大型薄壁密封艙體工裝夾具的設(shè)計研究

白燕 張榮 劉淑芬 王燕

摘要：目前在我國生產(chǎn)的大多數(shù)航天產(chǎn)品之中大型薄壁密封艙體為主要形式，加工過程影響結(jié)構(gòu)的最終精度，薄壁復(fù)雜型面密封艙體表面輪廓度的測量方法，與其相關(guān)的裝夾技術(shù)研究尤為重要。本文在對航天行業(yè)中專用的夾具以及組合夾具的各種利與弊進行分析之后，提出了一種結(jié)合專用夾具以及組合夾具的航天大型薄壁密封艙體工裝夾具的設(shè)計研究項目。希望本文的研究能夠為我國的航天科研提供一些參考。

關(guān)鍵詞：大型薄壁密封艙體;工裝夾具;設(shè)計研究

中圖分類號：V462? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0073-02

0? 引言

隨著社會的發(fā)展，國際社會越來越注重對于航天技術(shù)的研究與提升。而我國作為現(xiàn)代國際航天大國，更需要對于航天技術(shù)進行相應(yīng)的科研與完善。在我國目前生產(chǎn)的大多數(shù)航天產(chǎn)品之中，大多都采用了大型薄壁密封艙體。這種航天行業(yè)需要的大型薄壁密封艙體對于密封的要求較高，而且艙體中所蘊含的型面種類繁多且復(fù)雜。因此大型薄壁密封艙體工裝夾具的設(shè)計工作之初，就要嚴格考慮到密封艙體夾具設(shè)計的各種要求。本文提出了一種大型薄壁密封艙體工裝專用夾具以及組合夾具進行結(jié)合的設(shè)計方案。在設(shè)計過程之中，采取了現(xiàn)有大型立式車床數(shù)臺和大型雙柱數(shù)控加工中心，大量的組合型夾具結(jié)合少量專用型夾具和設(shè)計思路。而且本文所采取的這種設(shè)計方案符合現(xiàn)代航天產(chǎn)業(yè)中通用化、系列化和組合化要求[1]。且這種設(shè)計方案也早已運用在我國的現(xiàn)代航天行業(yè)的大型薄壁密封艙體工裝夾具的設(shè)計研究工作之中，取得了十分成功的效果。

1? 大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)特點

我國在航天產(chǎn)業(yè)中所生產(chǎn)的大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)的特點可以用4個字來概括，那就是：薄、密、精、大。薄就是大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計勻稱而且薄壁;密則指的是大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計的精密度高，而且實際設(shè)計精確度也比較高;精指的是設(shè)計者以及操作人員在進行設(shè)計大型薄壁密封艙體時，對所有的精細環(huán)節(jié)要求非常高，而且精度特別高;大則就是整個儀器的尺寸較常規(guī)機械結(jié)構(gòu)大，屬于弱剛性結(jié)構(gòu)，整個設(shè)計都不會有設(shè)計以及施工的偏差。見圖1。

首先，大多數(shù)航天產(chǎn)品的體積較大，生產(chǎn)的大型薄壁密封艙體的直徑與高度全都超過兩米。所以，大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)具有大的特點。尤其是大型薄壁密封艙體在航天器發(fā)射與運行時候可能面對高溫、高壓以及各種極限情況。所以，對于這種大型薄壁密封艙體生產(chǎn)過程中還要考慮到艙體的高度的承受力。例如：天津的大型薄壁密封艙體的機械工業(yè)部下屬的國內(nèi)設(shè)計，航空部組合大型薄壁密封艙體的歸口單位對薄壁件的裝卡有經(jīng)驗進行了調(diào)研。

其次，這種航天大型薄壁密封艙體的艙體壁很薄，一般為1mm到3mm。這是因為大型航天器在發(fā)射過程中會消耗巨大的能量，而如果航天器生產(chǎn)的各部件的質(zhì)量過大就會大大增加對于能源的消耗。解決了大型復(fù)雜艙體輪廓度的測量問題，所以，我們在對于大型薄壁密封艙體進行設(shè)計與生產(chǎn)的工作中就需要考慮到減重的問題，也就需要將大型薄壁密封艙體壁變薄。

