運(yùn)載火箭艙段壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用研究

申林遠(yuǎn) 曹 宇 劉東平 楊 帥 陶現(xiàn)賓，2

運(yùn)載火箭艙段壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用研究

申林遠(yuǎn)1曹 宇1劉東平1楊 帥1陶現(xiàn)賓1，2

（1. 天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；2. 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

以新一代運(yùn)載火箭薄壁艙段研制生產(chǎn)為背景，結(jié)合壁板產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的工程應(yīng)用。制定壁板自動(dòng)鉆鉚工藝流程，提出了壁板自動(dòng)鉆鉚工藝設(shè)計(jì)方法，并可視化仿真鉆鉚程序的執(zhí)行過(guò)程，排除程序錯(cuò)誤、執(zhí)行機(jī)構(gòu)干涉等問(wèn)題，驗(yàn)證程序的正確性、工藝方案的可靠性。通過(guò)測(cè)量壁板預(yù)裝配偏差對(duì)自動(dòng)鉆鉚程序進(jìn)行補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)了壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在新一代運(yùn)載火箭研制中的應(yīng)用，鉆鉚質(zhì)量大幅提升，工作環(huán)境得到改善。

自動(dòng)鉆鉚；壁板；工藝

1 引言

從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)逐漸由半自動(dòng)化和自動(dòng)化向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。作為機(jī)械連接的先進(jìn)技術(shù)之一，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)具有鉆鉚質(zhì)量好、質(zhì)量一致性佳、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)[1～4]。目前，國(guó)外知名航空制造企業(yè)的一些飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中就明確規(guī)定，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮最大限度地應(yīng)用自動(dòng)鉆鉚技術(shù)，以確保連接質(zhì)量[5]。設(shè)計(jì)上的要求進(jìn)一步推動(dòng)了自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)高校和航空航天院所也開(kāi)展了研究工作：上海交通大學(xué)、北京航空制造工程研究所等針對(duì)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)開(kāi)展技術(shù)研究，上海航天精密機(jī)械研究所、首都航天機(jī)械有限公司等結(jié)合型號(hào)研制工作開(kāi)展了自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的工程應(yīng)用研究，取得了一定成果。

鉚接技術(shù)在運(yùn)載火箭生產(chǎn)過(guò)程中占有重要地位，據(jù)估算運(yùn)載火箭制造中鉚接勞動(dòng)量約占20%[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)新一代運(yùn)載火箭五米艙段鉚釘數(shù)量高達(dá)16萬(wàn)余顆，依靠傳統(tǒng)手工的鉚接方法愈發(fā)難以滿足運(yùn)載火箭大型艙段的高可靠、快速制造需求。而自動(dòng)鉆鉚工藝是提高鉚接可靠性、實(shí)現(xiàn)快速制造的手段之一。由于新一代運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)主要包括壁板、隔框和蒙皮，壁板主要由蒙皮、桁條組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)敞性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆鉚。因此，針對(duì)大型艙段壁板產(chǎn)品積極開(kāi)展壁板自動(dòng)鉆鉚工藝研究并成功用于新一代運(yùn)載火箭級(jí)間段壁板的鉚接裝配中，大大提升了艙段壁板鉚接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速制造。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 艙段壁板

某艙段為典型的薄壁加筋半硬殼結(jié)構(gòu)，高度4.2m，由8塊45°壁板組成。該艙段鉚釘總計(jì)4萬(wàn)6千余顆，其中壁板鉚釘數(shù)量近2萬(wàn)4千顆，壁板鉚接工作量占總工作量的50%以上，且壁板鉚接均采用直徑4mm鉚釘。典型艙段壁板示意圖如圖1所示。

3 研究基礎(chǔ)

壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用研究基于壁板自動(dòng)鉆鉚設(shè)備開(kāi)展，設(shè)備采用移動(dòng)式龍門機(jī)床結(jié)構(gòu)，具備壁板裝夾、鉆孔、劃窩、鉚接等功能，末端執(zhí)行器隨龍門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高度方向加工，產(chǎn)品隨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品圓弧方向定位加工。

