王雅楠，王召義

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099；2.中國(guó)人民解放軍駐中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471099）

0 引言

噴管組合性能對(duì)該型產(chǎn)品的整體性能有極其重要的作用，特別是石墨喉襯及堵蓋的粘接情況直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。在研制階段生產(chǎn)中，噴管堵蓋、石墨喉襯粘接時(shí)操作困難，需反復(fù)調(diào)整，裝配效率低，且容易損傷噴管堵蓋，石墨喉襯不易均勻涂膠，在放入噴管絕熱組合內(nèi)部時(shí)極容易蹭掉一部分膠層甚至滑落損傷石墨喉襯，從而影響粘接效果，此外石墨喉襯正反面難判斷，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來隱患。本文對(duì)該型噴管組合的裝配工藝特點(diǎn)進(jìn)行研究，通過改變工藝方法、設(shè)計(jì)工裝實(shí)現(xiàn)工程化批量生產(chǎn)的高質(zhì)高效。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該型噴管組合由噴管絕熱組合、石墨喉襯、噴管堵蓋、擴(kuò)散段組合組成（見圖1）。石墨喉襯材料為高強(qiáng)石墨T705，堵蓋材料的主要成分為聚苯乙烯。其中噴管堵蓋和石墨喉襯通過硅橡膠GD414 與噴管絕熱組合粘接，擴(kuò)散段組合通過螺紋與噴管連接，并通過硅橡膠GD414 與石墨喉襯粘接。

圖1 長(zhǎng)尾噴管組合裝配圖

2 裝配難點(diǎn)分析

2.1 噴管堵蓋粘接

噴管堵蓋選用改性聚苯乙烯（WS SL-204）材料整體注塑成型，厚度0.5 mm。裝配時(shí)需將噴管堵蓋放入噴管絕熱組合內(nèi)，由于噴管絕熱組合孔徑較小，且與噴管堵蓋配合處較深，因此無法用手將噴管堵蓋直接放到位，而是采用使噴管堵蓋水平垂直落入噴管絕熱組合內(nèi)，操作中很難控制對(duì)正位置和堵蓋的水平，需多次調(diào)整，研制階段噴管堵蓋一次裝配合格率不到60%，由于堵蓋較薄且脆，在調(diào)整過程中易損傷。且噴管待粘接位置涂有硅橡膠，在調(diào)整過程中易將膠涂抹在噴管內(nèi)壁和堵蓋上，很難清理且對(duì)堵蓋吹脫性有一定影響。

2.2 石墨喉襯粘接

石墨喉襯圓周外表面與下端面均為粘接面，需要涂抹硅橡膠GD414，而其內(nèi)孔較小且內(nèi)部一頭為錐面、一頭為圓弧面，不易支撐。特別是將涂好膠的石墨喉襯放入噴管絕熱組合時(shí)，容易因受力不均蹭掉部分膠層，且可能出現(xiàn)滑落，造成石墨喉襯損傷。該粘接的主要難點(diǎn)為如何支撐石墨喉襯。

3 工藝方案研究

3.1 噴管堵蓋粘接方案

由于噴管堵蓋質(zhì)量較輕，約0.8 g，且屬于致密材料，因此，可以利用真空吸管，通過內(nèi)部負(fù)壓產(chǎn)生吸力，以此吸力固定噴管堵蓋并將其放入噴管絕熱組合中，待放入后釋放負(fù)壓，使真空吸管的吸盤與噴管堵蓋分離。

由于噴管堵蓋表面有網(wǎng)紋（網(wǎng)紋構(gòu)成的網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm），因此對(duì)吸盤尺寸有一定的要求。吸盤尺寸太小則吸力太小，無法吸住噴管堵蓋；吸盤尺寸太大會(huì)無法避開網(wǎng)紋，使吸盤和噴管堵蓋間因無法密封而導(dǎo)致吸盤失效。經(jīng)試驗(yàn)選擇φ5 尺寸的吸盤，用裝上該吸盤的真空吸管吸附砝碼進(jìn)行測(cè)試，該真空吸管可最大吸附質(zhì)量為50 g 的砝碼，能夠滿足使用要求。

