[發明專利]一種離子推進器碳柵組件制孔方法

有效

• 申請號: 201811029370.2
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109227740B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 劉海波;王晉宇;韓靈生;仲小清;甘涌泉;劉闊;王永青;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B26F1/16
• 分類號: B26F1/16;B26D7/02;B26D7/08
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 關慧貞

本發明一種離子推進器碳柵組件制孔方法屬于離子推進器制造領域，涉及一種利用階梯鉆頭和外噴高壓液氮冷卻鉆孔的方式，實現碳柵組件在一次裝夾下成對鉆孔的機械加工方法。該方法中，先將球冠形碳柵組件“三明治”式裝夾在機床工作臺上，利用階梯鉆頭一次性加工出碳柵組件不同直徑的成對小孔，同時利用高壓液氮進行冷卻加工，降低切削溫度。然后，在數控系統的控制下完成其余碳柵陣列孔的鉆削。該方法通過增加碳柵組件上下支撐板有效減少制孔產生的毛刺和分層缺陷，利用液氮冷卻加工，大幅度降低切削區溫度，有效抑制碳柵組件氧化、燒蝕等缺陷。階梯鉆一次性成對孔加工保證了碳柵組件陣列孔的位置精度，加工效率高、精度一致性好。

技術領域

本發明屬于離子推進器制造領域，涉及一種離子推進器碳柵組件制孔方法，實現碳柵組件在一次裝夾下成對鉆孔的機械加工方法。

背景技術

柵極組件是離子推進器的關鍵功能部件，由屏柵極和加速柵極成對組成，其上設計有形位精度極為嚴格的數千小孔，且兩柵極的小孔成對設計，即成對小孔軸線重合。在強電場作用下，加速離子流從柵極組件陣列小孔中高速噴出，形成推力。如果柵極組件成對小孔的孔徑和軸線姿態存在偏差，勢必影響推力穩定性及加速柵極損耗。

柵極組件大多采用金屬鉬作為柵極材料。然而，該柵極材料易氧化、高溫結構穩定性差，導致鉬柵組件無法滿足離子推進器更長服役壽命要求。碳/碳復合材料作為一種性能優異的高溫結構/功能材料，已成為一種理想的柵極組件材料。目前，碳/碳復合材料孔加工方法主要有機械鉆孔、電火花、激光打孔等方式，但這些方式都存在明顯的不足。由于碳/碳復材的吸濕性，機械鉆孔過程中無法使用冷卻液，導致加工過程中的切削熱量難以排散，加劇刀具磨損，同時鉆孔過程中極易出現毛刺、撕裂、分層等缺陷；電火花和激光打孔是一種依靠高溫將材料熔化、蒸發的加工工藝方法，隨著電火花電流或激光能量的提升，表面缺陷程度加深，并且孔邊緣出現明顯燒蝕現象。為此，探索一種碳柵組件高質高效制孔方法具有重要意義。

2014年，秦旭達等人在發明專利CN104289738B“疊層結構制孔在線監測自適應加工方法，”中，通過超聲波測厚方法測量制孔刀具底端與材料分界面的距離值，通過反饋方式控制刀具加工參數，但超聲測量對于球冠形狀工件測量誤差較大，無法適用于球冠形碳柵組件的加工；2016年，劉書暖等人在發明專利CN106475591A“纖維復合材料/金屬疊層結構低溫制孔裝置和方法”中，通過液氮作為冷卻介質進行溫度閉環控制，使得加工區溫度處于-60℃～-40℃，有效地利用低溫介質降低切削溫度，保持了刀具的鋒利度，但該方法由于溫度傳感器裝置的限制，無法應用于碳柵多孔的制造應用中。

因此，如何實現碳柵組件高質高效制孔，已成為其制造的關鍵難題。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是克服上述傳統加工方法的不足，針對碳柵組件高質高效制孔難題，發明了一種離子推進器碳柵組件制孔方法。該方法中，在碳柵極的上下表面增加了鋁合金墊板，形成三明治夾持結構，保障碳柵組件整體裝夾可靠性，可有效抑制材料分層和毛刺缺陷；采用階梯鉆頭完成柵極組件成對小孔的一次制孔成型，制孔效率高、精度一致性好；采用碳柵組件小孔陣列液氮冷卻制孔，既能充分降低局部切削溫度，又有利于抑制復合材料加工熱缺陷。

本發明采用的技術方案是一種離子推進器碳柵組件制孔方法，其特征是，先將球冠形碳柵組件“三明治”式裝夾在機床工作臺上，利用階梯鉆頭一次性加工出碳柵組件不同直徑的成對小孔，同時利用高壓液氮進行冷卻加工，降低切削溫度；然后，在數控系統的控制下完成其余碳柵陣列孔的鉆削。方法的具體步驟如下：

第一步碳柵組件“三明治”式裝夾