离心式喷嘴加工工艺研究

崔薇 李业栋

摘要：针对离心式喷嘴结构特点、材料特性，对喷嘴的加工流程进行分析，找出了影响喷嘴性能的核心加工工艺，通过合理设计工艺参数，确保了综合试验性能满足产品的设计要求。

关键词：喷嘴;加工工艺;性能分析

中图分类号：TH137                                   文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0040-02

0  引言

离心式喷嘴在液体火箭发动机中大量应用，主要作用是对氧化剂和燃料进行流量分配、雾化、混合，使推力室或发生器具备燃烧和膨胀做功的基本条件。流阻特性和雾化特性作为喷嘴液流试验重点考察性能要求，是喷嘴制造过程中需要重点控制的关键环节。

1  喷嘴加工工艺

喷嘴材料设计选材为1Cr18Ni9Ti不锈钢，其组织类别为奥氏体型，由于该类型不锈钢具有优异的耐蚀性、成形性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，在航天领域应用十分广泛，我国生产非常成熟，一般对其热处理是进行固溶，根据需要进行稳定化处理。

1.1 喷嘴加工性能分析

不锈钢热处理前后均可进行加工，具体到喷嘴，因其尺寸较小，所以可选用进行热处理后奥氏体状态加工工艺。由于其伸长率较大，喷嘴完全可以采用冷收口的工艺进行加工。由于该材料加工时发粘，对刀具和机床转速都有要求，尤其是针对小孔的钻削工序更应引起重视。

1.2 加工工艺风险、难点

因喷嘴切向孔孔径较小，材料又是不锈钢，切削时发粘，这样加工成的小孔的形状精度、孔内粗糙度等将会影响喷嘴的流量，因此，微小切向孔的加工可确定为加工难点。对加工中难点都要进行仔细分析，试加工，严格控制两道工序。

2  喷嘴加工工艺设计、确定

2.1 喷嘴壳体的加工过程

工艺工序见图1。

2.2 喷嘴技术要求

①有配合要求的圆柱面或工作面同轴度要求0.03-0.05mm;

②圆柱面与轴垂直度要求≤0.05mm;

③切向孔孔径公差一般为+0.02mm。

2.3 壳体粗、精车

①壳体加工采用软爪装夹定位，定位时控制径向、轴向的跳动量在0.03mm内。

②燃料或氧化剂经过的腔体尽量一次装夹加工完成，以保证各液流腔体平滑过渡及各腔的同轴性;对于一次装夹加工困难，需要倒头对接的，在加工后，需先采用钻头或铰刀将内腔交接处的毛刺去除，然后采用砂纸进行打磨，保证对接棱边，无划痕、毛刺。

③喷嘴采用数控精密小车，是为小型轴类零件、盘类零件的高效率生产而开发的精密数控设备。大型铸件采用高强度、低应力的密烘铸铁;采用日本THK精密直线导轨、丝杠和台湾高速精密主轴。具有高刚性、高精度、高效率和可靠性高的特点，不仅适合加工各种合金钢、不锈钢的精密零件，而且加工铜、铝合金等有色金属零件尤为出色。设备主要参数见表1。

④喷嘴喷口状态对喷嘴雾化质量有决定性影响，对于雾化均匀性要求高的喷嘴，在满足设计图纸要求的前提下，需对喷嘴喷口用砂纸进行抛光，并在至少30倍显微镜下检查是否存在缺陷。

⑤喷嘴常见的材料有不锈钢、高温合金、白铜等，各材料粗、精车推荐的工艺参数及机床如表2所示。

2.4 切向小孔加工

①喷嘴切向孔机械加工一般可分为钻模加工与铣钻加工两种;