3.2 石墨喉襯粘接方案

3.2.1 方案分析

由于石墨喉襯的圓周外表面、下端面都是粘接面，均需涂硅橡膠，因此能利用的位置只能是上端面和內(nèi)表面。兩種方案如下：1）利用真空吸管進(jìn)行吸住石墨喉襯的上端面進(jìn)行操作；2）設(shè)計(jì)工裝從石墨喉襯內(nèi)表面進(jìn)行支撐。

針對(duì)兩種方案進(jìn)行深入分析：1）石墨喉襯重約62 g，石墨喉襯上端面為寬5 mm 的圓環(huán)形狀，因此吸盤尺寸要求直徑小于5 mm，而吸力應(yīng)大于喉襯重力，一般的真空吸管很難滿足要求。同時(shí)，石墨喉襯采用T705 石墨材料，該材料非致密材料，內(nèi)部可能存在小氣孔或疏松，吸盤很難長(zhǎng)時(shí)間吸住，而涂膠粘接過程較長(zhǎng)，因此無法采用該方案；2）研制階段用手從石墨喉襯內(nèi)部支撐進(jìn)行裝配，因此內(nèi)表面支撐的方案可行，但石墨材料屬于脆性非金屬材料，其抗拉強(qiáng)度較低，且表面耐磨性差，且喉襯內(nèi)表面屬該零件關(guān)鍵位置，因此對(duì)工裝的材料選取和支撐力要求較高。

3.2.2 工裝設(shè)計(jì)

按照方案2）進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，喉襯安裝工具主要由固定把手、壓片、活動(dòng)手柄、支撐件、銷五部分組成，見圖2。其中固定把手為鋁質(zhì)材料，采用滾花工藝，方便取拿；活動(dòng)手柄為不銹鋼材料，通過銷固定在固定把手上，使用中通過活動(dòng)手柄的張開和閉合控制壓片的上下位置；壓片為不銹鋼材料，用于下壓支撐件，可以通過調(diào)整壓片的厚度來調(diào)整橡膠支撐件的變形量；支撐件為硅橡膠，受上端面壓力后周向脹開支撐石墨喉襯。

根據(jù)試驗(yàn)摸索，當(dāng)支撐件錐面直徑脹開1 mm 時(shí)，能夠固定支撐石墨喉襯。需進(jìn)一步驗(yàn)證工裝對(duì)石墨喉襯的作用力不會(huì)造成石墨喉襯的損傷。

圖2 喉襯安裝工具

3.2.3 工裝施力分析

喉襯安裝工具支撐塊所使用的材料是硅橡膠6143黑HG7-677-74，受力膨脹變形，屬于柔性材料。在一定力（未達(dá)到該材料的彈性極限時(shí)，發(fā)生的仍是塑性變形）的作用下，其力與變形成正比，即可近似認(rèn)為符合胡克定律。支撐件周向外表面受力近似于支撐件對(duì)石墨喉襯內(nèi)表面的壓力。對(duì)支撐件外圓直徑脹開1 mm 的實(shí)際受力情況進(jìn)行ANSYS 建模分析。假設(shè)支撐件為實(shí)心橡膠件，取其彈性模量為2.14 MPa，泊松比0.48，密度0.87×103kg/m3，固定Z 向2 個(gè)自由度，在墊圈上部施加壓力，使其錐面形變量達(dá)到1 mm，壓力及形變見圖3。

圖3 壓力及形變圖

根據(jù)建模結(jié)果，當(dāng)支撐件上端面受力使其圓周直徑脹開1 mm 時(shí)，支撐件外表面承受的力F=201.3 N。

錐面面積A=πR0L0-πR1L1=（3.14×15.2×58.6）-（3.14×37.6×9.75）=1.645 8×10-3m2。

應(yīng)力σ=F/A=201.3÷1.645 8×103=1.22 MPa。

實(shí)際橡膠支撐件中心有金屬桿，則實(shí)際支撐件外表面對(duì)石墨喉襯的應(yīng)力小于假設(shè)模型的計(jì)算值，則工裝對(duì)石墨喉襯支撐時(shí)實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)力小于1.22 MPa。

