（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

防熱大底是神舟飛船返回艙中尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、受力及受熱耦合最嚴(yán)重的防熱部件，是返回艙制造流程中的關(guān)鍵部件之一。神舟飛船防熱大底采用大面積燒蝕防熱、玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作背壁承力并防熱，拐角玻璃鋼環(huán)加不銹鋼墊塊作主要傳力件的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式［1］。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度、比模量高，抗沖擊性能好，較高的耐疲勞強(qiáng)度等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［2］。但蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度較低，難于裝夾固定，對(duì)加工制孔有一定難度［3］。

防熱大底的生產(chǎn)流程包括成型、加工、鉆孔、粘接鈦管和金屬墊塊等工序，每道工序的生產(chǎn)質(zhì)量都直接影響防熱大底力學(xué)和物理性能。鉆孔是最關(guān)鍵的工序之一，鉆孔精度直接影響防熱大底與推進(jìn)艙的對(duì)接。本文對(duì)神舟飛船防熱大底鉆孔工藝及針對(duì)影響鉆孔精度的薄弱環(huán)節(jié)的工藝改進(jìn)進(jìn)行了研究。

1 大底結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

防熱大底的外形為局部球面回轉(zhuǎn)體，在球面外表面分布圓為2 350 mm 的直徑上有10 個(gè)均布的垂直于大底基準(zhǔn)平面的孔，其中5個(gè)為φ22/φ48 mm階梯孔為鈦管安裝孔，返回艙與防熱大底組裝后通過(guò)這5個(gè)鈦管與推進(jìn)艙精密對(duì)接（圖1）。另外5個(gè)φ30 mm孔為盲孔，安裝拋底墊塊。在球面內(nèi)表面與5個(gè)φ30 mm孔對(duì)應(yīng)位置處有5個(gè)均布的階梯盲孔φ14/φ32 mm孔。

圖1 防熱大底Fig.1 Heatshield

設(shè)計(jì)要求：（1）5 個(gè)鈦管安裝孔在大底基準(zhǔn)平面上相對(duì)于以大底圓心為原點(diǎn)的、以其中一個(gè)鈦管與中心的連線為x軸坐標(biāo)系的位置度不大于φ0.6 mm；（2）φ22 mm/φ48 mm階梯孔兩孔同軸度≤0.5 mm。

2 工藝難點(diǎn)分析

2.1 方案制定

對(duì)于φ2 600 mm，且目標(biāo)孔徑超過(guò)φ20 mm 的工件，首先應(yīng)采取數(shù)控機(jī)床加工方案，但如果防熱大底和與之對(duì)接的推進(jìn)艙的對(duì)接接口孔都通過(guò)數(shù)控機(jī)床加工，則存在孔位不能完全重合而導(dǎo)致對(duì)接不上的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)椴煌募庸ぴO(shè)備定位精度不完全一致，并且加工時(shí)兩段工件找正的基準(zhǔn)也不可能完全一致。為保證精確對(duì)接，鈦管安裝孔需與下一部段的連接孔協(xié)調(diào)加工，采取鉆模協(xié)調(diào)鉆孔，而非各部段數(shù)控加工鉆孔。鉆模協(xié)調(diào)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉆模將孔位傳遞給工作鉆模，再通過(guò)工作鉆模傳遞至工件的一種加工方法［4］。防熱大底上的5 個(gè)鈦管安裝孔通過(guò)與推進(jìn)艙對(duì)接接口協(xié)調(diào)過(guò)的工作鉆模加工。方案初期采用帶旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的大型搖臂鉆加工。

2.2 工藝難點(diǎn)分析

2.2.1 鉆孔精度保證

首先需保證加工鈦管安裝孔的工作鉆模與加工推進(jìn)艙接口的工作鉆模通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)，鉆模使用前通過(guò)檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)棒與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)試對(duì)合格。其次保證加工后大底孔與鉆模工作孔的一致性。由于設(shè)計(jì)除要求鈦管安裝孔與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)以外還提出位置度要求，對(duì)位置度精度有影響的因素包括：鉆?？孜恢枚?，及在指定狀態(tài)下，加工后大底孔與鉆?？椎耐S度。如鉆?？椎奈恢枚染容^高，則加工后大底孔與鉆?？椎耐S度裕度較大；反之，則對(duì)加工后大底孔與鉆?？椎耐S度精度要求較高。