4 壁板自動(dòng)鉆鉚工藝

壁板傳統(tǒng)手工鉚接裝配，在桁條鉆導(dǎo)孔階段即需完成全部鉚釘導(dǎo)孔的鉆制，壁板裝配階段在完成桁條與蒙皮的協(xié)調(diào)定位之后，需用手工方法由桁條鉚釘導(dǎo)孔向蒙皮透制出所有的鉚釘孔。以該壁板為例，每塊壁板約有3000余顆鉚釘，手工裝配勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

壁板自動(dòng)鉆鉚工藝流程如圖2所示。桁條鉆導(dǎo)孔階段只需在桁條上制出協(xié)調(diào)裝配孔和預(yù)定位孔，無(wú)需制出所有鉚釘導(dǎo)孔，減少了零組件工作量；另一方面，壁板預(yù)裝配階段只需完成協(xié)調(diào)定位孔和與設(shè)備干涉孔位的鉚接，大面積的制孔鉚接工作依靠鉆鉚設(shè)備完成，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 壁板自動(dòng)鉆鉚流程

4.1 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)工作主要包括建立壁板的三維點(diǎn)位信息模型，制定自動(dòng)鉆鉚詳細(xì)實(shí)施方案，編制工藝卡片等。

4.1.1 建立三維點(diǎn)位信息模型

壁板的三維點(diǎn)位信息模型既包括蒙皮、桁條、中間框等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和其它安裝零件的三維實(shí)體模型，又包括全部鉚釘孔的位置。因此，點(diǎn)位模型一方面能夠直接讀取待制鉚釘孔的位置信息，另一方面也能夠直觀地反映出其它安裝零件與待制鉚釘孔的干涉情況，及時(shí)刪除干涉點(diǎn)位，避免造成質(zhì)量問(wèn)題。壁板的點(diǎn)位模型見(jiàn)圖3。

圖3 壁板點(diǎn)位模型

4.1.2 自動(dòng)鉆鉚實(shí)施方案

壁板自動(dòng)鉆鉚方案主要包括壁板預(yù)裝配方案、確定壁板鉆鉚順序、輸出工藝卡片。

壁板預(yù)裝配方案主要是確定定位鉚釘?shù)奈恢?，需統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品在小圍框上的定位方案以及自動(dòng)鉆鉚的實(shí)現(xiàn)率。

圖4 “大圍框套小圍框”構(gòu)型

本文依托的壁板自動(dòng)鉆鉚設(shè)備定位系統(tǒng)采用“大圍框套小圍框式”，基本構(gòu)成形式如圖4所示。小圍框是產(chǎn)品的夾持支撐架構(gòu)，其上布置有內(nèi)形卡板，起到框的作用[5]，保證所定位壁板的內(nèi)形準(zhǔn)確度，大圍框作為小圍框的載體，小圍框可帶壁板產(chǎn)品安裝在自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)大圍框上，實(shí)現(xiàn)壁板的自動(dòng)鉆鉚。

壁板自動(dòng)鉆鉚所用的小圍框內(nèi)形卡板寬度30mm，而鉚釘孔間距20～25mm，因此，內(nèi)形卡板支撐位置需預(yù)留鉚釘孔；另外考慮內(nèi)形卡板附近的鉚釘鉚接時(shí)，鉚桿與卡板會(huì)產(chǎn)生干涉，因此卡板附近的孔位需預(yù)先鉚接完成。經(jīng)過(guò)分析，選定中間框預(yù)留孔位置，如圖5所示，圖中兩顆定位釘之間的區(qū)域，作為內(nèi)形卡板支撐位置?？ò鍍蓚?cè)鉚釘作為定位釘預(yù)先完成鉚接，避免設(shè)備下鉚桿與卡板干涉，最大限度提高自動(dòng)鉆鉚率。壁板預(yù)裝配方案確定后，即可輸出桁條鉆定位孔數(shù)控程序。