3.2.4 石墨喉襯內(nèi)部受力分析

石墨喉襯材料為高強(qiáng)石墨T705，屬脆性材料，應(yīng)力服從胡克定律，抗拉強(qiáng)度為11～15 MPa，抗壓強(qiáng)度為46.64～52.15 MPa，抗彎強(qiáng)度為21.2～25.7 MPa 。因?yàn)楣ぱb從喉襯內(nèi)部脹開時(shí)石墨喉襯受力為拉力，因此強(qiáng)度理論選擇第一強(qiáng)度理論，即喉襯內(nèi)一點(diǎn)的最大拉應(yīng)力σt等于材料的極限應(yīng)力σu，即σt=σu。根據(jù)石墨材料的力學(xué)特性和喉襯實(shí)際受力情況進(jìn)行ANSYS 建模分析，由于石墨喉襯為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取截面的一半進(jìn)行分析，取材料彈性模量2×105Pa，泊松比0.27，左邊固定X向，底邊固定Y 向，在中間部分施加壓力，大小1 Pa，等效應(yīng)力分布見圖4～圖6。

三向主應(yīng)力最大數(shù)值見表1，其中正值為拉，負(fù)值為壓。

其中，最大拉應(yīng)力為0.0432Pa，最大壓應(yīng)力為0.964 6 Pa，壓拉比值約為24 倍，而材料的拉伸強(qiáng)度為11～15 MPa，壓縮強(qiáng)度為46.64～52.15 MPa，壓拉比值約為4倍，可見該結(jié)構(gòu)應(yīng)該以壓縮斷裂失效為主。

根據(jù)胡克定律，施加1Pa壓力，最大壓應(yīng)力為0.9646Pa，可見當(dāng)壓力為48.35 MPa 時(shí)，最大壓應(yīng)力將達(dá)46.64 MPa，觸及壓縮破壞極限。

當(dāng)壓力為48.35MPa 時(shí)，所受的拉應(yīng)力為48.35×0.0432=2.09 MPa＜11 MPa。

在模型中輸入施加壓力48.35 MPa，分析得到的最大壓縮應(yīng)力為46.6 MPa（見圖7）。取安全系數(shù)為2.2，則石墨喉襯承受壓力最大值為48.35/2.2=21.98 MPa。

圖4 第一主應(yīng)力云圖

圖5 第二主應(yīng)力云圖

圖6 第三主應(yīng)力云圖

表1 三向主應(yīng)力Pa

圖7 應(yīng)力分布云圖

由此可以得出，工裝橡膠支撐脹開后對(duì)石墨喉襯內(nèi)壁的力應(yīng)小于21.98 MPa。從工裝的施力分析得出工裝在支撐時(shí)對(duì)石墨喉襯的作用力小于1.22 MPa，該力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于考慮安全系數(shù)之后的理論極限應(yīng)力值21.9 MPa，因此該工裝可用。

4 實(shí)施效果

使用真空吸管和喉襯安裝工具進(jìn)行產(chǎn)品裝配，操作方便，均100%一次粘接到位。

使用真空吸管粘接噴管堵蓋，能夠保障一次裝配到位，有效避免了反復(fù)調(diào)整，提高了裝配效率。使用喉襯安裝工具粘接石墨喉襯，對(duì)石墨喉襯的接觸面大，支撐時(shí)受力均勻且恒定，使生產(chǎn)中能夠?qū)Σ僮鬟M(jìn)行有效控制，既保證了粘接質(zhì)量，又方便操作。

［1］張穎.無機(jī)非金屬材料研究方法［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［2］孫訓(xùn)方.材料力學(xué)Ⅰ［M］.5 版.北京：高等教育出版社，2009.

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