單 超 馬瑞娜 唐曉梅 于 婧 郝 丁 戴 欽 劉冬梅

典型板材中間框缺口切鉆樣板模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

單 超 馬瑞娜 唐曉梅 于 婧 郝 丁 戴 欽 劉冬梅

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

為適應(yīng)某型號衛(wèi)星整流罩中狀態(tài)多變的部段殼體結(jié)構(gòu)和滿足快速制造需求，針對其部段中的主要環(huán)向支撐中間框所使用的桁條缺口切鉆模線樣板，進行了工藝改進研究。通過傳統(tǒng)模線樣板與結(jié)構(gòu)化非標組件的結(jié)合，實現(xiàn)中間框缺口切鉆模線樣板的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用。結(jié)果表明：該中間框缺口切鉆樣板模塊化的應(yīng)用，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了產(chǎn)品在不同狀態(tài)下的快速制造需求，降低了勞動強度；同時大幅降低了該類樣板的研發(fā)、制造、運輸和存放的成本，也大幅縮減了此類樣板的整體尺寸，節(jié)約了存放空間。該類切鉆樣板為其它型號部段殼體中間框缺口切鉆樣板的設(shè)計與應(yīng)用提供了技術(shù)參考，并在后續(xù)設(shè)計和應(yīng)用過程中總結(jié)、積累經(jīng)驗，歸類和完善此類樣板的設(shè)計模塊，推動并逐步實現(xiàn)中框缺口切鉆樣板的可產(chǎn)品化設(shè)計與應(yīng)用。

衛(wèi)星整流罩；狀態(tài)多變；中間框；切鉆樣板；模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計；產(chǎn)品化設(shè)計與應(yīng)用

1 引言

近年來，隨著航天事業(yè)迅速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代周期不斷縮短，發(fā)射任務(wù)也日趨繁重，對航天產(chǎn)品零部件的制造周期與成本控制也提出了全新的挑戰(zhàn)。運載火箭中，典型框、桁、蒙皮結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星整流罩為滿足不同的發(fā)射任務(wù)，其部段殼體結(jié)構(gòu)狀態(tài)也經(jīng)常發(fā)生變化，而作為整流罩各部段殼體中起主要環(huán)向支撐作用的板材中間框零件狀態(tài)也會隨之發(fā)生改變。本文針對傳統(tǒng)中間框缺口切鉆樣板[1]的生產(chǎn)成本高、周期長、整體尺寸大且結(jié)構(gòu)笨重，以及使用狀態(tài)繁雜、使用率低及操作不便等問題進行工藝研究和設(shè)計改進。

通過對典型板材中間框缺口切鉆樣板的工藝改進研究，采用分體式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]，保證了產(chǎn)品零件的制造精度，大幅度降低該類樣板設(shè)計、制造、存放及運輸成本，大幅縮減了該類樣板的設(shè)計與制造周期，以及該類樣板的整體尺寸，使運輸、存放和使用更加便捷，減少了多狀態(tài)零件的互相穿插借用情況，降低操作者的勞動強度與難度，提高了生產(chǎn)效率，同時降低了中間框產(chǎn)品零件超差及報廢的概率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 板材中間框缺口和外形輪廓加工工藝流程及難點分析

板材中間框作為部分運載火箭衛(wèi)星整流罩部段殼體，以及級間段等殼體結(jié)構(gòu)中主要的環(huán)向支撐零件，在整個殼體結(jié)構(gòu)中起著定位約束各桁條、大梁等軸向支撐件和部段殼體骨架整體的環(huán)向支撐作用，以此來保證部段殼體的整體輪廓尺寸和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1 板材中間框外形輪廓及下限的加工及定位切割

