[00921204]液体火箭发动机喷管数字化加工技术与装备

喷管是液体火箭发动机的主体部件,是产生有效推力的关重功能组件.由于液体推进剂燃烧产生的温度极高(喷管内壁温度高达4000℃),必须在喷管壳体上设计出冷却通道对火箭喷管冷却保护,以免发生过热、氧化和烧蚀.火箭发动机喷管最终加工几何面形受强度、流动、冷却、几何等约束,是典型的多源性能强约束的复杂曲面结构零件.该类零件具有如下制造难点:尺寸大、廓形复杂、壁薄、槽数多、深宽比高等结构特征,零件可加工性差;多块金属薄板旋压、拼焊而成,毛坯件壁厚误差大、分布不均匀,切削过程中零件整体变形较大,零件具有个性化的制造特征.例如,某型号发动机直槽喷管,基准母线为离散点曲线、最大直径达Φ1500mm、冷却通道数量700多条、毛坯件壁厚约6mm、槽底剩余壁厚约2mm、不锈钢材料、单件加工周期约40个工作日;某型号发动机螺旋槽喷管,基准母线为高次曲线、最大直径Φ700mm、直径落差达500mm、螺旋升角35°、冷却通道数量500多条、槽宽最窄约1.5mm、最深槽深达5mm、剩余壁厚约1.5mm、铜合金材料、单件加工周期约25个工作日.因此,这类零件体积大、结构刚度低、材料去除比重高、加工周期长、制造难度大.传统的喷管仿形加工技术难以满足中国高性能液体火箭发动机发动机研制与批产的生产任务要求.针对液体火箭发动机喷管冷却通道加工中存在的技术难题,以保证加工质量和提高加工效率为目标,大连理工大学等单位开发出液体火箭发动机喷管冷却通道的数字化加工技术与装备.成果主要技术创新点如下:提出了液体火箭发动机喷管"测量-曲面重构设计-数控加工"的冷却通道数字化加工方法,保证了槽底剩余壁厚均匀性要求;提出了喷管冷却通道的立式对称铣削加工方法,解决了冷却通道铣削过程中工件时变刚度难题,保证了大型薄壁件加工中切削力对称平衡、应力均匀释放,提高了加工精度和效率.建立切削力对工件变形影响的预测模型,开发出喷管内表面定位、预应力可控施加的工件安装技术,解决了易变形薄壁零件可靠安装难题,提高了工艺系统刚度.开发出了集激光快速测量、数据处理、铣削加工于一体的双立柱、双主轴、双通道协同控制的液体火箭发动机喷管直槽冷却通道数字化加工装备和高深宽比、等倾角螺旋槽片铣刀四轴联动数控加工装备.该项目开发的技术与装备已于2000年在西安航天发动机厂投入使用,运行稳定.应用单位研制和生产的多批次高性能火箭发动机喷管冷却通道加工均由该系列设备完成,加工精度完全满足设计要求,产品全部合格.项目成果为液体火箭发动机喷管的研制和生产提供了技术和装备保障.鉴定委员会专家认为"液体火箭发动机喷管冷却通道加工技术与装备国内外未见报道,填补了国内空白,达到国际先进水平."