另外，這種大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)對于密封性的要求很高，這是因為艙體所需要面臨的工作環(huán)境十分惡劣與特殊。薄壁密封艙體之上會不可避免的存在法蘭類開孔，形成多處密封面或者是密封槽，并且艙體上會安裝設(shè)備支架，因此，大型薄壁密封艙體具有尺寸較大、面型復(fù)雜以及剛性不好等一系列特點，使得結(jié)構(gòu)精度保證成為難點，對其研制過程造成一定的困難。

2? 大型薄壁密封艙體工裝夾具

2.1 大型薄壁密封艙體專用夾具的分析

在我國航天產(chǎn)業(yè)中對于大型薄壁密封艙體工裝夾具的設(shè)計與生產(chǎn)工作中，專用夾具的特點具有較強的針對性。也就是說，這種專用夾具可以根據(jù)生產(chǎn)工藝中或者是設(shè)計過程中所需要針對到的不同的使用要求來制造出相應(yīng)的工裝。這樣我們在大型薄壁密封艙體設(shè)計與生產(chǎn)過程中使用專用夾具就能保證產(chǎn)品的整體質(zhì)量的提升，而這種專業(yè)夾具也具有一定的缺點，那就是針對性強的同時通用性減弱了，甚至部分的專業(yè)性夾具沒有通用性。如果夾具在設(shè)計過程之中對于不同的工位設(shè)計出不同的工裝，甚至在面對不同的加工余量的情況下也要設(shè)計出不同的專用型工裝，這樣就會對設(shè)計工作造成極其繁重的工作任務(wù)，而且這樣的模式所消耗的成本也十分的高。不僅如此，用專用夾具進行相關(guān)的大型薄壁密封艙體工裝夾具設(shè)計工作還具有另一個致命的缺點，那就是工裝的生產(chǎn)與設(shè)計周期較長。我們對于工裝的批量生產(chǎn)越大，需要消耗的相對應(yīng)的成本也就越低。而在現(xiàn)代航天產(chǎn)業(yè)中對于大型薄壁密封艙體而言，由于艙體尺寸大、面型種類多且復(fù)雜的特點，采用通用夾具不適用，專用工裝設(shè)計以及加工會十分的困難，所以艙體加工過程不適合只選用專用夾具或通用夾具的生產(chǎn)方式。

2.2 大型薄壁密封艙體組合夾具的分析

對于大型薄壁密封艙體工裝夾具的設(shè)計與生產(chǎn)工作，組合夾具的使用需要事先根據(jù)工序的實際需要準備好不同規(guī)格尺寸、不同形狀的標準化元件與合件，將這些標準元件與合件配裝成為各種符合要求的組合型夾具。在完成相應(yīng)的生產(chǎn)工作之后，將夾具進行拆分，并用油封分類的方式進行存放，在我們需要再次使用的時候可以再將其組合為滿足其他工作內(nèi)容要求的組合性夾具。組合夾具適合于新產(chǎn)品的試制工作，對于臨時性較高的工作任務(wù)會具有十分強大的適應(yīng)能力。這是因為我們能夠根據(jù)工作的具體要求，很快的精裝成滿足要求的組合夾具，大大縮短技術(shù)準備的周期。

目前，我國機械產(chǎn)業(yè)中具有十分完備的中系列組合夾具庫，也就是說，在航天產(chǎn)業(yè)的日常生產(chǎn)活動中應(yīng)該更多的去考慮中系列組合夾具，大型薄壁密封艙體尺寸大，組合加工部位多，空間位置角度多，加工工序多。然而，組合夾具元件在理論上能夠適用的范圍為工件外輪廓尺寸在100mm到400mm之間，如果工件的尺寸超出了這個范圍的話，夾具的自身剛度以及強度等可能滿足不了相應(yīng)的要求。可見，完全采用組合夾具元件進行組裝的夾具，也不太適用于航天產(chǎn)業(yè)中這種大尺寸薄壁艙體的裝夾要求。加工精度難以控制加工表面粗糙度低。