位置度的定義為一形體的軸線或中心平面的實(shí)際位置相對(duì)理論位置允許變動(dòng)范圍［5］。防熱大底的鈦管安裝孔位置度是指鈦管安裝孔中心的實(shí)際位置相對(duì)理論位置的允許變動(dòng)范圍。

式中，x1，y1為實(shí)際孔中心坐標(biāo)；x2，y2為理論孔中心坐標(biāo)。

對(duì)于φ2 350 mm 的分度圓上的孔的位置度不大于φ0.6 mm 的要求，即實(shí)際孔中心應(yīng)在以理論孔中心為原點(diǎn)，半徑為0.3 mm 的圓的范圍內(nèi)，精度要求非常高。由于鉆?？椎奈恢镁扔蓸?biāo)準(zhǔn)鉆模決定，因此要保證鈦管安裝孔與推進(jìn)艙接口精確協(xié)調(diào)則需提高加工后大底孔與鉆?？椎耐S度。

對(duì)加工后大底孔與鉆?？椎耐S度有影響的因素包括：（1）活動(dòng)鉆套與鉆模襯套孔的間隙；（2）刀具與活動(dòng)鉆套的間隙；（3）鉆孔時(shí)鉆模與大底是否產(chǎn)生相對(duì)位移；（4）鉆孔后與鉆孔時(shí)大底狀態(tài)是否一致。對(duì)于影響因素（1）和（2）可通過(guò)制造和檢測(cè)達(dá)到要求。對(duì)于影響因素（3）和（4）則需要在鉆模設(shè)計(jì)和工藝流程設(shè)計(jì)上盡可能避免。

根據(jù)使用要求需要將防熱大底口朝下放置在平臺(tái)上自由狀態(tài)時(shí)測(cè)量鈦管位置度，則防熱大底在鉆孔時(shí)也應(yīng)接近自由狀態(tài)放置，因?yàn)橥耆杂蔂顟B(tài)下鉆孔會(huì)導(dǎo)致大底在刀具切削力作用下發(fā)生位移，鉆孔時(shí)必須先將大底裝夾固定。由于對(duì)于φ2 600 mm，碗形回轉(zhuǎn)體以蜂窩夾層為主的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度不高，在較大裝夾外力作用下可能產(chǎn)生彈性變形，即使是微小變形都會(huì)對(duì)鉆孔精度造成影響，因此大底在鉆孔時(shí)必須采取低應(yīng)力裝夾方式。

2.2.2 保證可操作性和安全性

沒打孔前，整個(gè)大底沒有可與工裝固定的孔或者可壓緊的翻邊，大底結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，約為二百多千克，尺寸也較大，在翻轉(zhuǎn)和吊運(yùn)上都存在一定困難。

3 鉆孔工藝優(yōu)化

3.1 工裝設(shè)計(jì)及裝夾方式優(yōu)化

由于大底直徑尺寸較大，兩面都有孔，且部分孔為盲孔，無(wú)法從同一方向一次加工完成，鉆孔時(shí)需要翻轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)工作鉆模時(shí)需考慮產(chǎn)品固定和翻轉(zhuǎn)，在大底內(nèi)外表面鉆孔，并保證內(nèi)外表面孔同軸。因此將工作鉆模設(shè)計(jì)成上下2個(gè)可拆裝的分體式鉆模，將大底夾在中間鉆孔，保證鉆鈦管安裝孔的上鉆模與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)，下鉆模與上鉆模孔協(xié)調(diào)。

翻轉(zhuǎn)時(shí)，上下鉆模與大底連接成一體，同時(shí)翻轉(zhuǎn)，由于工裝加大底較重，因此起吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)需考慮整體質(zhì)心位置，并設(shè)計(jì)配套的翻轉(zhuǎn)吊具，才能保證順利翻轉(zhuǎn)。