圖1 中間框缺口切鉆樣板與下限沖壓模、缺口沖模定位協(xié)調(diào)示意圖

板材框在沖壓及滾彎成形后，兩端均會留有余量，在外形輪廓切割過程中，一般會要求與象限線留有一定的間距尺寸，避免在后續(xù)殼體部段裝配過程中與對接桁產(chǎn)生干涉。由于此類中框角度廣、尺寸大，且零件狀態(tài)下剛性不足，為保證輪廓尺寸整體協(xié)調(diào)，因此需要中間框缺口切鉆樣板實現(xiàn)對外形輪廓的定位、劃線，從而準確確定輪廓切割線的位置，如圖1、圖2所示。

圖2 中間框零件及切鉆樣板桁條缺口分布示意圖

在衛(wèi)星整流罩中部段殼體上使用的板材類中間框，兩端與部段對接桁裝配位置都會留有下限。壓制下限時，會由中間框缺口切鉆樣板來制出與模具協(xié)調(diào)的定位孔，再通過定位孔配合下限壓制模具實現(xiàn)下限的壓制，如圖1所示。

2.2 板材中間框桁條缺口的分布定位及協(xié)調(diào)沖切

運載火箭上往往由于部段殼體狀態(tài)更改、結(jié)構(gòu)調(diào)整或操作開口等位置改變，桁條的分布也隨之調(diào)整，造成中間框桁條缺口位置發(fā)生改變。特別是某型號衛(wèi)星整流罩上各部段殼體，根據(jù)不同的發(fā)射任務(wù)，操作窗口、儀器安裝艙口經(jīng)常發(fā)生變化，桁條分布和中間框缺口分布相應(yīng)改變，即需中間框缺口切鉆樣板在中間框上進行缺口的分布定位和輔助協(xié)調(diào)沖切，如圖2所示。

3 中間框缺口切鉆樣板模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案研究

3.1 總體方案概述

以往所使用的中間框缺口切鉆樣板生產(chǎn)成本高、周期長、尺寸大，且不易操作使用，同時，由于產(chǎn)品狀態(tài)更改頻繁，產(chǎn)生的此類切鉆樣板數(shù)量較多，其中部分此類切鉆樣板僅應(yīng)用一次。故此，使用車間為盡量避免上述情況的出現(xiàn)，往往采取多相似狀態(tài)圖號借用一塊中間框缺口切鉆樣板，在此切鉆樣板上盡可能增加更多缺口沖模定位孔、桁條缺口輪廓線和對應(yīng)使用的圖號標記，其狀態(tài)繁雜混亂，在實際使用過程中造成互相借用的樣板不易管理、查找和使用，同時增加了操作者的工作難度和強度，降低了生產(chǎn)效率，增加出錯幾率，對產(chǎn)品零件質(zhì)量造成不利影響。以往使用的中間框缺口切鉆樣板示意圖如圖2、圖3所示。

圖3 中間框缺口切鉆樣板借用狀態(tài)及圖號局部示意圖

為適應(yīng)狀態(tài)多變的產(chǎn)品部段殼體中間框零件的生產(chǎn)需要，對傳統(tǒng)中間框缺口切鉆樣板進行了工藝改進研究，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，將中框缺口切鉆樣板進行分體組合式設(shè)計，主要由中間框缺口切鉆支撐架[3]部分和可根據(jù)不同產(chǎn)品狀態(tài)進行替換的中間框缺口切鉆工作部分兩部分組成，如圖4所示。

圖4 中間框缺口切鉆樣板模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3.2 中間框缺口切鉆支撐架

a. 中間框缺口切鉆支撐架的主要作用是定位、連接和固定中間框缺口切鉆樣板工作部分，墊高及支撐樣板工作部分，保證整體樣板的剛性和穩(wěn)固性。

b. 中間框缺口切鉆支撐架主要由定位支撐板、墊高加強型材、限位板、定位銷、壓板及止動擋片等六部分組成，如圖5所示。

c. 中間框缺口切鉆支撐架在工藝及生產(chǎn)制造需求情況下，盡可能保障其通用性能，在設(shè)計過程中可實現(xiàn)支撐架高度方向可調(diào)節(jié)，以及定位、支撐一定范圍內(nèi)不同半徑的切鉆樣板工作部分，以滿足更多狀態(tài)及不同型材中間框產(chǎn)品零件的生產(chǎn)使用。

