Φ5000mm筒形艙段圓度控制技術研究

申林遠 陶現賓 孫佳欣 王 鎮周振輝

5000mm筒形艙段圓度控制技術研究

申林遠1陶現賓1，2孫佳欣2王 鎮1周振輝1

（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）

針對新一代大型運載火箭研制過程中的箭體結構艙段對接框圓度超差問題，從大直徑筒形艙段結構特點、鉚接工藝缺陷、艙段裝配流程、鉚接順序、鉚接方法和工藝裝備等方面，分析了對接框圓度超差的主要影響因素并制定了相應的圓度控制措施。經過改進措施的實施，成功地將5000mm級直徑艙段對接框的圓度控制在合格范圍內并通過了艙段對接試驗驗證。

大直徑艙段；圓度超差；圓度控制

1 引言

為保證產品正常使用，許多機械零、部、組件圖紙中都有明確的圓度誤差指標[1]。因為無論采用何種制造方法，由于加工設備本身的精度、產品加工變形、加工后的回彈、加工工藝方法等多種復雜因素的影響，不可能將工件的尺寸、幾何要素的形狀和相對位置，制造的與設計要求完全相同，因而便產生制造誤差。

箭體結構是火箭的重要組成部分，艙段之間通過對接框對接組合成箭體，對接框圓度是影響部段裝配連接協調性的重要指標之一，圓度超差將造成部段之間的相對扭轉和錯移[2]。新一代大型運載火箭箭體結構直徑達5m，為直徑較大的薄壁筒形結構。隨著直徑尺寸的增大，圓度控制的難度也隨之增大。

2 大直徑筒形艙段圓度控制問題

新一代大型運載火箭某艙段直徑5m，產品高度4m以上，對接框圓度檢測采用激光跟蹤儀。激光跟蹤儀是一種高精度、便攜式三維坐標測量設備，激光跟蹤儀發射出激光束，光束經靶標球反射回到激光頭，利用光學測距原理測量圓周上各點的半徑值[3～5]，若圓形結構內部有平臺、遮擋等結構時，激光無法穿過，必須移動測量儀器進行其它點的測量，稱之為“轉站”測量，轉站之后的測量結果與前一站的測量結果要轉化到同一坐標系下，然后再進行圓度的擬合。對于箭體結構中的薄壁艙段產品，較為精確的圓度計算方法是沿周向等角度對稱獲取產品型面上若干點位徑向相對變化量，采用簡化的最小二乘法計算出理論圓心，并通過圓心與初始點位間距離的極值差作為圓度誤差[6]。該艙段產品在初始研制過程中，屢次出現圓度指標不達標問題，見表1。

表1 某艙段圓度指標不達標情況

艙段大都是薄壁結構，在制造和水平停放過程中，都會出現程度不同的形狀偏差和彈性變形。對接框不圓，會直接影響定位銷和連接孔的分布位置，從而造成總裝連接困難；連接以后，界面還會出現錯移凸階。凸階不僅影響氣動外形，而且對有些作為支持部位的連接面，還可能影響支持結構協調。同時，對有時采取外部密封涂膠等措施帶來不便。因此，急需分析艙段圓度的影響因素，并采取相應對策控制其變形。

3 圓度影響因素研究

3.1 艙段結構剛性較弱

運載火箭箭體艙段一般為鋁合金薄壁結構，采用傳統的框、桁、蒙皮結構形式，根據殼體飛行過程中受力情況會適當增加起剛度強化作用的組合梁、加強框等結構。由于艙段直徑達5m、高度大于4m，徑向剛性相對較弱。特別是為提升運載能力，需要減輕艙段的重量，在保證艙段能夠滿足飛行試驗承載要求的前提下，結構設計時采取了較多的減重設計措施，多采用較薄較輕的骨架零件。

3.2 鉚接應力綜合影響

在艙段鉚接裝配過程中，由于鉚接應力的影響會產生多種鉚接變形。

鉚釘鉚接的過程是通過錘擊或擠壓而形成鉚釘鐓頭的過程，在此過程中鉚釘釘桿部分相應膨脹，致使被連接件的結構膨脹變形。由于鉚接方法或鉚接順序的不同，鉚接應力變形或累積增加或相互抵消，產生不平衡的變形，致使工件產生彎曲、扭曲、翹曲等不同形式的變化。

