)要进行高温固溶热处理，其热处理温度与过程控制根据材料特性确定；采用不锈钢材料制成喷管扩散段(2)时，热处理温度要达到950℃以上；采用碳钢材料制作喷管扩散段(2)时，采用低温回火热处理的方式，温度在450℃以内。

Images