红外器件制冷器薄壁零件的设计与加工

梁进智，卢加涛，刘宏宇

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

随着红外探测器组件在军事领域的广泛应用，对组件性能指标也提出了很高的要求，特别是对于便携式和机载热成像系统，其输入功率、重量和体积、制冷时间以及工作寿命是主要关心的指标［1］。由于总的热负载和制冷时间要求确定了制冷机的制冷功率，间接确定了它的输入功率、体积和重量等，因此探测器组件结构设计的重点就是要降低热负载，同时要保证零件的机械性能、表面状况，满足组件制冷、振动、冲击等环境试验要求。本文根据组件性能指标要求，从理论计算到模拟，设计了一款微杜瓦薄壁冷指结构，并分析了依靠现有设备对其加工，保证其尺寸精度、表面粗糙度等工艺要求，所面临的主要机械加工工艺难点。

2 理论计算及模拟分析

根据组件性能指标要求，在设计过程中主要对零件的热负载、热容、热变形、振动频率、重量等主要参数进行理论计算，然后综合考虑，取其最优。

2.1 热负载计算

在制冷功率要求一定的情况下，探测器组件的热负载增加很容易造成器件达不到所需要的工作温度，甚至出现窗口结雾、结霜，使得组件失效的现象。组件的热负载主要来源于辐射传热、气体和固体传导传热，因此在设计时要充分考虑零件材料特性、结构形式和表面状况对组件热负载的影响。

2.1.1 辐射传导传热

组件的辐射传热主要发生在真空部分两个表面之间，其热负载为:

表1 不同材料、不同表面状况的热辐射系数

金属材料抛光后的表面粗糙度Ra可达到0.008～1.25，因此对于探测器组件中的薄壁零件表面粗糙度Ra设计值要低于0.8。考虑到制冷机的运动特性，与制冷机耦合的薄壁冷指零件表面粗糙度Ra的设计值小于0.08。

2.1.2 气体传导传热

气体热传导是通过气体分子的热运动进行的。在组件的实际使用过程中，组件内的真空度逐渐降低，气体分子的自由程不断减少，气体分子之间及气体分子对真空内部表面的碰撞不断增加，气体的热传导不断增大，因此组件内的气体传导传热主要考虑气体分子的平均自由程与真空部分结构尺寸δ之比。

式中:κ为波尔茨曼常数;σ为气体分子直径;P为气体压强;T为测量压强P处的温度。各种气体分子直径如表2所示。

表2 各种气体分子直径

由于氢气对金属的穿透力最强，且分子直径最小，通常以氢气分子的平均自由程为计算对象。由公式可以看出气体分子的平均自由程与杜瓦内部的压强成反比，在不同真空度下气体分子平均自由程是不一样的，组件真空部分的特征尺寸一般很小，当真空度低于102 Pa时窗口已结霜，因此在计算气体传导传热时只需考虑高真空条件下λ＞δ的情况。

2.1.3 固体传导传热

由热力学原理可知，通过界面A和长度L的导体存在温差T2－T1将会发生热功率传输。假设组件耦合冷指芯管的壁厚为δ1，横截面积为A1，从冷指尾部端口(设该处管壳温度为T2=300 K)到内腔液氮面的长度为l1，外界沿管壁经l1长度向管内制冷液的固体传导传热为:

式中:φ为修正系数;ks1为冷指芯管的固体热传导系数;As1为冷指芯管的横截面积。由公式可知，冷指芯管的传热主要与导热系数、横截面积成正比，与芯管长度成反比。在设计时，尽量选用导热系数小的材料，采用薄壁、细长结构。

2.2 热容计算

材料本身的热容属性决定了组件制冷启动时间，在设计时尽量采用比热容小的材料，使结构热容小。结构热容计算公式为:Q=C·M·ΔT，式中C为材料比热容，M为结构质量，ΔT为温度变化范围。表3为常用金属材料物理属性。

表3 常用金属材料物理属性

图1为组件冷端在低温制冷600s时的温度分布模拟图。从图中可以看出，由于冷端材料厚度尺寸较大，相应增加了热容量，导致在斯特林制冷机工作10 min后，冷端温度还没有达到器件能够有效工作的低温状态，势必影响组件的性能。因此在组件设计时，尽量选用比热容小的材料，厚度尺寸要薄，同时要满足结构强度要求。

图1 组件冷端低温制冷600s时的温度分布模拟图

2.3 振动频率计算

红外探测器组件薄壁芯柱结构如图2所示，其结构形式相当于一个悬臂梁，在设计时必须要考虑使用环境所带来的机械振动、冲击，满足振动频率的要求，防止共振现象的发生。主要考虑水平和垂直方向两种振动:

