馬瑞娜 秦鈞宏 單 超 唐曉梅 孫 治 于 婧 郝 丁

尾翼樣板的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬瑞娜1秦鈞宏2單 超1唐曉梅1孫 治1于 婧1郝 丁1

（1.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076）

為實(shí)現(xiàn)尾翼各零件的加工、協(xié)調(diào)裝配和檢測，針對其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，以某型號尾翼產(chǎn)品為例，結(jié)合三維模型視圖，詳細(xì)介紹了其中具有代表性零件的樣板設(shè)計(jì)方案和協(xié)調(diào)產(chǎn)品裝配與檢測技術(shù)的應(yīng)用。通過該系列樣板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮其反應(yīng)快、周期短、經(jīng)濟(jì)性好、便捷性強(qiáng)等優(yōu)勢，滿足了零件的加工精度和相互之間協(xié)調(diào)裝配關(guān)系要求，保證了尾翼裝配整體的型面質(zhì)量，并使其可控可測，為其它型號尾翼樣板設(shè)計(jì)及裝配提供技術(shù)參考。

尾翼；三維；樣板設(shè)計(jì)；協(xié)調(diào)裝配；檢測技術(shù)

1 引言

尾翼是火箭的主要穩(wěn)定系統(tǒng)。它在飛行中氣動(dòng)力的作用下，使箭體壓力中心后移，產(chǎn)生一種穩(wěn)定力矩，避免箭體翻滾，從而保證箭體按發(fā)射軌道所初導(dǎo)的方向飛行。為了使火箭飛行時(shí)阻力最小，尾翼的形狀為梯形。尾翼是典型的梁、肋骨架結(jié)構(gòu)，由肋、桁條、梁、后墻和蒙皮等多個(gè)零件拼鉚而成。尾翼中98％的零件需通過樣板實(shí)現(xiàn)加工和協(xié)調(diào)裝配，因此樣板在尾翼的生產(chǎn)、裝配及檢測等各個(gè)環(huán)節(jié)中起著重要的作用。

由于尾翼主要型面為雙錐面，并具有結(jié)構(gòu)狹長且封閉的獨(dú)特性，其零件種類和數(shù)量較多，各個(gè)零件的尺寸以及裝配位置關(guān)系都只通過總圖體現(xiàn)，零件圖可參考尺寸較少，需要在總圖上計(jì)算各零件的外形以及每一處細(xì)節(jié)尺寸，導(dǎo)致尾翼樣板在設(shè)計(jì)過程中計(jì)算量較大，尤其對于協(xié)調(diào)裝配孔位置的選擇與計(jì)算，要充分考慮各個(gè)零件之間的裝配位置與關(guān)系，并在尾翼裝配過程中和完成后使用對應(yīng)的樣板進(jìn)行形面檢測，不合格需及時(shí)校形處理。尾翼樣板設(shè)計(jì)具有計(jì)算復(fù)雜，裝配的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性等技術(shù)難點(diǎn)。目前，在尾翼的生產(chǎn)裝配過程中，樣板作為一種經(jīng)濟(jì)、可靠、便捷的實(shí)用技術(shù)，還將在較長的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮重要的作用[1]。

2 樣板設(shè)計(jì)

2.1 樣板種類概述

某型號尾翼外框架如圖1所示。由于尾翼零件種類繁多，涉及到兩大樣板種類，即標(biāo)準(zhǔn)樣板和生產(chǎn)樣板，涵蓋了6個(gè)樣板品種，即外形、內(nèi)形、展開、切鉆、檢驗(yàn)?zāi)：头辞忻嫱?，占樣板總種類數(shù)40%。以典型的肋前段、梁、桁條和前蒙皮為例，結(jié)合三維模型視圖[2]，分別介紹所對應(yīng)樣板種類、作用和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

圖1 尾翼外框架示意圖

2.2 肋前段樣板設(shè)計(jì)

肋前段對應(yīng)使用的樣板有外形、內(nèi)形、展開和檢驗(yàn)?zāi)Ｋ姆N。

外形樣板是標(biāo)準(zhǔn)樣板，只反映零件的基面外輪廓尺寸，減輕孔、螺樁孔和彎邊裝配孔的位置，是內(nèi)形、展開和檢驗(yàn)?zāi)影逶O(shè)計(jì)的基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于零件大和小端尺寸的計(jì)算，計(jì)算方式如下：

a. 首先考慮所要計(jì)算的肋前段在圖2中的投影位置，即值是關(guān)鍵，根據(jù)尾翼骨架總圖，可計(jì)算出此零件所在位置的理論長度，再根據(jù)（理論）即可算出值。