為保證鉆孔及翻轉(zhuǎn)時(shí)大底固定不動(dòng)，優(yōu)化前大底裝夾方式為夾緊式裝夾。具體裝夾方法為：用上下鉆模將防熱大底夾在中間，通過(guò)測(cè)量防熱大底外圓與鉆模外圓的距離調(diào)整大底中心與鉆模中心同軸，并在上下鉆模間均布?jí)|厚度略小于兩鉆模平均間隙的等高墊塊，通過(guò)采取這種措施防止兩鉆模合模時(shí)過(guò)度擠壓大底，在上下鉆模的定位銷孔中插入2個(gè)定位銷防止鉆模發(fā)生相對(duì)位移，用24 個(gè)螺栓將上下鉆模連接固定，如圖2所示。

在大底和鉆模裝夾過(guò)程中，上鉆模的重力及24個(gè)M16 的螺栓壓緊力共同作用使防熱大底受力產(chǎn)生彈性變形，在此狀態(tài)下加工的鈦管安裝孔孔位與鉆模一致，粘接鈦管后，去除上鉆模的重力及螺栓壓緊力的作用后，大底變形恢復(fù)，鈦管中心產(chǎn)生位移且鈦管軸線垂直度發(fā)生變化，造成粘接后鈦管中心位置與鉆模孔位產(chǎn)生偏差。

圖2 防熱大底鉆孔裝夾方式示意圖Fig.2 Schematic of clamping method of heatshield

上下鉆模合模時(shí)，無(wú)法保證上鉆模與下鉆模完全平行，從而導(dǎo)致大底受到壓力可能不均勻。針對(duì)夾緊式裝夾中鉆模與防熱大底裝夾后防熱大底的受力情況進(jìn)行有限元仿真分析，為了模擬真實(shí)的工況，定義邊界條件如下：（1）在防熱大底底部施加固定約束，消除剛體位移；（2）在鉆模結(jié)構(gòu)施加位移荷載；（3）防熱大底與鉆模結(jié)構(gòu)建立接觸關(guān)系。建立防熱大底與鉆模裝夾有限元仿真模型，如圖3所示。

圖3 防熱大底與鉆模裝夾有限元模型Fig.3 Finite element model of clamping method of heatshield and drilling jig

分為受力均勻和受力不均勻兩種工況計(jì)算，發(fā)現(xiàn)防熱大底鈦管分布圓直徑都會(huì)發(fā)生變化。

工況一：8個(gè)等高墊塊的高度差值完全相同，即上鉆模與下鉆模完全平行時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可得大底上的位移分布云圖（圖4）。

工況二：8個(gè)等高墊塊的高度差值不相同，即上下鉆模不平行時(shí)，可得f大底上的位移分布云圖（圖5）。

圖4 均勻受壓作用下的防熱大底變形云圖Fig.4 Deformation cloud of heatshield on uniform compression

圖5 不均勻受壓作用下防熱大底變形云圖Fig.5 Deformation cloud of heatshield on nonuniform compression

從圖4圖5可以看出，在防熱大底受力均勻的情況下，鈦管分布圓直徑有變形量，當(dāng)大底受力不均勻時(shí)，鈦管分布圓直徑增大，且受力不均勻程度越大，導(dǎo)致分布圓直徑最大變形量越大。并且，鈦管頂部最大橫向位移與分布圓直徑最大變形量存在一定差異，這說(shuō)明在大底受力過(guò)程中，鈦管發(fā)生傾斜。因此，防熱大底在鉆孔裝夾過(guò)程中使防熱大底受力，產(chǎn)生彈性變形，恢復(fù)自由狀態(tài)后將導(dǎo)致鈦管分布圓直徑與理論值產(chǎn)生較大偏差。

