本發(fā)明涉及一種高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸，可用于航空、航天領(lǐng)域中類錐形復(fù)雜夾層結(jié)構(gòu)件的高溫釬焊。

背景技術(shù)：

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部主要采用釬焊波紋板結(jié)構(gòu)。其燃燒室和噴管前段為波紋板夾層結(jié)構(gòu)，采用整體爐中釬焊的方式。這種釬焊結(jié)構(gòu)方式具有工藝過程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于釬焊身部的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，各截面尺寸變化大，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品釬焊后局部變形問題。現(xiàn)有技術(shù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊轉(zhuǎn)軸大端支撐環(huán)與水冷軸之間為鋼-鋼摩擦副，在產(chǎn)品焊接過程中摩擦力比較大從而導(dǎo)致產(chǎn)品軸向伸縮不暢，產(chǎn)品在焊接過程中軸向受壓，常溫后恢復(fù)狀態(tài)不能滿足使用要求。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊轉(zhuǎn)軸與推力室身部小端固定連接，推力室身部在受熱狀態(tài)下由小端向大端膨脹滑動(dòng)，膨脹阻力較大端固定增加很多，因此推力室身部高溫釬焊轉(zhuǎn)軸的使用使發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部的焊接合格率相對(duì)較低。因此需采用適合的工藝設(shè)備以降低產(chǎn)品釬焊局部變形，即采用發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸，能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊轉(zhuǎn)軸所釬焊產(chǎn)品的受力狀況，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、所焊接產(chǎn)品性能可靠和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于類錐形復(fù)雜夾層結(jié)構(gòu)件的釬焊和熱處理。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸，包括水冷軸、石墨-金屬摩擦副和支撐環(huán)。

所述的水冷軸包括由內(nèi)至外依次嵌套的內(nèi)軸、隔熱層和伸長套，所述的內(nèi)軸為中空柱體，用于循環(huán)冷卻水；所述的隔熱層由碳纖維氈材料構(gòu)成；隔熱層包裹內(nèi)軸，伸長套在溫度變化時(shí)能夠軸向自由伸縮；所述的石墨-金屬摩擦副包括金屬環(huán)和石墨環(huán)，所述的石墨環(huán)同軸連接在金屬環(huán)內(nèi)，石墨環(huán)內(nèi)側(cè)與內(nèi)軸一端間隙配合連接，金屬環(huán)外側(cè)與推力室身部小端固接；推力室身部大端通過支撐環(huán)剛性連接內(nèi)軸的另一端；伸長套的一端插接在支撐環(huán)芯軸處，另一端固接石墨-金屬摩擦副的金屬環(huán)。

所述水冷軸的內(nèi)軸為三層金屬圓筒同軸嵌套形成夾層結(jié)構(gòu)，三層金屬圓筒之間通過支撐塊分隔支撐。

所述的石墨環(huán)等分為六瓣，通過安裝螺釘和金屬環(huán)內(nèi)側(cè)連接，安裝螺釘帽表面不與內(nèi)軸接觸。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用大端支撐環(huán)與水冷軸的剛性固定，膨脹阻力將按產(chǎn)品大端和小端的比重減小，較之前小端支撐環(huán)固定的結(jié)構(gòu)抗變形能力增強(qiáng)很多。

(2)本發(fā)明中水冷軸伸長套的伸縮補(bǔ)償設(shè)計(jì)使包裹內(nèi)軸的伸長套在高溫狀態(tài)下受熱向一端自由伸長，伸長套包裹的隔熱層及循環(huán)水作用的保護(hù)使內(nèi)軸受溫度變化影響很小，而釬焊產(chǎn)品在高溫作用下推動(dòng)石墨-金屬摩擦副向伸縮補(bǔ)償端的相反方向滑動(dòng)，由于伸長套和石墨-金屬摩擦副的間隙配合及石墨金屬之間很小的摩擦系數(shù)，兩個(gè)相反方向的滑動(dòng)互不影響，即高溫下主軸整體長度基本無變化；當(dāng)產(chǎn)品逐漸冷卻過程中伸長套及石墨金屬摩擦副各自向相反方向收縮，使得所釬焊產(chǎn)品受溫度影響所產(chǎn)生的自由變形恢復(fù)原狀。

(3)本發(fā)明中突破了長期以來產(chǎn)品由小端向大端膨脹滑動(dòng)的固有模式，石墨-金屬摩擦副受力狀態(tài)較好，是釬焊身部釬焊工藝的一次創(chuàng)新。

(4)本發(fā)明所采用的產(chǎn)品裝夾方式大大降低了釬焊過程中產(chǎn)品內(nèi)部受彎程度，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、所焊接產(chǎn)品性能可靠及通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于類錐形復(fù)雜夾層結(jié)構(gòu)件的高溫釬焊及熱處理等過程。

