申林遠 曹 宇 劉東平 楊 帥 陶現(xiàn)賓，2

運載火箭艙段壁板自動鉆鉚技術應用研究

申林遠1曹 宇1劉東平1楊 帥1陶現(xiàn)賓1，2

（1. 天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462；2. 首都航天機械有限公司，北京 100076）

以新一代運載火箭薄壁艙段研制生產(chǎn)為背景，結合壁板產(chǎn)品的結構特點，研究壁板自動鉆鉚技術的工程應用。制定壁板自動鉆鉚工藝流程，提出了壁板自動鉆鉚工藝設計方法，并可視化仿真鉆鉚程序的執(zhí)行過程，排除程序錯誤、執(zhí)行機構干涉等問題，驗證程序的正確性、工藝方案的可靠性。通過測量壁板預裝配偏差對自動鉆鉚程序進行補償，最終實現(xiàn)了壁板自動鉆鉚技術在新一代運載火箭研制中的應用，鉆鉚質量大幅提升，工作環(huán)境得到改善。

自動鉆鉚；壁板；工藝

1 引言

從上世紀50年代開始，自動鉆鉚技術逐漸由半自動化和自動化向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。作為機械連接的先進技術之一，自動鉆鉚技術具有鉆鉚質量好、質量一致性佳、生產(chǎn)效率高等特點[1～4]。目前，國外知名航空制造企業(yè)的一些飛機設計手冊中就明確規(guī)定，在結構設計時應考慮最大限度地應用自動鉆鉚技術，以確保連接質量[5]。設計上的要求進一步推動了自動鉆鉚技術的快速發(fā)展。國內高校和航空航天院所也開展了研究工作：上海交通大學、北京航空制造工程研究所等針對自動鉆鉚系統(tǒng)開展技術研究，上海航天精密機械研究所、首都航天機械有限公司等結合型號研制工作開展了自動鉆鉚技術的工程應用研究，取得了一定成果。

鉚接技術在運載火箭生產(chǎn)過程中占有重要地位，據(jù)估算運載火箭制造中鉚接勞動量約占20%[1]。根據(jù)統(tǒng)計新一代運載火箭五米艙段鉚釘數(shù)量高達16萬余顆，依靠傳統(tǒng)手工的鉚接方法愈發(fā)難以滿足運載火箭大型艙段的高可靠、快速制造需求。而自動鉆鉚工藝是提高鉚接可靠性、實現(xiàn)快速制造的手段之一。由于新一代運載火箭箭體結構主要包括壁板、隔框和蒙皮，壁板主要由蒙皮、桁條組成，結構簡單、開敞性好，易于實現(xiàn)自動鉆鉚。因此，針對大型艙段壁板產(chǎn)品積極開展壁板自動鉆鉚工藝研究并成功用于新一代運載火箭級間段壁板的鉚接裝配中，大大提升了艙段壁板鉚接質量和生產(chǎn)效率，降低了工人勞動強度，實現(xiàn)了產(chǎn)品的快速制造。

2 產(chǎn)品結構特點

圖1 艙段壁板

某艙段為典型的薄壁加筋半硬殼結構，高度4.2m，由8塊45°壁板組成。該艙段鉚釘總計4萬6千余顆，其中壁板鉚釘數(shù)量近2萬4千顆，壁板鉚接工作量占總工作量的50%以上，且壁板鉚接均采用直徑4mm鉚釘。典型艙段壁板示意圖如圖1所示。

3 研究基礎

壁板自動鉆鉚技術應用研究基于壁板自動鉆鉚設備開展，設備采用移動式龍門機床結構，具備壁板裝夾、鉆孔、劃窩、鉚接等功能，末端執(zhí)行器隨龍門機構運動實現(xiàn)產(chǎn)品高度方向加工，產(chǎn)品隨旋轉機構旋轉，實現(xiàn)產(chǎn)品圓弧方向定位加工。

4 壁板自動鉆鉚工藝

壁板傳統(tǒng)手工鉚接裝配，在桁條鉆導孔階段即需完成全部鉚釘導孔的鉆制，壁板裝配階段在完成桁條與蒙皮的協(xié)調定位之后，需用手工方法由桁條鉚釘導孔向蒙皮透制出所有的鉚釘孔。以該壁板為例，每塊壁板約有3000余顆鉚釘，手工裝配勞動強度較大。

壁板自動鉆鉚工藝流程如圖2所示。桁條鉆導孔階段只需在桁條上制出協(xié)調裝配孔和預定位孔，無需制出所有鉚釘導孔，減少了零組件工作量；另一方面，壁板預裝配階段只需完成協(xié)調定位孔和與設備干涉孔位的鉚接，大面積的制孔鉚接工作依靠鉆鉚設備完成，降低了勞動強度。