所以，在對于航天產(chǎn)業(yè)中大型薄壁密封艙體的裝夾具進行設(shè)計工作中，應(yīng)該采取結(jié)合專用夾具以及組合夾具的設(shè)計思路。將專用夾具與組合夾具的優(yōu)缺點進行互補，滿足我國現(xiàn)代航天產(chǎn)業(yè)的具體要求。

3? 大型薄壁密封艙體工裝夾具設(shè)計

3.1 大型艙體外裝夾工裝設(shè)計

首先我們在大型艙體的外裝夾工裝設(shè)計工作中，要利用現(xiàn)代化機床工作臺為工裝的基礎(chǔ)件，然后在艙體周圍安裝4～8個立柱，具體的數(shù)目應(yīng)該有相應(yīng)的目標要求來決定。在周圍安裝的立柱最終由一系列長方體支件對其進行拼接而成，而且力柱的下端要與組合夾具的基礎(chǔ)版類源進行對接，再用壓板與機床工作臺進行壓減工作。在立柱上端，我們需要使用專用的圓環(huán)對這些立柱進行連接，使其成為一體，兩艙側(cè)壁開孔多，開孔尺寸大，開口法蘭為空間角度位置，組合加工困難，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛性連接，進而形成夾具的主體，這樣就能夠保證夾具獲得較好的剛度與強度。

3.2 大型艙體內(nèi)裝夾工裝設(shè)計

在對于大型薄壁密封艙體的內(nèi)裝夾工裝進行設(shè)計工作中，首先要在密封艙體的中心安裝一個立柱，用這種測量方法，在現(xiàn)有設(shè)備條件下，然后將艙體中心的立柱下端與組合夾具的基礎(chǔ)版類元件進行對接工作，定期對測量用的數(shù)控加工中心進行精度標定。然后艙體外裝甲一樣在用壓板與機床工作臺進行壓緊。然后再將密封艙體中心的立柱上端銜接到組合夾具元件上，采用大型雙柱數(shù)控加工中心進行網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，進而構(gòu)成相應(yīng)的轉(zhuǎn)接平臺，完全符合“三化”（通用化、系列化和組合化）的設(shè)計思想，然后再在這個轉(zhuǎn)接平臺之上轉(zhuǎn)接具有充分柔性的組合夾具元件并且對大型薄壁密封艙體進行夾緊工作。在艙體中心安裝一個立柱（立柱數(shù)量可以根據(jù)空間和加緊力來確定）如圖2所示。

4? 大型艙體局部裝夾工裝設(shè)計

大型薄壁密封艙體部裝夾工裝設(shè)計的過程中。設(shè)計對艙體外輪廓的輪廓度要求為3mm，可以將密封艙體的內(nèi)裝夾以及外裝夾作為工裝的主體，然后在由上轉(zhuǎn)接組合夾具元件來實現(xiàn)大型艙體局部裝夾工裝。或者我們也能夠重新組裝組合夾具工裝，并且要采用自適應(yīng)螺釘作為可調(diào)節(jié)輔助支撐的原件。這樣我們就能夠隨時調(diào)節(jié)夾緊力解決因為過定位而引起工件形變的問題。采用大型雙柱數(shù)控加工中心進行網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)據(jù)采集。大型艙體局部裝典型夾工裝如圖3所示。

5? 總結(jié)

在我國的現(xiàn)代化航天產(chǎn)業(yè)中，會運用到大量的大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)。所以我們應(yīng)該采取兩種夾具結(jié)合的設(shè)計思路，返回艙殼體組合加工后，前后端框同軸度小于0.1mm，設(shè)計了艙體加工內(nèi)裝夾、外裝夾、空間位置的局部裝夾工裝，利用夾具各自的優(yōu)點，就能夠滿足產(chǎn)品的研制要求，大大減短艙體工裝夾具的生產(chǎn)周期，有效降低我國航天產(chǎn)業(yè)的運行成本。設(shè)計出的工裝夾具具有靈活多變、可重復(fù)使用的特點。

我們應(yīng)該進一步完善對于大型薄壁密封艙體夾具工裝的設(shè)計之路，以期對我國未來的航天業(yè)的發(fā)展起到更好的推進作用。

參考文獻：

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