梁進智，盧加濤，劉宏宇

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

隨著紅外探測器組件在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對組件性能指標(biāo)也提出了很高的要求，特別是對于便攜式和機載熱成像系統(tǒng)，其輸入功率、重量和體積、制冷時間以及工作壽命是主要關(guān)心的指標(biāo)［1］。由于總的熱負(fù)載和制冷時間要求確定了制冷機的制冷功率，間接確定了它的輸入功率、體積和重量等，因此探測器組件結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點就是要降低熱負(fù)載，同時要保證零件的機械性能、表面狀況，滿足組件制冷、振動、沖擊等環(huán)境試驗要求。本文根據(jù)組件性能指標(biāo)要求，從理論計算到模擬，設(shè)計了一款微杜瓦薄壁冷指結(jié)構(gòu)，并分析了依靠現(xiàn)有設(shè)備對其加工，保證其尺寸精度、表面粗糙度等工藝要求，所面臨的主要機械加工工藝難點。

2 理論計算及模擬分析

根據(jù)組件性能指標(biāo)要求，在設(shè)計過程中主要對零件的熱負(fù)載、熱容、熱變形、振動頻率、重量等主要參數(shù)進行理論計算，然后綜合考慮，取其最優(yōu)。

2.1 熱負(fù)載計算

在制冷功率要求一定的情況下，探測器組件的熱負(fù)載增加很容易造成器件達不到所需要的工作溫度，甚至出現(xiàn)窗口結(jié)霧、結(jié)霜，使得組件失效的現(xiàn)象。組件的熱負(fù)載主要來源于輻射傳熱、氣體和固體傳導(dǎo)傳熱，因此在設(shè)計時要充分考慮零件材料特性、結(jié)構(gòu)形式和表面狀況對組件熱負(fù)載的影響。

2.1.1 輻射傳導(dǎo)傳熱

組件的輻射傳熱主要發(fā)生在真空部分兩個表面之間，其熱負(fù)載為:

表1 不同材料、不同表面狀況的熱輻射系數(shù)

金屬材料拋光后的表面粗糙度Ra可達到0.008～1.25，因此對于探測器組件中的薄壁零件表面粗糙度Ra設(shè)計值要低于0.8?？紤]到制冷機的運動特性，與制冷機耦合的薄壁冷指零件表面粗糙度Ra的設(shè)計值小于0.08。

2.1.2 氣體傳導(dǎo)傳熱

氣體熱傳導(dǎo)是通過氣體分子的熱運動進行的。在組件的實際使用過程中，組件內(nèi)的真空度逐漸降低，氣體分子的自由程不斷減少，氣體分子之間及氣體分子對真空內(nèi)部表面的碰撞不斷增加，氣體的熱傳導(dǎo)不斷增大，因此組件內(nèi)的氣體傳導(dǎo)傳熱主要考慮氣體分子的平均自由程與真空部分結(jié)構(gòu)尺寸δ之比。

式中:κ為波爾茨曼常數(shù);σ為氣體分子直徑;P為氣體壓強;T為測量壓強P處的溫度。各種氣體分子直徑如表2所示。

表2 各種氣體分子直徑

由于氫氣對金屬的穿透力最強，且分子直徑最小，通常以氫氣分子的平均自由程為計算對象。由公式可以看出氣體分子的平均自由程與杜瓦內(nèi)部的壓強成反比，在不同真空度下氣體分子平均自由程是不一樣的，組件真空部分的特征尺寸一般很小，當(dāng)真空度低于102 Pa時窗口已結(jié)霜，因此在計算氣體傳導(dǎo)傳熱時只需考慮高真空條件下λ＞δ的情況。

2.1.3 固體傳導(dǎo)傳熱

由熱力學(xué)原理可知，通過界面A和長度L的導(dǎo)體存在溫差T2－T1將會發(fā)生熱功率傳輸。假設(shè)組件耦合冷指芯管的壁厚為δ1，橫截面積為A1，從冷指尾部端口(設(shè)該處管殼溫度為T2=300 K)到內(nèi)腔液氮面的長度為l1，外界沿管壁經(jīng)l1長度向管內(nèi)制冷液的固體傳導(dǎo)傳熱為:

式中:φ為修正系數(shù);ks1為冷指芯管的固體熱傳導(dǎo)系數(shù);As1為冷指芯管的橫截面積。由公式可知，冷指芯管的傳熱主要與導(dǎo)熱系數(shù)、橫截面積成正比，與芯管長度成反比。在設(shè)計時，盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，采用薄壁、細(xì)長結(jié)構(gòu)。

2.2 熱容計算

材料本身的熱容屬性決定了組件制冷啟動時間，在設(shè)計時盡量采用比熱容小的材料，使結(jié)構(gòu)熱容小。結(jié)構(gòu)熱容計算公式為:Q=C·M·ΔT，式中C為材料比熱容，M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量，ΔT為溫度變化范圍。表3為常用金屬材料物理屬性。

表3 常用金屬材料物理屬性

圖1為組件冷端在低溫制冷600s時的溫度分布模擬圖。從圖中可以看出，由于冷端材料厚度尺寸較大，相應(yīng)增加了熱容量，導(dǎo)致在斯特林制冷機工作10 min后，冷端溫度還沒有達到器件能夠有效工作的低溫狀態(tài)，勢必影響組件的性能。因此在組件設(shè)計時，盡量選用比熱容小的材料，厚度尺寸要薄，同時要滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