圖2 壁板自動鉆鉚流程

4.1 工藝設計

工藝設計工作主要包括建立壁板的三維點位信息模型，制定自動鉆鉚詳細實施方案，編制工藝卡片等。

4.1.1 建立三維點位信息模型

壁板的三維點位信息模型既包括蒙皮、桁條、中間框等關鍵結構件和其它安裝零件的三維實體模型，又包括全部鉚釘孔的位置。因此，點位模型一方面能夠直接讀取待制鉚釘孔的位置信息，另一方面也能夠直觀地反映出其它安裝零件與待制鉚釘孔的干涉情況，及時刪除干涉點位，避免造成質量問題。壁板的點位模型見圖3。

圖3 壁板點位模型

4.1.2 自動鉆鉚實施方案

壁板自動鉆鉚方案主要包括壁板預裝配方案、確定壁板鉆鉚順序、輸出工藝卡片。

壁板預裝配方案主要是確定定位鉚釘?shù)奈恢?，需統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品的結構形式和產(chǎn)品在小圍框上的定位方案以及自動鉆鉚的實現(xiàn)率。

圖4 “大圍框套小圍框”構型

本文依托的壁板自動鉆鉚設備定位系統(tǒng)采用“大圍框套小圍框式”，基本構成形式如圖4所示。小圍框是產(chǎn)品的夾持支撐架構，其上布置有內形卡板，起到框的作用[5]，保證所定位壁板的內形準確度，大圍框作為小圍框的載體，小圍框可帶壁板產(chǎn)品安裝在自動鉆鉚系統(tǒng)大圍框上，實現(xiàn)壁板的自動鉆鉚。

壁板自動鉆鉚所用的小圍框內形卡板寬度30mm，而鉚釘孔間距20～25mm，因此，內形卡板支撐位置需預留鉚釘孔；另外考慮內形卡板附近的鉚釘鉚接時，鉚桿與卡板會產(chǎn)生干涉，因此卡板附近的孔位需預先鉚接完成。經(jīng)過分析，選定中間框預留孔位置，如圖5所示，圖中兩顆定位釘之間的區(qū)域，作為內形卡板支撐位置?？ò鍍蓚茹T釘作為定位釘預先完成鉚接，避免設備下鉚桿與卡板干涉，最大限度提高自動鉆鉚率。壁板預裝配方案確定后，即可輸出桁條鉆定位孔數(shù)控程序。

圖5 內形卡板支撐位置

壁板鉆鉚順序的設計需要解決幾個問題：首先，鉆鉚順序的設計需考慮程序補償?shù)目尚行裕^程序補償即根據(jù)實物裝配與理論模型的偏差對程序進行補償，壁板實物的裝配偏差主要指桁條的直線度。由于產(chǎn)品結構較長，桁條直線度不易判定，在不同的區(qū)域，桁條位置偏差數(shù)值不盡相同；其次，由于被連接件自身制造誤差造成的貼合面間隙，需通過科學合理的鉆鉚順序設計，避免造成局部應力集中。因此，需借鑒手工鉚接的經(jīng)驗，基于對產(chǎn)品結構特點的分析和基本自動鉆鉚設備的工藝實現(xiàn)，規(guī)劃艙段壁板的鉆鉚順序，以保證產(chǎn)品的鉚接質量。

壁板鉆鉚順序如圖6所示。采用分段鉆孔鉚接的方法，一方面降低了產(chǎn)品長度帶來的桁條直線度判定難度，另一方面削弱了由于制造誤差導致的結構件間隙對鉚接質量的影響。

圖6 壁板鉆鉚順序

4.1.3 工藝卡片設計研究

壁板預裝配方案和鉆鉚順序確定之后，即可輸出工藝卡片。主卡用于明確桁條的位置信息，通過對主卡中桁條位置的更改實現(xiàn)實物偏差的補償，子表用于明確鉚接位置信息，根據(jù)點位模型設置好后無需修改。

4.2 裝配仿真與程序補償

圖7 線框仿真

圖8 鉆鉚仿真

應用自動鉆鉚編程軟件生成的數(shù)控程序，需裝配仿真驗證其正確性，裝配仿真有線框仿真和鉆鉚仿真兩種，線框仿真主要模擬上下鉆鉚頭的運行軌跡，用于快速驗證刀具是否按照既定的路線加工，如圖7所示；鉆鉚仿真基于工件和設備的三維實體模型模擬實際加工過程，用于驗證在設備工作過程中，自動鉆鉚設備末端執(zhí)行器是否與裝夾夾具、工件自身等發(fā)生碰撞干涉等不協(xié)調問題，如圖8所示?；谘b配仿真結果，優(yōu)化自動鉆鉚流程，保證系統(tǒng)安全、高效的運行。

