典型板材中間框缺口切鉆樣板模塊化結構設計與應用

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構設計與應用

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）

為適應某型號衛星整流罩中狀態多變的部段殼體結構和滿足快速制造需求，針對其部段中的主要環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。通過傳統模線樣板與結構化非標組件的結合，實現中間框缺口切鉆模線樣板的模塊化結構設計與應用。結果表明：該中間框缺口切鉆樣板模塊化的應用，有效地提高了產品質量，保證了產品在不同狀態下的快速制造需求，降低了勞動強度；同時大幅降低了該類樣板的研發、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計與應用提供了技術參考，并在后續設計和應用過程中總結、積累經驗，歸類和完善此類樣板的設計模塊，推動并逐步實現中框缺口切鉆樣板的可產品化設計與應用。

衛星整流罩；狀態多變；中間框；切鉆樣板；模塊化結構設計；產品化設計與應用

1 引言

近年來，隨著航天事業迅速發展，產品更新換代周期不斷縮短，發射任務也日趨繁重，對航天產品零部件的制造周期與成本控制也提出了全新的挑戰。運載火箭中，典型框、桁、蒙皮結構的衛星整流罩為滿足不同的發射任務，其部段殼體結構狀態也經常發生變化，而作為整流罩各部段殼體中起主要環向支撐作用的板材中間框零件狀態也會隨之發生改變。本文針對傳統中間框缺口切鉆樣板[1]的生產成本高、周期長、整體尺寸大且結構笨重，以及使用狀態繁雜、使用率低及操作不便等問題進行工藝研究和設計改進。

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構設計[2]，保證了產品零件的制造精度，大幅度降低該類樣板設計、制造、存放及運輸成本，大幅縮減了該類樣板的設計與制造周期，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，提高了生產效率，同時降低了中間框產品零件超差及報廢的概率，保證了產品質量。

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星整流罩部段殼體，以及級間段等殼體結構中主要的環向支撐零件，在整個殼體結構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向支撐作用，以此來保證部段殼體的整體輪廓尺寸和結構的穩定性。

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、缺口沖模定位協調示意圖

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，避免在后續殼體部段裝配過程中與對接桁產生干涉。由于此類中框角度廣、尺寸大，且零件狀態下剛性不足，為保證輪廓尺寸整體協調，因此需要中間框缺口切鉆樣板實現對外形輪廓的定位、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調的定位孔，再通過定位孔配合下限壓制模具實現下限的壓制，如圖1所示。

2.2 板材中間框桁條缺口的分布定位及協調沖切

運載火箭上往往由于部段殼體狀態更改、結構調整或操作開口等位置改變，桁條的分布也隨之調整，造成中間框桁條缺口位置發生改變。特別是某型號衛星整流罩上各部段殼體，根據不同的發射任務，操作窗口、儀器安裝艙口經常發生變化，桁條分布和中間框缺口分布相應改變，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調沖切，如圖2所示。

3 中間框缺口切鉆樣板模塊化結構設計方案研究

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成本高、周期長、尺寸大，且不易操作使用，同時，由于產品狀態更改頻繁，產生的此類切鉆樣板數量較多，其中部分此類切鉆樣板僅應用一次。故此，使用車間為盡量避免上述情況的出現，往往采取多相似狀態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使用的圖號標記，其狀態繁雜混亂，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，降低了生產效率，增加出錯幾率，對產品零件質量造成不利影響。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及圖號局部示意圖

為適應狀態多變的產品部段殼體中間框零件的生產需要，對傳統中間框缺口切鉆樣板進行了工藝改進研究，采用模塊化結構設計，將中框缺口切鉆樣板進行分體組合式設計，主要由中間框缺口切鉆支撐架[3]部分和可根據不同產品狀態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構設計示意圖

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制造需求情況下，盡可能保障其通用性能，在設計過程中可實現支撐架高度方向可調節，以及定位、支撐一定范圍內不同半徑的切鉆樣板工作部分，以滿足更多狀態及不同型材中間框產品零件的生產使用。

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調的下限定位孔，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，制出與之對應的沖切桁條缺口沖模協調的定位孔，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調的定位裝配孔，實現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，在有輔助協調裝配要求時，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生變形。針對上述情況，切鉆樣工作部分采用了分段設計，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，軸向公差可控制在0.5mm范圍內。如在長期使用過程中，產生少量變形后，造成定位孔定位困難，可考慮在產品制造公差范圍內，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，軸向公差可控制在0.5mm范圍內。可以滿足工藝及板材類中間框產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品零件

經過工藝改進研究后，設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品零件的生產制造要求，輔助制造后的中間框產品零件如圖10所示。該樣板設計方式，只需一套固定支撐架，配合不同的切鉆樣板工作部分，可以完成不同狀態中間框產品零件的生產制造，如圖9所示。

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

5 結束語

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

后續在設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的角度分布。中間框產品零件在生產制造過程中，切鉆樣板工作部分與支撐架部分組合使用，其工作部分可根據狀態要求互相匹配選用和替換，實現此類中間框缺口切鉆樣板的產品化設計與應用[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：航空工業出版社，1993

2 朱耀祥，普林祥. 現代夾具設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2019

3 林清安. Pro/ENGINEER Wildfire2.0鈑金設計[M]. 北京：電子工業出版社，2005

4 成大先. 機械設計手冊第2卷[M]. 北京：化學工業出版社，2016

5 石晶. 數字化條件下三維數模在模線樣板設計中的應用[J]. 科技創新與應用，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，機械設計專業；研究方向：模線樣板設計。

2020-05-17