圖1 組件冷端低溫制冷600s時的溫度分布模擬圖

2.3 振動頻率計算

紅外探測器組件薄壁芯柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于一個懸臂梁，在設(shè)計時必須要考慮使用環(huán)境所帶來的機械振動、沖擊，滿足振動頻率的要求，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。主要考慮水平和垂直方向兩種振動:

圖2 組件薄壁芯柱結(jié)構(gòu)圖

式中，l為芯柱長度;E為彈性模量;I為慣性力矩;g為重力加速度;A為芯柱橫截面積;ρ為材料密度。

2.4 熱應(yīng)力分析

由于組件薄壁結(jié)構(gòu)總是受冷熱溫度沖擊，結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要考慮熱應(yīng)力的問題，減少熱應(yīng)力對器件帶來的破壞作用。本文針對一種結(jié)構(gòu)形式，模擬了在斯特林機制冷的過程中，發(fā)生的熱變形及熱應(yīng)力分布，分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。圖3為制冷600s后薄壁芯柱結(jié)構(gòu)的溫度分布，圖4為制冷過程中，薄壁芯柱所發(fā)生的熱變形，圖5為其變形過程中的應(yīng)力分布。

從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)形式能夠滿足低溫制冷時間要求，熱變形小，熱應(yīng)力主要集中的粘接連接處，對器件的影響小，能夠滿足使用要求。

3 加工工藝分析

根據(jù)理論計算與模擬分析結(jié)果，薄壁芯柱材料選用特殊合金材料，具有以下物理屬性:硬度150～220 HB，導(dǎo)熱系數(shù)10.1 W/m·℃，比熱容0.427 kJ/kg·K，線性膨脹系數(shù) 12.8 ×10－6/℃，彈性模量207.5 MPa，泊松比0.278;結(jié)構(gòu)尺寸及公差要求為:內(nèi)孔直徑7.5 mm，長度40 mm，長徑比大于5，壁厚0.15 mm，內(nèi)、外表面粗糙度小于Ra 0.08，圓度誤差小于0.003 mm，管壁內(nèi)孔直線度0.005 mm。從結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)可以看出紅外探測器組件中的薄壁芯柱屬于薄壁細(xì)長件，通常薄壁細(xì)長件的加工徑向剛度很低，在切削力和夾緊力的作用下很容易產(chǎn)生彎曲變形，其內(nèi)孔的加工更是困擾生產(chǎn)瓶頸［2］。并且由于薄壁芯柱工作環(huán)境條件特殊，加工誤差大會導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大，使熱負(fù)載增加，進而延長制冷時間，嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致制冷機損壞，不能保證探測器組件正常工作。因此對薄壁芯柱的加工工藝進行合理分析，確認(rèn)現(xiàn)有設(shè)備加工水平能否滿足要求，對下一步編制工藝、安排生產(chǎn)等活動的開展顯得至關(guān)重要。

3.1 機加工藝路線及加工特點［3］

對于此薄壁細(xì)長件，一般采用的工藝路線是:車外圓，以車過的外圓定位在車床上鉆通內(nèi)孔，經(jīng)熱處理后，上內(nèi)圓磨床磨內(nèi)孔，然后珩磨內(nèi)孔，去除磨孔后的接刀痕，再研磨修正，提高表面光潔度［2］。在加工過程中，影響直線度、圓度的幾個主要工序有:

(1)車床鉆孔。車床鉆孔時，尾架上鉆頭的懸伸量不能過長，否則影響其剛度，產(chǎn)生工件“發(fā)顫”現(xiàn)象，一般采取兩頭對鉆的方式，但會存在接刀痕，接刀痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著應(yīng)力的緩慢釋放，致使工件產(chǎn)生彎曲變形。

(2)熱處理。為了提高工件表面的耐磨性和抗疲勞強度，同時保持心部的高韌性，工件表面須進行滲碳、淬火處理。在接刀痕處也會產(chǎn)生不同的厚度的熱處理層。

(3)磨內(nèi)孔。工件內(nèi)孔尺寸較小，砂輪直徑也小，在內(nèi)圓磨床上磨內(nèi)孔時，砂輪桿懸伸量亦不宜過長，工件多次裝夾，易存在接刀痕，產(chǎn)生應(yīng)力集中，雖經(jīng)后續(xù)珩磨、研磨工序的補充加工，直線度和表面光潔度得到改善和提高，但隨著內(nèi)應(yīng)力的緩慢釋放，應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，工件還會產(chǎn)生彎曲變形，致使直線度超差，對已合格的零件來說，存在巨大的安全隱患。

3.2 工藝措施

(1)鉆孔時的裝夾，采用輔助夾具，工件由幾點加壓變?yōu)檎麄€圓周受力，增加工件的支持面和夾壓面積，使之受力均勻，減少局部塑性變形。

(2)切削量和切削速度的選擇，為減少工件的振動和變形，應(yīng)使工件所受切削力和切屑熱最小。

(3)刀具選擇及參數(shù)確定，采用硬質(zhì)合金刀具，鉆頭的排屑線為拋物線形式，可以有效切斷切屑使之易于排除。

(4)冷卻，冷卻液采用硫化物礦物油，易噴射為好。

4 結(jié)論

本文從理論計算到有限元分析綜合描述了紅外探測器組件中的薄壁金屬零件冷指的設(shè)計過程，同時對該零件的機械加工工藝進行了分析，并指出了現(xiàn)有工藝及設(shè)備加工該類零件所采取的工藝措施。

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