基于高超声速风洞喷管加工工艺分析

吴鑫禹 沈阳工业安装工程股份有限公司

一、工件结构和加工的难点

针对使用马氏体不锈钢的某型号喷管进行具体的研究，在明确其工件的尺寸和化工的精度，全长为393毫米，其内型面的光滑曲线是由一系列的坐标点回转而成的，在整个工件加工的过程中，面轮廓的加工精度要求是最高的，需要0.05毫米[1]。

在工件左端面185毫米的地方，喷管内型面仅仅只有∮9.42毫米（喉道A截面）的截面尺寸，在整个的实验设备中，这个尺寸是关键所在，喷管加工的精度对实验数据是否准确，起到决定性的作用。我们主要进行加工工艺分析的是喷管内型面喉道A截面。

二、喷管内型面加工工艺设计

（一）加工工艺方案

（1）传统方案：使用普通的车床，把喉道的直径变成通孔并且加工到相应的尺寸，在将数控接到两端进行光滑。使用这种加工的方案，需要操作者具有高超的技术，并且车床刀杆需要具有一定的强度。在最开始使用这种方式的时候，因为没有相应的软件可以对数据点进行转化，只能手工对车床内输入这些数据点，在使用折线进行拟合，最后使用抛光的办法确保喷管内型面是光滑的就可以了，使用这种方式既耗费时间，又不能使内型面尺寸的精度得到保证。

（2）电火花加工：可以使用电火花将喉道加工到尺寸，然后对其进行光滑加工，在使用电火花加工这种方案时，先进行电极粗加工，然后在电极精加工，粗加工的时候需要留0.1毫米的单边放电间隙，在精加工的时候这条间隙需要小于0.05毫米，但是这种方案还是存在缺点的：因为要多次找正装夹，要求很高的基准；在电极加工的时候使用的是比较贵的紫铜，并且使用的电极是粗、精两种，其成本高，浪费材料多；使用电火花的时候对喉道粗糙程度没有办法进行保证，如果使用小电流的电火花对粗糙度进行保证，那么需要使用很长的时间进行加工，效率低下；电火花设备需要具有平旋头，否则会出现放电时电流不均匀的情况，某个部位的电流会突然增大，致使喉道出现椭圆，对加工的精度产生影响。

（3）先粗加工再精加工；可以使用车床先进行粗加工，去掉两端多余的部分，然后在使用带有钻头的长钻杆钻出∮9毫米的通孔，最后使用专业进行数控加工的刀杆进行加工。为了对内型面在加工时的精度以及刀杆在使用过程中的刚度进行保证，特别是喉道尺寸的精度，在喉道进行精加工的时候，其离端面的距离要在最短的一段，就是在进行内型面大端加工的时候，在加工的过程中要严格控制喉道的尺寸，确保达到规定的尺寸，再转换加工面，将内型面的小端加工到需要的尺寸。使用这种方式加工的效率高，操作起来方便简单，可以对尺寸的精度和表面的粗糙度进行保证[2]。

从上面这三种方案的加工过程以及效率中可以看出，使用第三种方案不仅可以确保加工的质量，而且还可以提升加工的效率，减少加工的成本，所以在实际的加工中，我们可以使用第三种方法。

（二）工装设计

因为这个工件是小直径深孔加工的，所以为了确保工件和喉道直径的加工，在加工的过程中必须使用工装设计专用的刀杆。为了确保刀杆的强度，需要使用40Cr的材料对其实施调质处理。

在进行常规操作的时候，在刀杆尖端装置刀片的地方，需要先制作一个凹槽用来装刀片，然后再把刀片进行焊接，但是实施这个方案的时候有几个缺点：第一，在焊接刀片的时候，因为面积小的原因，所以具有比较大的焊接难度，容易出现焊接不牢固的现象；第二，在对刀片进行刃磨时，必须要跟刀杆一起操作，这样就加大了操作的难度，不易控制切削的角度；第三，不容易控制刀片中心的位置。

改进传统的刀杆，将其优化成三段，将∮8毫米的圆形状的高速钢车刀条作为前段材料，可以直接从刀条上面进行削刃开切，在中间段和后段可以使用40Cr的材料实施调质处理。使用钎焊的方式将前段和中段进行连接，后段可以使用螺纹的方式与中段进行连接。

对刀杆进行改进后，其优点是：第一，因为使用圆形的刀条插入到止口钎焊中，可以实现刀杆和刀具的自动对中，确保同轴；第二，在刃磨刀具的时候，只要把中段和前段在连接的地方旋转开就可以了，大大减轻了操作的重量，操作起来比较简单，可以确保刃磨的质量；第三，圆形的刀条在焊接的时候比焊接刀片难度低，可以确保焊接的质量。

三、加工工艺参数选择

加工喉管道的材料需要选择使用锻件为2Cr13的马氏体不锈钢，因为在加工不锈钢材料时具有难度的特点，在选择刀具的时候，需要耐热性好、韧性高、硬度高的高速钢材料。而且刀具的材料需要小于不锈钢的化学亲和力。在考虑到成本以及对切削加工满足其要求的情况下，在实际进行机械加工的时候选择高速钢材料是W2Mo9Cr4VCo8[3]。

在对刀具刃磨的时候，为了降低后刀面的摩擦和切削变形，在使用后角和前角时，要使用比较大的参数，而且不易采用过宽的负倒棱。同时要将前角进行增大，以此获得较好的断屑效果，在选择卷屑槽的时候需要使用全圆弧形的。为了确保喷管内型表面的粗糙度，在进行刃磨的时候，要需要使刀面前后具有的光洁度较高。

四、结束语

总而言之，本文对高超声速风洞喷管的加工工艺进行探讨，具体分析了某型号喷管内型面的加工工艺，并对其进行优化，先后开展了在工艺上面进行分析，并实施试验、对专用的刀头进行设计等内容，可以确定的是，优化喷管加工的工艺，可以有效的提升加工的效率，使成本得到降低。