圖5 內(nèi)形卡板支撐位置

壁板鉆鉚順序的設(shè)計(jì)需要解決幾個(gè)問(wèn)題：首先，鉆鉚順序的設(shè)計(jì)需考慮程序補(bǔ)償?shù)目尚行?，所謂程序補(bǔ)償即根據(jù)實(shí)物裝配與理論模型的偏差對(duì)程序進(jìn)行補(bǔ)償，壁板實(shí)物的裝配偏差主要指桁條的直線度。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，桁條直線度不易判定，在不同的區(qū)域，桁條位置偏差數(shù)值不盡相同；其次，由于被連接件自身制造誤差造成的貼合面間隙，需通過(guò)科學(xué)合理的鉆鉚順序設(shè)計(jì)，避免造成局部應(yīng)力集中。因此，需借鑒手工鉚接的經(jīng)驗(yàn)，基于對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析和基本自動(dòng)鉆鉚設(shè)備的工藝實(shí)現(xiàn)，規(guī)劃艙段壁板的鉆鉚順序，以保證產(chǎn)品的鉚接質(zhì)量。

壁板鉆鉚順序如圖6所示。采用分段鉆孔鉚接的方法，一方面降低了產(chǎn)品長(zhǎng)度帶來(lái)的桁條直線度判定難度，另一方面削弱了由于制造誤差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)件間隙對(duì)鉚接質(zhì)量的影響。

圖6 壁板鉆鉚順序

4.1.3 工藝卡片設(shè)計(jì)研究

壁板預(yù)裝配方案和鉆鉚順序確定之后，即可輸出工藝卡片。主卡用于明確桁條的位置信息，通過(guò)對(duì)主卡中桁條位置的更改實(shí)現(xiàn)實(shí)物偏差的補(bǔ)償，子表用于明確鉚接位置信息，根據(jù)點(diǎn)位模型設(shè)置好后無(wú)需修改。

4.2 裝配仿真與程序補(bǔ)償

圖7 線框仿真

圖8 鉆鉚仿真

應(yīng)用自動(dòng)鉆鉚編程軟件生成的數(shù)控程序，需裝配仿真驗(yàn)證其正確性，裝配仿真有線框仿真和鉆鉚仿真兩種，線框仿真主要模擬上下鉆鉚頭的運(yùn)行軌跡，用于快速驗(yàn)證刀具是否按照既定的路線加工，如圖7所示；鉆鉚仿真基于工件和設(shè)備的三維實(shí)體模型模擬實(shí)際加工過(guò)程，用于驗(yàn)證在設(shè)備工作過(guò)程中，自動(dòng)鉆鉚設(shè)備末端執(zhí)行器是否與裝夾夾具、工件自身等發(fā)生碰撞干涉等不協(xié)調(diào)問(wèn)題，如圖8所示。基于裝配仿真結(jié)果，優(yōu)化自動(dòng)鉆鉚流程，保證系統(tǒng)安全、高效的運(yùn)行。

由于零件制造誤差和裝配誤差，壁板預(yù)裝配實(shí)物和理論模型存在一定偏差，因此，需要測(cè)量裝配偏差并對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行補(bǔ)償，保證數(shù)控加工位置的正確。級(jí)間段壁板預(yù)裝配偏差的測(cè)量采用激光測(cè)頭，通過(guò)激光測(cè)頭與桁條的接觸，擬合計(jì)算得出桁條實(shí)際裝配位置，進(jìn)而得出桁條實(shí)際裝配位置與理論位置偏差。壁板裝配偏差的測(cè)量參照鉆鉚路徑的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于較長(zhǎng)桁條進(jìn)行分段測(cè)量，提高了程序補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果在工藝卡片中糾正桁條角度位置，根據(jù)糾正結(jié)果生成適用于壁板實(shí)物加工的數(shù)控鉆鉚程序，從而實(shí)現(xiàn)程序補(bǔ)償。

4.3 壁板自動(dòng)鉆鉚應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

鉆鉚程序經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證后即可用于實(shí)際加工。自動(dòng)鉆鉚的應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在鉚釘鐓頭成形一致性和對(duì)于工作環(huán)境的改善。