圖2 尾翼前段理論投影圖

b. 再根據(jù)值，計(jì)算出和'。

內(nèi)形樣板外形尺寸相比外形樣板，減少一個(gè)材料厚度，作用為加工和檢驗(yàn)零件成型的模具。展開樣板設(shè)計(jì)方式有兩種：計(jì)算和三維軟件中鈑金展開單元進(jìn)行展開[3，4]。計(jì)算內(nèi)容包含基面尺寸和彎邊尺寸，基面尺寸與外形樣板一致；彎邊尺寸計(jì)算公式為：彎邊展開尺寸=彎邊高度-值，通過彎邊與基面的夾角，料厚兩個(gè)參數(shù)，查閱樣板設(shè)計(jì)手冊值表，即可得值。展開樣板的作用為零件下料、成型。

檢驗(yàn)?zāi)影逯饕傻鬃z驗(yàn)塊和鉆套組成，如圖3所示，作用為檢驗(yàn)零件外形、彎邊角度和鉆制與蒙皮、梁定位的協(xié)調(diào)裝配孔。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于檢驗(yàn)塊2相對底座的安裝位置和協(xié)調(diào)裝配孔的位置，檢驗(yàn)塊2安裝位置尺寸需先畫出零件結(jié)構(gòu)，再把檢驗(yàn)塊2貼合在底座與零件結(jié)構(gòu)示意的零件里側(cè)，即可計(jì)算出兩者相對安裝位置尺寸；裝配孔位置尺寸需與蒙皮、梁互相協(xié)調(diào)，轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)面，算出對應(yīng)的尺寸。檢驗(yàn)?zāi)影寮庸r(shí)需注意，外形樣板放在底座上，螺樁孔定位，按外形樣板外形來定位、安裝檢驗(yàn)塊，保證間隙0.1～0.2mm。

1—檢驗(yàn)塊1和鉆套 2—底座 3—檢驗(yàn)塊2和鉆套 4—外形樣板輪廓

2.3 梁樣板設(shè)計(jì)

1—主體樣板 2—定位鉆套 3—裝配孔鉆套 4—定位角材

梁分為三種，這里介紹比較典型的中梁切鉆樣板設(shè)計(jì)。切鉆樣板主要由主體樣板、鉆套和定位角材組成，如圖4所示，作用為鉆制與各個(gè)肋之間定位的裝配孔。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于定位方式與裝配孔尺寸的協(xié)調(diào)計(jì)算，定位方式為零件上已制的孔和定位角材，定位角材設(shè)計(jì)時(shí)為了保證樣板與零件貼合，寬度方向?yàn)樨?fù)差；各個(gè)肋裝配孔位置尺寸要按照總圖肋的排布和對應(yīng)肋上所選裝配孔位置尺寸協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。

2.4 桁條樣板設(shè)計(jì)

桁條切鉆樣板[5]主要由主體樣板、定位角材、加強(qiáng)角材、檢驗(yàn)塊和鉆套組成，如圖5所示，作用為切割零件外形和鉆制與蒙皮定位的裝配孔。設(shè)計(jì)難點(diǎn)為樣板強(qiáng)度和裝配孔尺寸的協(xié)調(diào)計(jì)算，由于零件比較狹長，考慮到強(qiáng)度問題，需在背面安裝加強(qiáng)角材；裝配孔位置尺寸設(shè)計(jì)時(shí)需先畫出各個(gè)肋軸線，再按照蒙皮上裝配孔位置尺寸協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。

1—主體樣板 2—定位角材 3—檢驗(yàn)塊和鉆套 4—加強(qiáng)角材

2.5 蒙皮樣板設(shè)計(jì)

蒙皮切鉆樣板主要由主體樣板、檢驗(yàn)塊和鉆套組成，作用為鉆制與各個(gè)肋以及前梁定位的裝配孔。設(shè)計(jì)難點(diǎn)為樣板外輪廓和裝配孔尺寸的協(xié)調(diào)計(jì)算。如圖6所示，外輪廓尺寸即1、2、3、，計(jì)算方式為：

a. 根據(jù)尾翼骨架總圖，可計(jì)算出1(理論)，2（理論），3（理論），則1=1(理論)/cos,為前緣弦向角，與圖2中一致，2計(jì)算方式同1；

3=3（理論），=（理論）/cos，為前緣展向角，通過計(jì)算可得。

裝配孔尺寸4、5和6，根據(jù)尾翼骨架總圖對應(yīng)肋和前梁處的尺寸可協(xié)調(diào)計(jì)算，1、2的計(jì)算方式同。

圖6 蒙皮切鉆樣板局部示意圖

3 應(yīng)用

3.1 協(xié)調(diào)裝配技術(shù)