由于零件制造誤差和裝配誤差，壁板預裝配實物和理論模型存在一定偏差，因此，需要測量裝配偏差并對數(shù)控程序進行補償，保證數(shù)控加工位置的正確。級間段壁板預裝配偏差的測量采用激光測頭，通過激光測頭與桁條的接觸，擬合計算得出桁條實際裝配位置，進而得出桁條實際裝配位置與理論位置偏差。壁板裝配偏差的測量參照鉆鉚路徑的設計方案，對于較長桁條進行分段測量，提高了程序補償?shù)臏蚀_度。根據(jù)測量結果在工藝卡片中糾正桁條角度位置，根據(jù)糾正結果生成適用于壁板實物加工的數(shù)控鉆鉚程序，從而實現(xiàn)程序補償。

4.3 壁板自動鉆鉚應用及效果評價

鉆鉚程序經(jīng)過仿真驗證后即可用于實際加工。自動鉆鉚的應用效果主要體現(xiàn)在鉚釘鐓頭成形一致性和對于工作環(huán)境的改善。

圖9 Φ4mm鉚釘手工鉚接、自動鉚接對比分析

圖10 鉚釘實物鉚接效果

壁板產(chǎn)品鉚接質量的檢驗結果顯示，自動鉆鉚鉚接合格率100%，鉚釘半圓頭及其周圍蒙皮無壓痕，鉚釘成形質量良好。隨機抽取的手工錘鉚和自動鉆鉚的壁板上各200個4mm鉚釘?shù)亩疹^直徑、高度尺寸分布，如圖9所示，大方框內為合格墩頭尺寸。從圖中可見，自動鉚接墩頭大小的合格率為100%、且82%的鉚釘鐓頭在(6±0.2)mm×(2±0.2)mm范圍即小方框內，離散度小，說明自動鉆鉚鐓粗成形的鐓頭質量一致性較好，相比傳統(tǒng)手工鉚接，質量得到大幅提升。鉚釘實物鉚接效果如圖10所示。

工作環(huán)境方面，自動鉆鉚設備鉆孔和鉚接的噪音均在70分貝以內，手工鉆、鉚噪音均在90分貝以上，自動鉆鉚有效地改善了工作環(huán)境。

5 結束語

針對運載火箭壁板產(chǎn)品結構特點，結合壁板自動鉆鉚設備，研究壁板產(chǎn)品自動鉆鉚工藝流程，說明了自動鉆鉚工藝設計方法，制定了詳細的自動鉆鉚實現(xiàn)方案，通過專用仿真軟件的線框仿真和鉆鉚仿真，驗證了自動鉆鉚工藝方案的可行性和可靠性，實現(xiàn)了新一代運載火箭壁板自動鉆鉚的工程應用。經(jīng)驗證，自動鉆鉚鉚釘成形合格率高達100%，鐓頭成形一致性好，工作噪音降低至70分貝以下，工作環(huán)境得到改善，同時降低了工人勞動強度，符合智能制造、綠色制造的發(fā)展要求。

1 葉順堅，梁瑩，石正波，等. 自動鉆鉚技術在某運載火箭助推模塊箱間段研制中的應用[J]. 上海航天，2014(31)：15～19

2 侯東旭，李聰穎，朱建文，等. 運載火箭殼段自動鉆鉚仿真及工藝流程優(yōu)化[J]. 航天制造技術，2016(1)：28～32

3 李少波，陳翔鵬. 自動鉆鉚技術的應用和無頭鉚釘安裝[J]. 航空制造技術，2007(9)：50～52

4 梁瑩，李宇昊，朱迅強，等. 大型薄壁艙體的自動鉆鉚技術研究[J]. 航天制造技術，2013(5)：38～42

5 何勝強. 大型飛機數(shù)字化裝配技術與裝備[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2013

Research on Application of Automatic Drill-riveting Technology in Panel of Launch Vehicle’s Cabin

Shen Linyuan1Cao Yu1Liu Dongping1Yang Shuai1Tao Xianbin1, 2

(1. Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462；2. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

The background of this paper is the development of the cabin of the new generation of launch vehicles. The research on engineering application of automatic drill-riveting technology is based on structural characteristics of panel parts. The process and process planning methods of automatic drill-riveting are designed. The visible simulation for automatic drilling and riveting can get rid of program errors and actuator collision problems. It also verifies the correctness and the reliability of programs and processes. The drill-riveting program compensation is actualized via measuring the deviation of pre-assembled panels. The successful application of panel automatic drill-riveting technology in the development of the new generation of launch vehicles not only promotes the drilling and riveting quality, but also improves the working conditions.

automatic drill-riveting；panel；process

申林遠（1986），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：鉚接裝配工藝。

2018-08-10