馮·卡門曲線支架新型鉆孔工藝研究

李俊文，郭東亮，平瑞華，李昂，范大偉

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 330462）

0 引言

火箭整流罩前錐母線的線型不僅直接決定了整流罩局部的氣動性能，而且也會對全箭的氣動性能產生較大的影響[1]。馮·卡門曲線整流罩是一種新型結構的整流罩，相比于傳統圓錐外形的整流罩，馮·卡門曲線能更好地減小空氣阻力，減小載荷作用的影響[2-4]。

在航天火箭研制中，鑒于馮·卡門曲線優異的氣動性能，其中我國一部分新一代長征系列運載火箭整流罩創新性地采用了馮·卡門曲線的外形[5]。馮·卡門曲線支架不僅是整流罩縱向分離裝置的重要組成部分，更是決定著整流罩分離的關鍵部件，其產品質量將會直接影響到馮·卡門曲線整流罩的應用與推廣。目前國內馮·卡門曲線支架的鉆孔加工還處于初始階段，對于其工藝技術的研究與探索具有重大意義。

1 馮·卡門曲線支架

以r-x設立坐標，x軸為箭體軸向（由整流罩錐頂指向尾部），r為理論曲線在x處的半徑，即馮·卡門曲線的公式為

式中：?=arcos(1-2x/L)，L為整流罩錐段理論長度；R為理論曲線的最大半徑值。

圖1為某型號的馮·卡門曲線支架，其中光孔等距分布于支架中心線上，光孔附近布有2個等距的螺紋孔，孔距的尺寸公差要求為±0.2 mm，光孔和螺紋孔的數量高達230多個。由于較長的曲線外形（約6.3 m），馮·卡門曲線支架在加工時的線輪廓度公差較大，偏差最高可達3 mm左右。馮·卡門曲線支架屬于超長鋁合金材的鈑金件，其經過鈑金拉彎成形后，還需要人工敲擊校形，這樣便會釋放較多的殘余應力，進而產生較大變形。馮·卡門曲線支架的變形主要存在以下2個方面：1）支架中心線可能會偏離理論的馮·卡門曲線；2）支架截面的寬度不均勻，局部區域變形較大，支架表面的平面度較差。故馮·卡門曲線支架孔的鉆制很難達到圖樣所要求的位置尺寸精度，這也是鉆孔加工領域的難題，因此馮·卡門曲線支架的鉆孔加工必須要考慮工藝設計和加工操作兩個方面，從而保證孔距精度達到尺寸公差要求。

圖1 某型號的馮·卡門曲線支架示意圖

2 傳統鉆孔工藝

數控鉆孔工藝雖然有非常高的加工效率，但是對于加工馮·卡門曲線支架的孔而言，存在很難克服的缺點。數控鉆孔工藝在裝夾方面需要定制非常大的專用工裝，而且由于支架的變形較大，一次裝夾難以完成。若采用多次裝夾加工方式，重復定位會降低定位精度，起始孔與終止孔的間距極易超差[6]。故數控鉆孔難以保證孔的尺寸精度要求。

鉗工鉆孔是保證孔加工精度的一種有效方法。在鉗工蓋板式鉆模的基礎上，桑猛等[7]研發了馮·卡門曲線支架鉆孔的局部鉆模工藝。局部鉆模工藝設計了補償銷，雖然可以應對支架在寬度方向存在寬窄不等、局部變形大等部分問題，同時也加工出合格的馮·卡門曲線支架產品，但此工藝方案仍然存在很多不足之處：1）鉆模固有缺點。鉆模孔之間的距離必須經過準確計算和測量，鉆模制造誤差可能會給工件帶來一定的偏差；鉆套存在磨損的問題，在鉆孔加工前必須確定鉆套的磨損量[8]，在超出其范圍值時，及時更換新鉆套，才能確保孔的加工精度；在鉆孔過程中，鉆模覆蓋在支架的上方，無法觀察鉆孔實際偏差情況，不能做出相應的調整；使用鉆模鉆孔的排屑性差，影響鉆孔效率。2）裝夾定位缺點。加工前還需手動控制局部鉆模，裝夾時補償銷與工件側壁要緊貼，裝夾速度較慢；必須選擇合適補償銷，確保孔位于支架中心；補償銷必須貼緊支架外邊緣，否則易造成孔位置偏離；孔距的定位精度較差，不能精確、靈活地調整；支架與鉆模相接觸的上表面平面度較差，會使鉆孔的位置發生偏斜，降低孔的定位精度。