圖5 中間框缺口切鉆支撐架組成示意圖

3.3 中間框缺口切鉆樣板工作部分

中間框缺口切鉆樣板工作部分的主要作用是在待加工中框零件上進行定位，兩端劃出需要切割的外形輪廓線及象限線，制出與壓制中間框下限模具協(xié)調(diào)的下限定位孔，確定桁條使用缺口的具體分布角度并劃出缺口外形輪廓線，制出與之對應(yīng)的沖切桁條缺口沖模協(xié)調(diào)的定位孔，如圖6所示；在部段殼體裝配需要的情況下，此類切鉆樣板還可以制出與蒙皮協(xié)調(diào)的定位裝配孔，實現(xiàn)中間框在部段殼體中的定位裝配，如圖7所示。

圖7 中間框缺口切鉆樣板有定位裝配作用的工作部分局部示意圖

中間框缺口切鉆樣板工作部分主要由樣板主板、定位角材和樣板專用鉆套組成，在有輔助協(xié)調(diào)裝配要求時，樣板工作部分還需要裝配定位孔安裝角材和樣板定位孔專用鉆套，如圖7所示。

3.4 中間框缺口切鉆樣板中支撐架與工作部分的定位、夾緊組合

中間框缺口切鉆樣板支撐架與工作部分采用孔定位方式，利用定位銷定位。在切鉆樣板工作部分尺寸較大時，存放、使用易產(chǎn)生變形，定位銷與定位孔配合困難時，可采用支撐架上壓板簡單壓緊校平后再定位，如無法完全插入定位時，可在工藝允許公差范圍內(nèi)使用限位板限制定位。中間框缺口切鉆樣板支撐架與工作部分組合時使用壓板夾緊[4]。如圖8所示。

1—切鉆樣板支撐架部分 2—連接緊固件 3—壓板 4—定位銷 5—切鉆樣板工作部分 6—中間框產(chǎn)品零件 7—樣板專用鉆套 8—定位角材 9—墊高加強型材 10—限位板 11—支撐架定位支撐板

3.5 中間框缺口切鉆樣板變形與公差控制

中間框缺口切鉆樣板中的支撐架部分剛性較好不易產(chǎn)生變形，樣板工作部分尺寸較大，剛性相對較差，搬運和與支撐架定位裝配過程中不易操作，使用及存放過程中易產(chǎn)生變形。針對上述情況，切鉆樣工作部分采用了分段設(shè)計，在避開桁條缺口位置處，將其分解為90°左右或45°左右，通過縮小尺寸，減輕自重適當降低變形量，同時便于搬運和組裝。在裝配后采用一定數(shù)量的壓板將切鉆樣板工作部分夾緊校平。如圖8、圖9所示。

圖9 中間框缺口切鉆樣板模塊化設(shè)計示意圖

中間框缺口切鉆樣板在支撐架與工作部分組合過程中，采用孔定位方式定位，定位后樣板徑向方向、圓周方向公差可控制在0.2～0.3mm范圍內(nèi)，軸向公差可控制在0.5mm范圍內(nèi)。如在長期使用過程中，產(chǎn)生少量變形后，造成定位孔定位困難，可考慮在產(chǎn)品制造公差范圍內(nèi)，使用支撐架上的限位板并配合一處定位孔定位，此定位方式定位后樣板徑向和圓周方向公差可控制在0.3～0.5mm范圍內(nèi)，軸向公差可控制在0.5mm范圍內(nèi)。可以滿足工藝及板材類中間框產(chǎn)品零件制造公差要求。