為降低大底裝夾造成的大底變形對(duì)鉆孔精度的影響，對(duì)裝夾方式和工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。首先將夾緊式裝夾改為低應(yīng)力裝夾方式，即不通過(guò)上下鉆模擠壓來(lái)固定大底，而是通過(guò)增加鉆模與大底的連接工藝孔，以及定位銷和點(diǎn)接觸式頂塊來(lái)限制大底在鉆孔時(shí)以及翻轉(zhuǎn)過(guò)程中位移的方式將大底與工裝裝夾固定（圖6）。相應(yīng)的工裝結(jié)構(gòu)也進(jìn)行更改，消除了大底裝夾后上下鉆模之間的間隙，使上鉆模不再與大底接觸，增加了大底固定角塊、頂塊、階梯定位銷等裝置來(lái)保證大底裝夾固定牢固又不產(chǎn)生較大變形（圖7）。鉆孔工裝和裝夾方式改進(jìn)降低了大底裝夾變形對(duì)鉆孔位置度精度的影響，保證了鈦管安裝孔的位置度精度。

圖6 改進(jìn)前后大底裝夾對(duì)比圖Fig.6 Clamping method comparison of heatshield before and after the process improvement

圖7 改進(jìn)后工裝示意圖Fig.7 Schematic of drilling jig after improvement

3.2 工藝流程優(yōu)化

改進(jìn)前鉆孔工藝流程為先將大底與上下鉆模裝夾，然后翻轉(zhuǎn)鉆模將防熱大底凹面朝上，加工5-φ22 mm通孔、5-φ14 mm和5-φ32 mm沉孔，再翻轉(zhuǎn)鉆模將防熱大底凸面朝上，加工5-φ48 mm 孔和加工5-φ30 mm 孔，鉆模翻轉(zhuǎn)時(shí)將大底夾緊，防止大底發(fā)生位移。改進(jìn)前工藝流程為：大底與工裝裝夾→翻轉(zhuǎn)鉆?！庸ご蟮變?nèi)部φ22 mm、φ14 mm、φ32 mm 孔→翻轉(zhuǎn)鉆?！庸ご蟮淄獠喀?8 mm、φ30 mm孔→粘接鈦管。

改進(jìn)前鉆孔工藝流程存在的主要問(wèn)題：（1）鉆孔過(guò)程中需翻轉(zhuǎn)兩次鉆模和大底，鉆模和大底的相對(duì)位置可能會(huì)發(fā)生位移；（2）鈦管安裝孔分別利用兩個(gè)鉆模加工，φ22 mm孔和φ48 mm孔的同軸度不如通過(guò)同一鉆模加工精度高。因此對(duì)鉆孔工藝流程進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化。

改進(jìn)后的工藝流程為：大底與工裝裝夾→加工大底外部φ22 mm、φ48 mm、φ30 mm 孔→翻轉(zhuǎn)鉆?！庸ご蟮變?nèi)部φ14 mm、φ32 mm 孔→粘接鈦管。為提高φ22 mm 孔和φ48 mm 孔的同軸度精度，先利用上鉆模加工5-φ22 mm 通孔、5-φ48 mm 孔和5-φ30 mm 孔，為防止大底在翻轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生位移，在φ22 mm 和φ48 mm 孔中插入階梯定位銷，在φ30 mm 孔中增加輔助支撐桿，再翻轉(zhuǎn)鉆模，將防熱大底凹面朝上，再加工5-φ14 mm和5-φ32 mm沉孔。

鉆孔工序調(diào)整后，φ22 mm 通孔與φ48 mm 孔是通過(guò)同一鉆?？赘鼡Q快換鉆套一次鉆孔完成，與原工藝方案通過(guò)上、下鉆模分別鉆孔相比提高了兩孔同軸度精度。所有孔加工完只進(jìn)行了一次翻轉(zhuǎn)，比改進(jìn)前減少了一次，降低了大底翻轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)變化風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少了操作人員的工作量。