附圖說明

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)推力室高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)圖；

圖2為石墨-金屬摩擦副示意圖；

圖3為插接連接伸縮補(bǔ)償端放大圖；

圖4為大支撐環(huán)伸長套插接連接結(jié)構(gòu)圖；

圖5為大支撐環(huán)示意圖；

圖中，1-水冷軸，2-石墨-金屬摩擦副，3-伸縮補(bǔ)償端，4-大支撐環(huán)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸，包括水冷軸、石墨-金屬摩擦副、伸縮補(bǔ)償端、和大支撐環(huán)。

所述的水冷軸由內(nèi)軸、隔熱層及伸長套組成，其中水冷軸的內(nèi)軸為三層金屬圓筒及支撐塊焊接構(gòu)成的夾層結(jié)構(gòu)作為冷卻循環(huán)水的通道及焊接支撐軸的內(nèi)軸，水冷軸內(nèi)軸由碳纖維氈材料構(gòu)成的隔熱層包裹，隔熱層外周由金屬伸長套包裹，內(nèi)軸、隔熱層及伸長套三者構(gòu)成的水冷軸，在高溫釬焊過程中由于內(nèi)軸在循環(huán)水和隔熱層的保護(hù)下其結(jié)構(gòu)受溫度的影響變化不大，而伸長套在溫度變化時(shí)可以軸向自由伸縮；石墨-金屬摩擦副由金屬環(huán)及石墨環(huán)構(gòu)成，為便于石墨環(huán)安裝和減小熱膨脹影響，將石墨環(huán)等分為六瓣，其通過安裝螺釘和金屬環(huán)內(nèi)側(cè)安裝孔連接，為避免石墨環(huán)內(nèi)側(cè)安裝螺釘帽和伸長套配合處產(chǎn)生摩擦，安裝螺釘帽上表面必須完全沉入安裝孔內(nèi)且距接觸面應(yīng)有一定距離，伸長套和石墨-金屬摩擦副內(nèi)環(huán)通過間隙配合連接，石墨-金屬摩擦副金屬外環(huán)和焊接產(chǎn)品對(duì)接，在溫度變化時(shí)，焊接產(chǎn)品隨溫度軸向變化時(shí)，推動(dòng)間隙配合的石墨金屬摩擦副滑動(dòng)。連接的伸長套和大支撐環(huán)芯軸在溫度變化時(shí)具有伸縮補(bǔ)償功能；推力室身部大端和大支撐環(huán)剛性連接后大端固定，推力室身部在受熱狀態(tài)下伸長，推力室小端和石墨-金屬摩擦副連接，由于石墨-金屬摩擦副的摩擦系數(shù)在高溫時(shí)較常溫時(shí)小很多，且發(fā)動(dòng)機(jī)小端石墨-金屬摩擦副較大端支撐環(huán)重量輕很多，推力室在溫度變化自由伸長時(shí)，推動(dòng)石墨-金屬摩擦副滑動(dòng)，相比小端向大端膨脹滑動(dòng)，阻力要減小很多；推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸可使產(chǎn)品在釬焊過程中由于溫度變化引起的產(chǎn)品變形程度最小。

所述的石墨-金屬摩擦副由裝于伸長套和發(fā)動(dòng)機(jī)小端連接的石墨支撐環(huán)間隙配合組成，由于溫度變化時(shí)金屬-金屬之間的摩擦系數(shù)變化無規(guī)律，石墨-金屬之間的摩擦系數(shù)隨溫度升高逐漸減小，石墨-金屬之間摩擦系數(shù)為金屬-金屬的30～40％，另外石墨具有自潤滑作用，其目的在于釬焊爐溫度升高過程中產(chǎn)品軸向熱膨脹在降溫過程中可恢復(fù)原狀，因此其裝于發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部小端。

所述的大支撐環(huán)芯軸和伸長套插接連接，其芯軸和伸長套端面之間間隙構(gòu)成了伸縮補(bǔ)償端，溫度升高過程中，推力室受熱自由伸長，推動(dòng)石墨-金屬摩擦副滑動(dòng)，同時(shí)由于伸長套受熱在軸向會(huì)產(chǎn)生伸長，在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)留伸長套的伸長空間，同時(shí)水冷軸內(nèi)部夾層結(jié)構(gòu)的循環(huán)水及保溫層的保護(hù)下保證了軸的整體剛性。

所述的推力室身部大端和大支撐環(huán)固定連接，推力室身部在受熱狀態(tài)下可由大端向小端膨脹滑動(dòng)，相比小端向大端膨脹滑動(dòng)，膨脹阻力按產(chǎn)品大端和小端的比重減小。