圓度不達標艙段的鉚接裝配工作共需完成4萬余顆鉚釘的鉚接，大面積鉚接產生的應力變形的累積將會導致嚴重的應力集中。上、下對接框均為L型外翻框結構，對接框直徑大，整體剛性較弱，鉚接過程產生的應力集中容易在對接框處累積下來并釋放，產生變形，影響到產品的圓度。

3.3 零件裝配不協調的影響

艙段裝配過程中經常存在零件裝配不協調或零件與工裝不協調的情形，如果對裝配不協調的零件不采取糾正措施就進行強迫裝配勢必產生應力而使工件變形。以隔框與蒙皮的鉚接裝配為例，隔框與蒙皮的滾彎成型都存在一定加工制造誤差，平整度較差，蒙皮局部呈波浪形，最后導致隔框與蒙皮貼合面之間存在較大的間隙，導致二者不能完全貼合，如圖1所示。如若鉚接隔框和壁板時，對隔框和蒙皮進行強迫裝配，勢必會引起產品變形。

圖1 隔框與蒙皮間隙

3.4 鉚接裝配流程的影響

該5000mm艙段的鉚接裝配流程為：零組件上型架定位完成后，先鉚接上、下對接框，然后鉚接隔框，最后鉚接蒙皮搭接位置桁條。但是，由于5000mm級艙段的大直徑、組合隔框、壁板式結構特點，并且隔框框環和蒙皮的加工誤差，存在3.3所述的裝配不協調問題，此時如果仍舊按照現役運載火箭3350mm艙段的鉚接流程進行組件裝配，鉚接上、下對接框后，再鉚接隔框，容易導致隔框與蒙皮進行強迫裝配產生的較大的集中應力在對接框處釋放，引發殼體的變形。

3.5 鉚接順序的影響

鉚接裝配過程中，鉚接順序不合理也會引發變形。一般鉚接順序遵循中心法或邊緣法，如圖2所示。若鉚接順序安排不合理，將會使鉚接工件自身產生的應力變形加劇。此外由于隔框與壁板存在裝配不協調問題，若鉚接順序和裝配流程安排不合理，勢必會進一步加劇產品的應力變形。

圖2 中心法和邊緣法鉚接順序示意圖

3.6 鉚接方法的影響

鉚接方法根據所用工具的不同分為手鉚、錘鉚、壓鉚及其他特殊鉚釘的鉚接方法，其中錘鉚法又分為正鉚法和反鉚法兩種，如圖3所示，反鉚法以其生產效率高等優點在火箭殼段鉚接中得到了最廣泛的應用。艙段產品的鉚接大多采用反鉚法鉚接。反鉚法是用鉚槍錘擊鉚釘頭，而用頂鐵頂住鉚釘桿，由鉚槍窩頭沖擊鉚釘，鉚釘又沖擊頂鐵，在鉚釘桿上形成鉚釘鐓頭。反鉚法相比正鉚等其他鉚接方法生產效率高，但反鉚法鉚接存在一定的缺點，即蒙皮表面容易形成波浪形，產品表面質量較差。

圖3 正鉚和反鉚示意圖

艙段鉚接裝配時，由于對接框圓周較長、剛性較弱，采用反鉚方式鉚接易產生變形，影響圓度。

3.7 產品起吊狀態的影響

艙段下型架吊運所用的吊掛一般為四爪式吊掛，如圖4所示。吊點在對接框上間隔90°均勻分布。四爪式吊掛自身重量輕，使用方便、靈活，但吊運時產品對接框會受到徑向的擠壓分力，對于整體剛性相對較差的大直徑鉚接艙段，容易產生擠壓變形，如圖5所示。

圖4 四爪吊掛

圖5 產品受力狀態

通過對上對接框起吊前后的圓度進行跟蹤測量，起吊前對接框產品圓度為2.87mm，起吊后的對接框圓度為3.65mm，相對于起吊前狀態，對接框圓度增大了0.78mm，增加幅度為27%。

