用激光二次加工碳/碳复合材料筛网结构的制造工艺

本发明属于激光加工领域，涉及一种用激光二次加工碳/碳复合材料筛网结构的制造工艺。

背景技术：

1、离子推进器是一种广泛应用于空间推进领域的动力装置，栅极组件作为离子推进器中的关键部件，它具有高密度栅极阵列孔的超薄结构。由于碳/碳复合材料具有高比强度、耐高温抗烧蚀、耐摩擦磨损等优点，采用碳/碳复合材料取代金属钼作为栅极材料，能够有效提高离子发动机的可靠性和寿命。碳/碳复合材料的各项物化性能受到材料致密度的影响，提高致密度可以改善材料的性能，提高栅极组件使役性能。但在采用化学气相沉积工艺对碳/碳复合材料进行致密化处理时，由于材料的孔隙会被逐步填充，沉积通道堵塞使得致密化难以继续进行，使得碳/碳复合材料致密度难以到达理想水平，影响材料的力学性能。

2、基于筛网结构具有的高密度栅极阵列孔结构特点，先采用激光加工栅极阵列孔，再对工件进行致密化处理能够有效提高工件材料致密度，由于致密化工艺会对栅极阵列孔尺寸和表面形貌产生影响，需要对栅极阵列孔进行二次加工。激光加工栅极阵列孔后，进行致密化处理，再用激光二次加工这一制造工艺方法是提高碳/碳复合材料致密度，缩短碳/碳复合材料致密时间的有效手段。但是，激光二次加工过程中，第一次加工若按照栅极阵列孔的公称直径加工，难以保证二次加工精度，且气态前驱体传输通道随着栅极阵列孔直径增大而增加。为此，需要结合筛网结构高密度栅极阵列孔结构特点与孔间连接处的尺寸约束，以及二次加工引入的安装误差，针对性的开发用激光二次加工碳/碳复合材料筛网结构制造工艺方法。

3、现有技术文献1王晶等人专利公开号为cn105461337a的发明专利“超短脉冲激光加工辅助cvi制备陶瓷基复合材料的方法”，采用超短脉冲激光加工微孔辅助化学气相沉积工艺的方法，能够缩短陶瓷基复合材料达到理想致密度的所需时长，但该方法对激光加工设备的要求较高，且所制备的微孔并非该种复合材料构件服役所需的功能结构，完成致密后微孔会被封填，影响使用性能。

技术实现思路

1、本发明专利旨在克服现有技术的缺陷，提高碳/碳复合材料筛网结构致密化程度，发明了用激光两次加工阵列孔，并进行致密化处理的制造工艺方法。该方法针对高密度阵列孔的特征，在第一次加工阵列孔时，预留在第二次加工过程中去除的加工余量，且在两次加工中采用同一夹具与定位方法；通过计算在二次加工过程中的最大误差，使得加工余量覆盖二次加工所产生误差范围。在第一次加工阵列孔径提高气态前驱体传输通道的基础上，保证最终成型阵列孔的精度。该方法可有效提高工件材料的致密度，提高栅极组件使役性能，对离子发动机的可靠性和寿命的提高具有重要意义。

2、本发明采用的技术方案是一种用激光二次加工碳/碳复合材料筛网的制造工艺方法，其特征在于，制造工艺采用激光第一次加工阵列孔后，进行致密化处理，再进行激光第二次加工的方法，提高工件材料的致密度，改善栅极的力学性能；第一次激光加工阵列孔前，预留在第二次加工过程中去除的加工余量，通过计算在二次加工过程中的误差，且在两次加工中采用相同夹具与定位方法，使得加工余量覆盖二次加工所产生误差范围，保证第二次加工获得的栅极阵列孔满足加工要求。

3、本发明采用的具体工艺步骤如下：

4、步骤1：对加工余量进行分析计算

5、对于孔的加工，先计算双边余量；考虑到激光加工特性，激光加工阵列孔双边加工余量的计算公式为：

6、2zb＝ta+2εb          (1)

7、式中：zb表示阵列孔的单边加工余量，ta表示前一工序的公差，εb表示本工序的安装误差；本工序的安装误差包括了定位误差、夹紧误差和夹具的制造误差，定位误差在其中所占比例较大；

8、步骤2：x、y方向偏移量分析计算

9、针对碳/碳复合材料筛网结构上的左右定位孔，一般采用“一面两销”定位，其中，左定位孔1的定位销是圆柱销，右定位孔2采用削边销；规定x方向为平行于左右定位孔连线方向，y方向为垂直于两定位孔连线方向；