②两种加工方式特点，见表3。

现喷嘴均由加工中心铣钻完成切向孔。

③铣钻加工切向孔是先用微型铣刀划平台，然后再钻、铰孔到要求孔径。当采用加工中心或数控铣床加工时，铣刀直径比最终孔径小0.05-0.1mm，其余参数详见表4。

2.5 钳工去毛刺

喷嘴毛刺主要集中在切向孔入口及切向孔出口与内腔的交接处，去毛刺过程及参数如下：

①外圆粗去毛刺：自制工装将喷嘴装夹在台钻上，转速1500-2000r/min，用什锦锉刀将外圆0.1mm以上的大毛刺及入口突起清除干净。

②内腔粗铰毛刺：用比内腔直径小0.01-0.03mm的专用铰刀，装夹在台钻上，转速500-800r/min，将内腔与切向孔交界处的大毛刺铰除。

③粗铰切向孔翻边毛刺：采用比孔径小0.005-0.01mm 的铰刀，在钻床上，将切向孔与内腔交界处翻边毛刺铰除。

④外圆精去毛刺：自制工装将喷嘴装夹在台钻上，转速1500-2000r/min，用什锦细锉刀将外圆毛刺清除干净。

⑤内腔精铰毛刺：用比内腔直径小0.01-0.03mm的专用铰刀，装夹在台钻上，转速500-800r/min，将内腔与切向孔交界处的毛刺铰除。

⑥精铰切向孔翻边毛刺：采用比孔径小0.005-0.01mm 的铰刀，在钻床上，将切向孔与内腔交界处翻边毛刺再次铰除。

⑦内腔精抛毛刺：在小型卧式车床上，将150-180目细砂纸缠在油石头上，抛光切向孔附近得内腔，将毛刺清除。

⑧疏通切向孔：用比孔径小0.005-0.01mm左右的销棒，疏通切向孔。

⑨切向孔毛刺去除完成后，需采用显微镜对切向孔毛刺进行检查，放大倍数不低于30倍，且切向孔进、出口状态需满足相关技术文件要求。

2.6 流试验与返修

喷嘴液流不合格或配套比例不满足要求时，设计技术文件一般允许通过铰孔或切向孔入口倒角的方式满足要求。对于技术要求倒角保证流量的，需要满足以下要求：

①倒角时，双手端持喷嘴，台钻转速为1000-1500r/min，切向孔向上正对钻头，钻头角度约120°。

②倒角后，采用约17°的油石尖角，对倒角后的棱边均匀钝化，并在至少30倍显微镜下检查切向孔入口毛刺。

2.7 质量检测

①喷嘴尺寸需全检全测量，为适应大批量生产需求，对于采用数控加工的尺寸，在工艺规程中已经明确机床、加工程序、刀具更换频率、抽检比例等参数的前提下，允许采用首件、中间件、尾件抽检的方式进行尺寸检验。

②切向孔孔径检测应采用塞规检测;切向孔定位尺寸推荐采用插销棒，测量销棒与定位面的距离，然后再加上销棒半径的方式进行测量，销棒直径比孔径小0.005-0.01mm，不得晃动;切向孔偏心距推荐采用插校棒，然后三坐标或万能工具显微镜进行测量，销棒直径比孔径小0.005-0.01mm，不得晃动;切向孔毛刺在至少30倍显微镜下进行检查。

3  结论

喷嘴作为燃气发生器的重要单元，主要研究了喷嘴技术要求，壳体的粗、精车、切向小孔加工、钳工去毛刺、液流试验与返修、质量检测等相关工艺参数和要求。在经过相应试验后，喷嘴的加工合格率和质量有了大幅提升。

参考文献：

[1]刘国球，胡平信.液体火箭发动机技术的回顾与发展[J].推进技术，1988（4）：2-6.

[2]宋大亮，凌前程，章荣军.双组元离心式喷嘴外喷嘴流动数值模拟分析 [J].火箭推进，2018（4）：10-15.

[3]朱宁昌.液体火箭发动机设计（上）[M].北京：中国宇航出版社，1994.

[4]曹建明.液体喷雾学[M].北京：北京大学出版社，2013.

[5]黎明，沈辉.一种离心式喷嘴的精密车削技术.上海空间推进研究所.