對接框起吊前后各測量點的半徑偏差-角度變化曲線如圖6所示。由圖6可以具體看出，起吊前后對接框變形的詳細變化情況：圖中四個象限位置即0°、90°、180°、270°位置為起吊位置附近，半徑偏差均有所增大，尤其以Ⅰ偏Ⅱ35°位置、Ⅱ象限附近位置、Ⅲ象限附近位置、Ⅰ偏Ⅳ20°位置起吊后的半徑偏差變化最為明顯，半徑偏差分別增大了0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.8mm，說明吊裝過程中產品的受力加劇了對接框的變形。

圖6 對接框起吊前后各測量點的半徑偏差-角度變化曲線

4 圓度控制技術研究

綜合以上對圓度影響因素的分析，造成艙段圓度超差的原因既有結構自身的原因，也有零件自身制造精度的影響，還有裝配工藝方法和工藝裝備的影響。本文主要從裝配過程出發，研究如何通過優化裝配工藝，減少裝配過程中的鉚接變形，達到控制最終產品圓度的目的。

4.1 嚴格控制被鉚接件間隙

圖7 被鉚件間隙處理示意圖

隔框與蒙皮存在加工制造誤差，平整度較差。按照QJ782A－2005《鉚接通用技術要求》，被鉚接件之間的結構間隙應不超過0.25mm。一方面以隔框組合夾具為基準，對隔框進行修整，通過保證框環與工裝定位面充分貼合，確保隔框整體圓度；另一方面，隔框上型架定位完成后，其與蒙皮之間仍存在一定間隙。檢查隔框與蒙皮的間隙，在間隙較大的位置用工藝螺釘把緊隔框與蒙皮的形式，將被鉚接件間隙均勻排開，如圖7所示，避免間隙過大導致應力集中，工藝螺釘的數量視間隙大小和范圍確定。保證隔框與蒙皮協調裝配。

4.2 調整鉚接裝配流程

由于零件加工誤差致使隔框和蒙皮存在裝配不協調問題，而傳統的先鉚接上、下對接框，然后鉚接隔框，最后鉚接蒙皮搭接位置桁條的裝配流程容易導致集中應力在對接框處釋放，引發殼體的變形。因此，若要減少變形，需要對原有的鉚接裝配流程進行優化，零組件上型架定位后，先鉚接隔框，大面積鉚接產生的集中應力可以先在組合成殼體之前釋放一部分，隔框鉚接完畢再鉚接上、下對接框，最后鉚接搭接位置桁條。

4.3 優化鉚接順序

圖8 中間框鉚接順序

該5000mm艙段采用壁板式結構，型架上主要的鉚接工作是隔框的鉚接，約占據所有架上鉚接工作量的80%。因此，合理的安排隔框的鉚接順序，能夠有效減少結構的膨脹或收縮變形。艙段由6個隔框和8塊壁板組成，隔框的鉚接采取如下方法：首先，6個隔框高度方向上采用中心法鉚接，即從殼體中間部位兩個隔框，從圖8a中箭頭起始位置開始，向上、向下鉚接，如圖中箭頭所指方向；其次，同一個隔框的鉚接，采用分段斷續鉚接的方法，按照8塊壁板的大小和搭接位置將隔框相應地分為8個區域，每個區域內采用中心法鉚接，如圖8b中箭頭起始位置即每塊壁板的中心位置開始，向箭頭所指方向即壁板搭接方向展開，以此順序鉚接隔框和壁板。

4.4 改變鉚接方法

如上文所述，正鉚法鉚接變形小，反鉚法生產效率高。為充分發揮兩種鉚接方法的技術優勢，同時控制產品的變形，艙段產品不同的部位采用不同的鉚接方法。

隔框鉚接主要是4mm×8mm鉚釘的鉚接，工作量大，宜采用反鉚法鉚接。對接框采用5mm的鉚釘，但是在型架上鉚接時，有專用定位工裝起到緊固對接框的作用，因此在型架上鉚接對接框時，可以采用反鉚法；但是，對接框部分鉚釘的鉚接是在型架下的自由狀態下進行的，必須采用正鉚法，以減小變形。