3.3 加工設(shè)備優(yōu)化

工藝優(yōu)化前使用帶回轉(zhuǎn)平臺(tái)的大型搖臂鉆鉆孔，缺點(diǎn)是：（1）鉆孔精度與數(shù)控機(jī)床相比較差；（2）鉆孔前對(duì)刀需要多次手搖調(diào)整搖臂和主軸位置并低速試運(yùn)轉(zhuǎn)主軸頭使之與鉆套中心同軸［6］，確定鉆套中心是通過(guò)操作人員目測(cè)刀具與鉆套是否偏心以及聽聲音是否有刀具與鉆套刮蹭發(fā)出的異響來(lái)判斷，對(duì)刀精度依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，且容易損傷鉆套；（3）鉆孔深度無(wú)法精確控制。工藝優(yōu)化后采用五軸龍門數(shù)控加工中心鉆孔，但由于優(yōu)化改進(jìn)后的工藝仍采用協(xié)調(diào)鉆模鉆孔方案，所以不能使用五軸機(jī)床的銑削功能，如采用銑刀編程加工，加工的孔中心和走刀軌跡會(huì)與鉆模鉆套中心和鉆套表面有一定偏差，將導(dǎo)致鉆套損傷及刀具損傷。改用五軸數(shù)控機(jī)床加工的優(yōu)勢(shì)在于，鉆孔前對(duì)刀方式可改為用尋邊器找正鉆套中心，定位精度可控制在3 μm 以內(nèi)［7］，且不會(huì)損傷鉆套；使用數(shù)控加工中心鉆孔，鉆孔深度精度由機(jī)床定位精度決定，可控制在0.02 mm 以內(nèi)。改進(jìn)前后加工設(shè)備見圖8。

圖8 改進(jìn)前后加工設(shè)備Fig.8 Machining equipments before and after improvement

4 改進(jìn)成效

為驗(yàn)證工藝改進(jìn)的有效性，對(duì)防熱大底鉆孔過(guò)程進(jìn)行工藝試驗(yàn)，鉆孔后通過(guò)激光跟蹤儀等檢測(cè)手段對(duì)試驗(yàn)件的鈦管安裝孔位置度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1?？梢钥闯觯汗ぷ縻@模本身的孔位置度最大為φ0.43 mm，已接近要求值上限，這給鉆孔工藝增加了難度，為滿足位置度≤φ0.6 mm 的要求，則加工后大底孔與鉆?？椎耐S度應(yīng)控制在0.17 mm 范圍內(nèi)，從試驗(yàn)件的鉆孔結(jié)果來(lái)看工藝改進(jìn)后的大底孔位置度滿足要求。激光跟蹤儀檢測(cè)結(jié)果還顯示，工藝改進(jìn)后大底φ48 mm 孔φ22 mm 孔同軸度可控制在0.2 mm 范圍內(nèi)，5 個(gè)φ48 mm 鈦管安裝孔的深度偏差由0.2 mm提高到0.1 mm范圍內(nèi)。

表1 鉆模與試驗(yàn)件孔位置度對(duì)比Tab.1 Comparison of hole position between drilling jig and test piece

綜上所述，通過(guò)采取改進(jìn)鉆孔工裝、改變大底裝夾方式和鉆孔順序調(diào)整等優(yōu)化措施，減少了因大底裝夾造成的大底變形對(duì)鉆孔精度的影響，提高了階梯孔同軸度精度，通過(guò)鉆孔設(shè)備更換提高了鉆孔時(shí)對(duì)刀精度和深度控制精度。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于大尺寸蜂窩夾層局部球面復(fù)合結(jié)構(gòu)加工和鉆孔工藝，需注意結(jié)構(gòu)剛度對(duì)工件加工結(jié)果的影響，在工件裝夾時(shí)應(yīng)盡量降低裝夾應(yīng)力造成的工件變形；

（2）對(duì)于孔位置度要求較高的大型工件制孔，如有協(xié)調(diào)要求，可采取鉆模協(xié)調(diào)加工的方法，但應(yīng)首先保證鉆模工作孔的位置度達(dá)到比較精確的水平，要給鉆模制孔的積累誤差留一定的公差余量，才能保證最終的鉆孔結(jié)果滿足位置度要求；

（3）對(duì)于直徑2 m 以上的大型工件制孔，在工藝流程設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量減少工件翻轉(zhuǎn)和重新找正的次數(shù)，才能保證組孔的相對(duì)位置精度；

（4）對(duì)于直徑2 m 以上、目標(biāo)孔徑要求20 mm 以上的大型工件制孔，選用數(shù)控機(jī)床輔助加工比搖臂鉆床的精度高。