3 模版復制鉆孔工藝

由于舊的鉆孔工藝存在較多缺點與問題，經過多次實際加工摸索并結合理論知識，設計了一種新型鉆孔工藝。此新型鉆孔工藝設計了一套新的模版工裝進行鉆孔加工，也稱作模版復制鉆孔工藝。此工藝方案借鑒了局部鉆模工藝中以直代曲法，采用新的模版工裝取代了局部鉆模工裝。

模版工裝主要由模版、基板、菱形卡塊組成，基板包括基板1與基板2。模版工裝具體如圖2所示，左側為2個基板，右側為模版。菱形卡塊由螺釘連接在基板上，其位置可以更換。

圖2 模版工裝

在結合“兩銷一面”[9-10]的定位方法和實際的加工情況后，模版工裝采用一個圓錐銷、一個菱形卡塊和一個基板的平面對工件進行定位。根據實際加工情況，將定位銷固定于基板，其中基板1采用了半圓銷，基板2采用了圓錐銷。其具有結構簡單、定位精度高的優點，并且減小了孔與銷的配合間隙量，便于模版安裝和取出。菱形卡塊定位處一角為圓角，有利于菱形卡塊一角與模版平面的線面接觸定位，大大提高了卡塊定位的精度與可靠性。模版上孔的位置尺寸由某型號馮·卡門曲線支架的圖樣要求確定，共有3種尺寸的孔距，分別為80.2、21.5、43.0 mm，孔在支架的位置邊距與模版孔的位置邊距相同，這樣實質上便將馮·卡門曲線支架圖樣要求中孔的間距與位置復制于此模版上。

如圖3所示，模版工裝使用時以基板上表面為基準面，將模版插入于定位銷內，通過調節菱形卡塊實現模版上孔的定位，工裝的基板通過鉆臺底部的壓板固定在鉆臺上。模版上與定位銷配合的孔即為已加工孔，鉆頭相對應的孔為待加工孔。調節鉆頭，確定孔的相對位置后，將模版取下，接著把馮·卡門曲線支架安裝于基板上，便可鉆制所需加工的孔。如圖1中的A-A剖視圖，實際成形后的馮·卡門曲線支架的下表面平面度較好，將其下表面與基板相接觸，可以極大地降低鉆孔時的顫振影響。

圖3 模版復制鉆孔加工示意圖

將局部鉆模工藝和模版復制鉆孔工藝方案的實際加工效果進行對比，如表1所示。相比于局部鉆模工藝，模版復制鉆孔工藝的加工效率提高了50%，其最大孔距公差不超過±0.1 mm，有時會保持在0左右；而局部鉆模工藝的最大孔距公差±0.2 mm左右，偶爾甚至會在±0.2 mm之外。由于局部鉆模裝夾定位方面的缺點，在加工時很容易發生顫振，導致孔距公差分布的隨機性大，加工過程中需要多次測量調整。由此可見，模版復制鉆孔加工技術避免了局部鉆模工藝的缺點，提高了裝夾速度與定位精度。

表1 兩種工藝方案的實際加工效果對比

4 結論

模版復制鉆孔工藝的研究和應用，有效地解決了馮·卡門曲線支架鉆孔加工的難題，保證了孔的加工精度，推動了馮·卡門曲線支架鉆孔加工技術的發展。由實際加工情況可知，模版復制鉆孔工藝遠遠優于舊的鉆孔工藝，大大提高了馮·卡門曲線類支架鉆孔加工的效率。模版復制鉆孔工藝是一種高效、便捷的鉗工鉆孔技術。此模版復制鉆孔工藝的研究為拉彎成形類超長鈑金件的多孔加工提供了一種新的工藝方法，同時也為加工相似工件的工裝設計提供了一種新的參考。