此外，采用沖擊力小的鉚接工具，例如，高頻低沖擊鉚槍、壓鉚鉗等，也是控制鉚接變形的有效手段。

4.5 改進工藝裝備設計

4.5.1 改進產品吊具

四爪吊掛在吊運過程中，吊索對產品具有較大的收緊力，會引起四個吊點位置或者向內凹陷，加劇產品的變形。用橫梁式吊掛取代四爪式吊掛，如圖9所示。使用橫梁式吊掛可以保證產品在吊運時主要受到豎直向上的拉力，減少吊具擠壓產生的吊裝變形。

通過對采用橫梁吊掛起吊上對接框前后的圓度進行跟蹤測量，起吊前對接框產品圓度為2.93mm，起吊后的對接框圓度為3.28mm，相對于起吊前狀態，對接框圓度增大了0.35mm，圓度增加幅度為11.9%，相對于使用四爪吊掛時圓度誤差的增幅降低了55%。對接框起吊前后各測量點的半徑值-角度變化曲線如圖10所示（Ⅰ象限位置為原點）。從圖10中可以看出，起吊前后上對接框變形情況：圖中曲線Ⅰ、Ⅲ象限線附近部分基本重合在一起，對接框相對于起吊前未發生明顯變形，說明在產品吊運時此范圍內對接框基本沒有受到徑向作用力；由于橫梁吊掛的起吊位置選在Ⅱ、Ⅳ象限線所在位置，因此Ⅱ、Ⅳ象限線附近部分略有變化，變化幅度0.2mm到0.3mm不等。相對于使用四爪式吊掛時對接框半徑的變化情況，使用橫梁式吊掛所導致的對接框變形明顯減弱。

4.5.2 型架增加緊固裝置

對接框在型架上的定位，一般利用對接孔與型架螺接實現。通過在型架上增加對接框頂緊裝置、壓緊或限位裝置等，如圖11所示，加強對對接框的固定作用，削弱鉚接沖擊變形的影響。

圖11 對接框固定方式

5 結束語

a. 通過分析圓度影響因素，制定控制措施，成功將艙段對接框圓度誤差控制在合格范圍內，見表2。

表2 某艙段圓度指標達標情況

b. 對艙段產品分別開展了臥式和立式對接試驗，試驗過程順利，對接螺栓全部穿入對接孔，證明產品圓度控制效果良好，能夠滿足箭體總裝需求。

1 王志堅，甄宏偉，周凱，等. 大尺寸產品圓度誤差的快速評定方法及應用[J]. 導彈與航天運載技術，2016，6：99～102

2 龍樂豪. 總體設計[M]. 北京：中國宇航出版社，2005

3 楊傳成，張斌，楊自鵬，等. 激光跟蹤儀在上面級發動機總裝后精度測量中的應用[J]. 航天制造技術，2017(6)：50～53

4 郭潔瑛，劉笑，王偉. 激光跟蹤儀水平與垂直角對測量精度影響的試驗研究[J]. 航天器環境工程，2010，27(5)：643～645

5 任福明，章茂云，安立輝，等. 大尺寸圓柱體幾何參數測量系統研制[J]. 航天制造技術，2011(4)：28～31

6 QJ3194－2004. 大尺寸圓度誤差測量方法[S]. 北京：中國航天標準化研究所，2004

Research on Roundness Tolerance Controlling Technology of Large Diameter Cylindrical Cabin

Shen Linyuan1Tao Xianbin1，2Sun Jiaxin2Wang Zhen1Zhou Zhenhui1

(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 out-of-roundness-tolerance problem in the cabins’ interface frame in the development of the cabins of the new generation of launch vehicles. Influence factors of this problem were analyzed from structural characteristics of large diameter cylindrical cabin, defect of riveting process, cabin’s assembling process, riveting order, riveting mode, and process equipment, etc. The roundness controlling measures were formulated and put into practice. Finally, the roundness tolerance of the cabins’ interface frame which was 5000 millimeter in diameter was controlled within the regular range. The cabins which were up to standard were successfully docked in experiments.

large diameter cylindrical cabin；out-of-roundness-tolerance；roundness tolerance controlling

申林遠（1986），工程師，材料加工工程專業；研究方向：鉚接裝配工藝。

2019-06-04