[发明专利]一种离子推进器碳栅组件制孔方法

说明书

本发明一种离子推进器碳栅组件制孔方法属于离子推进器制造领域，涉及一种利用阶梯钻头和外喷高压液氮冷却钻孔的方式，实现碳栅组件在一次装夹下成对钻孔的机械加工方法。该方法中，先将球冠形碳栅组件“三明治”式装夹在机床工作台上，利用阶梯钻头一次性加工出碳栅组件不同直径的成对小孔，同时利用高压液氮进行冷却加工，降低切削温度。然后，在数控系统的控制下完成其余碳栅阵列孔的钻削。该方法通过增加碳栅组件上下支撑板有效减少制孔产生的毛刺和分层缺陷，利用液氮冷却加工，大幅度降低切削区温度，有效抑制碳栅组件氧化、烧蚀等缺陷。阶梯钻一次性成对孔加工保证了碳栅组件阵列孔的位置精度，加工效率高、精度一致性好。

技术领域

本发明属于离子推进器制造领域，涉及一种离子推进器碳栅组件制孔方法，实现碳栅组件在一次装夹下成对钻孔的机械加工方法。

背景技术

栅极组件是离子推进器的关键功能部件，由屏栅极和加速栅极成对组成，其上设计有形位精度极为严格的数千小孔，且两栅极的小孔成对设计，即成对小孔轴线重合。在强电场作用下，加速离子流从栅极组件阵列小孔中高速喷出，形成推力。如果栅极组件成对小孔的孔径和轴线姿态存在偏差，势必影响推力稳定性及加速栅极损耗。

栅极组件大多采用金属钼作为栅极材料。然而，该栅极材料易氧化、高温结构稳定性差，导致钼栅组件无法满足离子推进器更长服役寿命要求。碳/碳复合材料作为一种性能优异的高温结构/功能材料，已成为一种理想的栅极组件材料。目前，碳/碳复合材料孔加工方法主要有机械钻孔、电火花、激光打孔等方式，但这些方式都存在明显的不足。由于碳/碳复材的吸湿性，机械钻孔过程中无法使用冷却液，导致加工过程中的切削热量难以排散，加剧刀具磨损，同时钻孔过程中极易出现毛刺、撕裂、分层等缺陷；电火花和激光打孔是一种依靠高温将材料熔化、蒸发的加工工艺方法，随着电火花电流或激光能量的提升，表面缺陷程度加深，并且孔边缘出现明显烧蚀现象。为此，探索一种碳栅组件高质高效制孔方法具有重要意义。

2014年，秦旭达等人在发明专利CN104289738B“叠层结构制孔在线监测自适应加工方法，”中，通过超声波测厚方法测量制孔刀具底端与材料分界面的距离值，通过反馈方式控制刀具加工参数，但超声测量对于球冠形状工件测量误差较大，无法适用于球冠形碳栅组件的加工；2016年，刘书暖等人在发明专利CN106475591A“纤维复合材料/金属叠层结构低温制孔装置和方法”中，通过液氮作为冷却介质进行温度闭环控制，使得加工区温度处于-60℃～-40℃，有效地利用低温介质降低切削温度，保持了刀具的锋利度，但该方法由于温度传感器装置的限制，无法应用于碳栅多孔的制造应用中。

因此，如何实现碳栅组件高质高效制孔，已成为其制造的关键难题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述传统加工方法的不足，针对碳栅组件高质高效制孔难题，发明了一种离子推进器碳栅组件制孔方法。该方法中，在碳栅极的上下表面增加了铝合金垫板，形成三明治夹持结构，保障碳栅组件整体装夹可靠性，可有效抑制材料分层和毛刺缺陷；采用阶梯钻头完成栅极组件成对小孔的一次制孔成型，制孔效率高、精度一致性好；采用碳栅组件小孔阵列液氮冷却制孔，既能充分降低局部切削温度，又有利于抑制复合材料加工热缺陷。

本发明采用的技术方案是一种离子推进器碳栅组件制孔方法，其特征是，先将球冠形碳栅组件“三明治”式装夹在机床工作台上，利用阶梯钻头一次性加工出碳栅组件不同直径的成对小孔，同时利用高压液氮进行冷却加工，降低切削温度；然后，在数控系统的控制下完成其余碳栅阵列孔的钻削。方法的具体步骤如下：

第一步碳栅组件“三明治”式装夹