鑒于尾翼零件多數(shù)為鈑金件，且形式和種類多樣，為典型的梁、肋骨架結(jié)構(gòu)，故選擇樣板保障尾翼的整體協(xié)調(diào)裝配。樣板協(xié)調(diào)裝配技術(shù)貫穿尾翼裝配始終，設(shè)計(jì)理念為在兩個(gè)或者兩個(gè)以上零件的相互貼合位置設(shè)置定位裝配孔，協(xié)調(diào)后通過計(jì)算，分別轉(zhuǎn)換為各自零件上對應(yīng)的裝配孔，在零件加工過程中通過樣板鉆制出協(xié)調(diào)定位用的裝配孔，從而利用該裝配孔來滿足尾翼各零件間的協(xié)調(diào)裝配要求。以下通過尾翼協(xié)調(diào)裝配過程中較為典型的前梁與肋和蒙皮的局部協(xié)調(diào)裝配進(jìn)行具體闡述，如圖7所示，裝配孔1為肋前段、肋第一段與前梁之間的裝配孔，裝配孔2為前梁與前蒙皮間的裝配孔，裝配孔3為前梁與下蒙皮之間的裝配孔。利用裝配孔，通過定位銷定位，再進(jìn)行組裝。

圖7 前梁與肋、蒙皮協(xié)調(diào)裝配局部示意圖

3.2 檢測技術(shù)

圖8 尾翼檢測局部示意圖

在尾翼組裝過程中和完成后，需對其型面和直線度進(jìn)行工序檢測和最終成型檢測，不合格需及時(shí)校形處理，以保障裝配技術(shù)參數(shù)。采用檢驗(yàn)樣板檢測[6，7]，通過設(shè)計(jì)反切面外樣板來滿足此要求，如圖8所示。

4 結(jié)束語

隨著目前航天運(yùn)載型號任務(wù)量的巨增，對生產(chǎn)周期和用于產(chǎn)品制造的工裝加工成本要求更高，控制更嚴(yán)，在尾翼零件加工到裝配的整個(gè)過程中，樣板的優(yōu)勢發(fā)揮的淋漓盡致。本文是在某型號尾翼產(chǎn)品基礎(chǔ)上，通過二維和三維圖相結(jié)合的方式，比較直觀、形象、系統(tǒng)地介紹了典型樣板設(shè)計(jì)案例、協(xié)調(diào)裝配和檢測技術(shù)應(yīng)用。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，充分驗(yàn)證此系列樣板設(shè)計(jì)方法的可靠性，為其它型號尾翼樣板設(shè)計(jì)、裝配和檢測提供技術(shù)參考。

1 石晶. 數(shù)字化條件下三位數(shù)模在模線樣板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(11)：17～18

2 北京兆迪科技有限公司. Creo 2.0 高級應(yīng)用教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013

3 林清安. PRO/ENGINEER Wildfire2.0 鈑金設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京電子工業(yè)出版社，2005

4 黃鵬. 樣板設(shè)計(jì)中曲面展開問題及展開方法研究[J]. 航空制造技術(shù)，2014(s1)：155～157

5 方靜. 長桁類零件裝配鉆孔研究[J]. 科技展望，2017(6)：56

6 陳海濤. 復(fù)合材料型面檢測樣板的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 中國測試，2014(z1)：102～104

7 孟翔鵬. 基于試件的模線樣板檢驗(yàn)方法研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017(28)：80～81

Design and Application of Tail Wing Sample

Ma Ruina1Qin Junhong2Shan Chao1Tang Xiaomei1Sun Zhi1Yu Jing1Hao Ding1

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076；2. Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076)

In order to realize the processing, coordinated assembling and detection of the various parts of the tail wing, in view of the unique and complex characteristics of its structure, taking a certain model of tail wing product as an example, combined with the three-dimensional model view, the design plan of representative parts and the application of the coordinated product assembly and detection technology are introduced in detail. Through the design and application of this series of samples, the results show that it can give full play to its advantages of quick reaction, shot period, good economy and convenience, meet the machining accuracy of the parts and coordinate the requirements of the assembly relations, ensure the overall surface quality of the tail wing assembly, and make it controllable and measurable, and provide technical reference for the sample design and assembly of other model tail wings.

tail wing；three-dimensional；sample design；coordinated assembly；detection technology

馬瑞娜（1983），工程師，工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：樣板設(shè)計(jì)。

2018-07-11