圖9 Φ4mm鉚釘手工鉚接、自動(dòng)鉚接對(duì)比分析

圖10 鉚釘實(shí)物鉚接效果

壁板產(chǎn)品鉚接質(zhì)量的檢驗(yàn)結(jié)果顯示，自動(dòng)鉆鉚鉚接合格率100%，鉚釘半圓頭及其周圍蒙皮無(wú)壓痕，鉚釘成形質(zhì)量良好。隨機(jī)抽取的手工錘鉚和自動(dòng)鉆鉚的壁板上各200個(gè)4mm鉚釘?shù)亩疹^直徑、高度尺寸分布，如圖9所示，大方框內(nèi)為合格墩頭尺寸。從圖中可見(jiàn)，自動(dòng)鉚接墩頭大小的合格率為100%、且82%的鉚釘鐓頭在(6±0.2)mm×(2±0.2)mm范圍即小方框內(nèi)，離散度小，說(shuō)明自動(dòng)鉆鉚鐓粗成形的鐓頭質(zhì)量一致性較好，相比傳統(tǒng)手工鉚接，質(zhì)量得到大幅提升。鉚釘實(shí)物鉚接效果如圖10所示。

工作環(huán)境方面，自動(dòng)鉆鉚設(shè)備鉆孔和鉚接的噪音均在70分貝以內(nèi)，手工鉆、鉚噪音均在90分貝以上，自動(dòng)鉆鉚有效地改善了工作環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)運(yùn)載火箭壁板產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合壁板自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，研究壁板產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚工藝流程，說(shuō)明了自動(dòng)鉆鉚工藝設(shè)計(jì)方法，制定了詳細(xì)的自動(dòng)鉆鉚實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)專用仿真軟件的線框仿真和鉆鉚仿真，驗(yàn)證了自動(dòng)鉆鉚工藝方案的可行性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了新一代運(yùn)載火箭壁板自動(dòng)鉆鉚的工程應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)證，自動(dòng)鉆鉚鉚釘成形合格率高達(dá)100%，鐓頭成形一致性好，工作噪音降低至70分貝以下，工作環(huán)境得到改善，同時(shí)降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，符合智能制造、綠色制造的發(fā)展要求。

1 葉順堅(jiān)，梁瑩，石正波，等. 自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在某運(yùn)載火箭助推模塊箱間段研制中的應(yīng)用[J]. 上海航天，2014(31)：15～19

2 侯東旭，李聰穎，朱建文，等. 運(yùn)載火箭殼段自動(dòng)鉆鉚仿真及工藝流程優(yōu)化[J]. 航天制造技術(shù)，2016(1)：28～32

3 李少波，陳翔鵬. 自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的應(yīng)用和無(wú)頭鉚釘安裝[J]. 航空制造技術(shù)，2007(9)：50～52

4 梁瑩，李宇昊，朱迅強(qiáng)，等. 大型薄壁艙體的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2013(5)：38～42

5 何勝?gòu)?qiáng). 大型飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)與裝備[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2013

Research on Application of Automatic Drill-riveting Technology in Panel of Launch Vehicle’s Cabin

Shen Linyuan1Cao Yu1Liu Dongping1Yang Shuai1Tao Xianbin1, 2

(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 development of the cabin of the new generation of launch vehicles. The research on engineering application of automatic drill-riveting technology is based on structural characteristics of panel parts. The process and process planning methods of automatic drill-riveting are designed. The visible simulation for automatic drilling and riveting can get rid of program errors and actuator collision problems. It also verifies the correctness and the reliability of programs and processes. The drill-riveting program compensation is actualized via measuring the deviation of pre-assembled panels. The successful application of panel automatic drill-riveting technology in the development of the new generation of launch vehicles not only promotes the drilling and riveting quality, but also improves the working conditions.

automatic drill-riveting；panel；process

申林遠(yuǎn)（1986），工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：鉚接裝配工藝。

2018-08-10