4 實施效果

圖10 加工桁條缺口后的板材類中間框產(chǎn)品零件

經(jīng)過工藝改進研究后，設(shè)計完成的中間框缺口切鉆樣板能夠滿足帶有桁條缺口板材類中間框產(chǎn)品零件的生產(chǎn)制造要求，輔助制造后的中間框產(chǎn)品零件如圖10所示。該樣板設(shè)計方式，只需一套固定支撐架，配合不同的切鉆樣板工作部分，可以完成不同狀態(tài)中間框產(chǎn)品零件的生產(chǎn)制造，如圖9所示。

中間框缺口切鉆樣板的模塊化設(shè)計，滿足中間框的生產(chǎn)制造要求，驗證了此種設(shè)計方案的可靠性和創(chuàng)新性，降低了生產(chǎn)過程中人為超差的概率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，大幅度縮減了生產(chǎn)制造周期，節(jié)約了大量的產(chǎn)品零件加工成本，大幅度縮減了此類樣板的整體尺寸，節(jié)省了樣板存放的空間，使搬運、運輸和操作更加便捷。

5 結(jié)束語

提出了一種切鉆樣板模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，通過模塊化分體式結(jié)構(gòu)的中間框缺口切鉆樣板設(shè)計，一方面大幅度節(jié)約了產(chǎn)品零件的生產(chǎn)制造成本，縮短生產(chǎn)制造周期，縮減了此類切鉆樣板的整體尺寸，節(jié)省了存放空間，便于搬運和操作；另一方面實現(xiàn)了板材類中間框穩(wěn)定高效加工生產(chǎn)，為后續(xù)其它部段中使用的板材類中間框缺口切鉆樣板設(shè)計提供了技術(shù)參考。

后續(xù)在設(shè)計和使用過程中不斷完善、積累，將中間框缺口切鉆樣板工作部分按一定角度進行分段設(shè)計，逐步涵蓋某些型號部段殼體中間框上桁條缺口所可能出現(xiàn)的角度分布。中間框產(chǎn)品零件在生產(chǎn)制造過程中，切鉆樣板工作部分與支撐架部分組合使用，其工作部分可根據(jù)狀態(tài)要求互相匹配選用和替換，實現(xiàn)此類中間框缺口切鉆樣板的產(chǎn)品化設(shè)計與應(yīng)用[5]。

1 易志斌，李殿忠，唐瑞潤，等. 航空制造工程手冊飛機模線樣板[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1993

2 朱耀祥，普林祥. 現(xiàn)代夾具設(shè)計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019

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

4 成大先. 機械設(shè)計手冊第2卷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016

5 石晶. 數(shù)字化條件下三維數(shù)模在模線樣板設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016(11)：17～18

Design and Application of Modular Structure for Cut-drilling Template of Typical Plate with the Truss Notched for Intermediate Frame

Shan Chao Ma Ruina Tang Xiaomei Yu Jing Hao Ding Dai Qin Liu Dongmei

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

In order to adapt to the variable state part shell structure in a certain type of satellite fairing and to meet the requirement of rapid manufacturing, the process improvement of the truss notched cut-drilling template used in the main ring braced intermediate frame in a certain section is studied. Through the combination of traditional cut-drilling template and structured non-standard component, the modular structure design and application of intermediate frame of the truss notched cut-drilling template are realized. The results show that the application of this intermediate frame of the truss notched cut-drilling template can effectively improve the quality of the product, ensure the rapid manufacturing requirements of the product in different states and reduce the work intensity, and cut the cost of the design, manufacture, transport and storage, and greatly reduce the overall size of this kind of template and save the storage space. This kind of cut-drilling template provides a technical reference for design and application of the truss notched cut-drilling template of the intermediate frame of the shell of other models, and summarizes and accumulates experience in the subsequent design and application process, classifies and perfects the design module of this kind of template, promotes and gradually realizes the design and application of intermediate frame of the truss notched cut-drilling template’s production.

satellite fairing；variable state；intermediate frame；cut-drilling template；design of modular structure；design and application of production

單超（1981），工程師，機械設(shè)計專業(yè)；研究方向：模線樣板設(shè)計。

2020-05-17