10、由于削边销在x方向上不起限制作用，x方向偏移量由圆柱销所在的定位副决定；设圆柱销的直径d1，圆柱销与左定位孔1的最大间隙δ1的算法为：

11、δ1＝δ1+δx1+δg1    (2)

12、式中：δ1表示圆柱销和左定位孔1的最小间隙,δx1表示圆柱销的公差,δg1表示左定位孔1的公差；

13、在x方向上平移引起的偏移量dwa等于圆柱销与左定位孔1配合最大间隙一半，即：

14、

15、式中：δ1表示圆柱销与左定位孔1配合的最大间隙。

16、对于y方向偏移量，工件会发生旋转或先平移后旋转的情况，假设工件先平移δ1/2再旋转情况下偏移量最大；计算y方向偏移量dwb公式如下：

17、

18、式中：δ2表示削边销与右定位孔2的最大间隙，l表示两定位孔的中心距，x表示平行于左右定位孔连线方向上任意栅极阵列孔5到左定位孔1的距离；

19、根据右定位孔2直径d2确定削边销宽度b，削边销最小间隙δ2的计算公式为：

20、

21、式中：δlg表示对称分布形式的定位孔中心距偏差值，δlx表示对称分布形式的销中心距偏差值，取

22、计算削边销与右定位孔2的最大间隙。削边销与右定位孔2的最大间隙δ2的计算公式为：

23、δ2＝δ2+δx2+δg2   (6)

24、式中：δx2表示削边销的公差，δg2表示定位孔2的公差

25、计算削边销的公称直径d2：d2＝d2-δ2(7)

26、定位误差计算：定位误差δd计算方法为：

27、

28、步骤3：加工图纸绘制

29、计算第一次加工的栅极阵列孔直径da，计算公式为：

30、da＝d-2zb    (9)

31、式中：d表示栅极阵列孔公称直径，zb表示阵列孔的单边加工余量；

32、绘制左右定位孔、第一次加工、第二次加工图纸。其中，在定位孔加工图纸中的左定位孔1下方绘制标记孔6，标记孔6的中心线与x轴的夹角为θ；

33、步骤4：左右定位孔及第一次栅极阵列孔加工

34、1)将有左右定位孔和栅极阵列孔的加工图纸导入激光切割机床，按图纸加工左、右定位孔1、2和标记孔6；

35、2)第一次阵列孔加工

36、将工件通过“一面两销”的方式进行定位，圆柱销与左定位孔1配合，削边销与右定位孔2配合；将直径为da的栅极加工图纸导入到激光切割机床，进行对刀设置，确定工件与机床相互位置关系。利用机床模拟运行功能试运行，确保激光切割头在加工过程中不会与夹具发生干涉。最后，运行加工程序，采用准连续激光加工出全部栅极阵列孔5。

37、步骤5：致密化处理

38、首先设置沉积温度和压力，分别根据不同的材质进行设定。再将已加工了栅极阵列孔的工件从夹具上取下，放到等温化学气相沉积炉内恒温区域内，接着通入气态前驱体和载气。工件上加工了高密度阵列孔，增加了前驱体与攻坚的接触面积，增加了大量孔隙，气体通过其进入工件内部沉积提高工件密度，最终完成工件致密化。

39、步骤6：激光第二次加工

40、首先根据标记孔6位置区分左右定位孔1、2及工件正反面，并采用第一次加工栅极阵列孔的装夹方式在相同夹具上安装工件；再将激光第一次加工过的栅极加工图纸导入到激光切割机床，进行对刀设置，确保工件与机床相互位置关系与第一次加工阵列孔的相互位置关系一致；接着利用机床模拟运行功能试运行，确保激光切割头在加工过程中不会与夹具发生干涉；最后运行加工程序，先进行第二次栅极阵列孔5的加工，再按栅极安装孔的尺寸依次加工四个栅极安装孔4，最终按给出的栅极整体直径d3尺寸加工切除多余材料，完成全部加工。

41、本发明的显著效果和益处是针对碳/碳复合材料在制备过程中的孔隙被逐步填充，沉积通道堵塞使得致密化难以继续进行，使得碳/碳复合材料致密度难以到达理想水平，影响材料的力学性能的问题，利用激光加工阵列孔-致密化处理-激光二次加工的制造方法，提高工件材料的致密度，改善栅极的力学性能。通过在两次加工中采用同一夹具与定位方法，使得加工余量覆盖二次加工所产生误差范围。在第一次加工阵列孔径提高气态前驱体传输通道的基础上，保证最终成型阵列孔的精度，该方法可有效提高工件材料的致密度，提高栅极组件使役性能，对离子发动机的可靠性和寿命的提高具有重要意义。