所述的大支撐環(huán)與水冷軸剛性固定，同時(shí)產(chǎn)品小端與水冷軸可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣可以大大降低釬焊過程中產(chǎn)品內(nèi)部的受力狀態(tài)。另外釬焊時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部小端和大端比小端輕很多，同時(shí)石墨為非金屬，承力能力較金屬弱很多，石墨-金屬摩擦副安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)小端可防止石墨環(huán)因受較大力而破壞，該方案突破了長期以來產(chǎn)品由小端向大端膨脹滑動(dòng)的固有模式，是身部釬焊工藝的一次創(chuàng)新。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

如圖1所示，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸由水冷軸1、石墨-金屬摩擦副2、伸縮補(bǔ)償端3和大支撐環(huán)4組成。其中水冷軸1由內(nèi)軸、隔熱層及伸長套組成，水冷軸1在溫度變化時(shí)內(nèi)軸在循環(huán)水和隔熱層的保護(hù)下其軸向伸長量受溫度的影響變化不大。如圖2所示，石墨環(huán)、安裝螺釘及金屬托架構(gòu)成了石墨-金屬摩擦副2，其在溫度變化時(shí)可滑動(dòng)；如圖3所示插接結(jié)構(gòu)連接的伸長套和大支撐環(huán)4芯軸在溫度變化時(shí)具有伸縮補(bǔ)償功能；推力室身部大端和大支撐環(huán)4剛性連接，推力室身部在受熱狀態(tài)下可由大端向小端膨脹滑動(dòng)，相比小端向大端膨脹滑動(dòng)，膨脹阻力要減小很多；推力室身部高溫釬焊防變形轉(zhuǎn)軸可使產(chǎn)品在釬焊過程中由于溫度變化引起的產(chǎn)品內(nèi)部受力狀態(tài)最好。

如圖2所示，石墨-金屬摩擦副2由裝于伸長套和發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部小端連接的石墨內(nèi)環(huán)、金屬外環(huán)及安裝螺釘組成，其中石墨內(nèi)環(huán)由等分的六瓣石墨撐塊和金屬外環(huán)通過安裝螺釘連接構(gòu)成，螺帽必須沉入安裝孔中，且應(yīng)有一定深度，以防螺帽和水冷軸1接觸，由于高溫時(shí)金屬-金屬之間的摩擦系數(shù)變化無規(guī)律且很大，石墨-金屬之間的摩擦系數(shù)隨溫度升高逐漸減小，石墨-金屬之間摩擦系數(shù)為金屬-金屬的30％～40％，另外石墨具有自潤滑作用，其目的在于釬焊爐溫度升高過程中產(chǎn)品軸向熱膨脹在降溫過程中可恢復(fù)原狀。

如圖4所示，大支撐環(huán)4芯軸和伸長套插接連接，大支撐環(huán)4芯軸嵌入伸長套左端焊接連接的圓環(huán)內(nèi)，大支撐環(huán)4芯軸固定，伸長套左端焊接圓環(huán)內(nèi)表面與大支撐環(huán)4芯軸外表面之間間隙配合，大支撐環(huán)4芯軸和伸長套端面之間的距離構(gòu)成了伸縮補(bǔ)償端，溫度升高過程中，伸長套受熱膨脹變形軸向自由伸長，伸長套在膨脹時(shí)向大支撐環(huán)4芯軸端面方向伸長，大支撐環(huán)4芯軸和伸長套端面之間的距離足以補(bǔ)償伸長套的軸向變形。因此插接結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償效果以及內(nèi)軸在循環(huán)水和隔熱層的保護(hù)保證了軸的整體剛性，經(jīng)過試驗(yàn)確定預(yù)留伸長套的收縮量為60mm可充分滿足伸長要求。

如圖1所示，推力室身部大端、大支撐環(huán)4與水冷軸1剛性固定，同時(shí)產(chǎn)品小端與水冷軸1可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣可以大大降低釬焊過程中產(chǎn)品內(nèi)部的受力狀態(tài)。另外釬焊時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力室身部小端和大端比小端輕很多，因石墨為非金屬，承力能力較金屬弱很多，石墨-金屬摩擦副2安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)小端可防止石墨環(huán)因受較大力而破壞，該方案突破了長期以來產(chǎn)品由小端向大端膨脹滑動(dòng)的固有模式，同時(shí)考慮到焊接固定的大支撐環(huán)4重量對(duì)水冷軸1的影響，如圖5所示，將大支撐環(huán)改進(jìn)為輻條結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減小水冷軸工作中撓曲程度。改為輻條結(jié)構(gòu)后，熱量可以直接輻射到產(chǎn)品內(nèi)表面，提高了噴管內(nèi)壁接受輻射熱的能力。在裝夾結(jié)構(gòu)改進(jìn)的同時(shí)又改善了爐內(nèi)溫度場(chǎng)狀況。整個(gè)設(shè)計(jì)改變是釬焊身部釬焊工藝的一次創(chuàng)新。