图2 组件薄壁芯柱结构图

式中，l为芯柱长度;E为弹性模量;I为惯性力矩;g为重力加速度;A为芯柱横截面积;ρ为材料密度。

2.4 热应力分析

由于组件薄壁结构总是受冷热温度冲击，结构设计时必须要考虑热应力的问题，减少热应力对器件带来的破坏作用。本文针对一种结构形式，模拟了在斯特林机制冷的过程中，发生的热变形及热应力分布，分析结果如图3、图4、图5所示。图3为制冷600s后薄壁芯柱结构的温度分布，图4为制冷过程中，薄壁芯柱所发生的热变形，图5为其变形过程中的应力分布。

从图中可以看出，该结构形式能够满足低温制冷时间要求，热变形小，热应力主要集中的粘接连接处，对器件的影响小，能够满足使用要求。

3 加工工艺分析

根据理论计算与模拟分析结果，薄壁芯柱材料选用特殊合金材料，具有以下物理属性:硬度150～220 HB，导热系数10.1 W/m·℃，比热容0.427 kJ/kg·K，线性膨胀系数 12.8 ×10－6/℃，弹性模量207.5 MPa，泊松比0.278;结构尺寸及公差要求为:内孔直径7.5 mm，长度40 mm，长径比大于5，壁厚0.15 mm，内、外表面粗糙度小于Ra 0.08，圆度误差小于0.003 mm，管壁内孔直线度0.005 mm。从结构设计参数可以看出红外探测器组件中的薄壁芯柱属于薄壁细长件，通常薄壁细长件的加工径向刚度很低，在切削力和夹紧力的作用下很容易产生弯曲变形，其内孔的加工更是困扰生产瓶颈［2］。并且由于薄壁芯柱工作环境条件特殊，加工误差大会导致摩擦系数增大，使热负载增加，进而延长制冷时间，严重的情况会导致制冷机损坏，不能保证探测器组件正常工作。因此对薄壁芯柱的加工工艺进行合理分析，确认现有设备加工水平能否满足要求，对下一步编制工艺、安排生产等活动的开展显得至关重要。

3.1 机加工艺路线及加工特点［3］

对于此薄壁细长件，一般采用的工艺路线是:车外圆，以车过的外圆定位在车床上钻通内孔，经热处理后，上内圆磨床磨内孔，然后珩磨内孔，去除磨孔后的接刀痕，再研磨修正，提高表面光洁度［2］。在加工过程中，影响直线度、圆度的几个主要工序有:

(1)车床钻孔。车床钻孔时，尾架上钻头的悬伸量不能过长，否则影响其刚度，产生工件“发颤”现象，一般采取两头对钻的方式，但会存在接刀痕，接刀痕处产生应力集中，随着应力的缓慢释放，致使工件产生弯曲变形。

(2)热处理。为了提高工件表面的耐磨性和抗疲劳强度，同时保持心部的高韧性，工件表面须进行渗碳、淬火处理。在接刀痕处也会产生不同的厚度的热处理层。

(3)磨内孔。工件内孔尺寸较小，砂轮直径也小，在内圆磨床上磨内孔时，砂轮杆悬伸量亦不宜过长，工件多次装夹，易存在接刀痕，产生应力集中，虽经后续珩磨、研磨工序的补充加工，直线度和表面光洁度得到改善和提高，但随着内应力的缓慢释放，应力平衡状态遭到破坏，工件还会产生弯曲变形，致使直线度超差，对已合格的零件来说，存在巨大的安全隐患。

3.2 工艺措施

(1)钻孔时的装夹，采用辅助夹具，工件由几点加压变为整个圆周受力，增加工件的支持面和夹压面积，使之受力均匀，减少局部塑性变形。

(2)切削量和切削速度的选择，为减少工件的振动和变形，应使工件所受切削力和切屑热最小。

(3)刀具选择及参数确定，采用硬质合金刀具，钻头的排屑线为抛物线形式，可以有效切断切屑使之易于排除。

(4)冷却，冷却液采用硫化物矿物油，易喷射为好。

4 结论

本文从理论计算到有限元分析综合描述了红外探测器组件中的薄壁金属零件冷指的设计过程，同时对该零件的机械加工工艺进行了分析，并指出了现有工艺及设备加工该类零件所采取的工艺措施。

［1］Leonard Gregory R，Toft John B，Tollefson Jan，et al．Miniature FPA/IDCA:Progress report［J］．Proc．SPIE，1993，2020:482－490．

［2］Ge Zhenhong，Yao Zhenqiang．Analysis of beeline hole machining techniques for thin-walled ＆ long part［J］．Machine Manufacture，2005，9:61 －62．

葛振红，姚振强．薄壁细长件内孔直线度加工工艺分析［J］．机械制造，2005，9:61 －62．

［3］Gao Yingjie，Zhang Yi．Machining techniques research of thin-walled ＆ long high precision TC1 tube［J］．Mechanical engineer，2008，8:147 －148．

高英杰，张毅．高精度TC1合金薄壁细长管的机加工工艺研究［J］．机械工程师，2008，8:147 －148．