神舟飛船防熱大底鉆孔工藝技術(shù)研究

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

防熱大底是神舟飛船返回艙中尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、受力及受熱耦合最嚴(yán)重的防熱部件，是返回艙制造流程中的關(guān)鍵部件之一。神舟飛船防熱大底采用大面積燒蝕防熱、玻璃鋼蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作背壁承力并防熱，拐角玻璃鋼環(huán)加不銹鋼墊塊作主要傳力件的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式［1］。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度、比模量高，抗沖擊性能好，較高的耐疲勞強(qiáng)度等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［2］。但蜂窩夾層結(jié)構(gòu)剛度較低，難于裝夾固定，對加工制孔有一定難度［3］。

防熱大底的生產(chǎn)流程包括成型、加工、鉆孔、粘接鈦管和金屬墊塊等工序，每道工序的生產(chǎn)質(zhì)量都直接影響防熱大底力學(xué)和物理性能。鉆孔是最關(guān)鍵的工序之一，鉆孔精度直接影響防熱大底與推進(jìn)艙的對接。本文對神舟飛船防熱大底鉆孔工藝及針對影響鉆孔精度的薄弱環(huán)節(jié)的工藝改進(jìn)進(jìn)行了研究。

1 大底結(jié)構(gòu)簡介

防熱大底的外形為局部球面回轉(zhuǎn)體，在球面外表面分布圓為2 350 mm 的直徑上有10 個均布的垂直于大底基準(zhǔn)平面的孔，其中5個為φ22/φ48 mm階梯孔為鈦管安裝孔，返回艙與防熱大底組裝后通過這5個鈦管與推進(jìn)艙精密對接（圖1）。另外5個φ30 mm孔為盲孔，安裝拋底墊塊。在球面內(nèi)表面與5個φ30 mm孔對應(yīng)位置處有5個均布的階梯盲孔φ14/φ32 mm孔。

圖1 防熱大底Fig.1 Heatshield

設(shè)計要求：（1）5 個鈦管安裝孔在大底基準(zhǔn)平面上相對于以大底圓心為原點(diǎn)的、以其中一個鈦管與中心的連線為x軸坐標(biāo)系的位置度不大于φ0.6 mm；（2）φ22 mm/φ48 mm階梯孔兩孔同軸度≤0.5 mm。

2 工藝難點(diǎn)分析

2.1 方案制定

對于φ2 600 mm，且目標(biāo)孔徑超過φ20 mm 的工件，首先應(yīng)采取數(shù)控機(jī)床加工方案，但如果防熱大底和與之對接的推進(jìn)艙的對接接口孔都通過數(shù)控機(jī)床加工，則存在孔位不能完全重合而導(dǎo)致對接不上的風(fēng)險，因?yàn)椴煌募庸ぴO(shè)備定位精度不完全一致，并且加工時兩段工件找正的基準(zhǔn)也不可能完全一致。為保證精確對接，鈦管安裝孔需與下一部段的連接孔協(xié)調(diào)加工，采取鉆模協(xié)調(diào)鉆孔，而非各部段數(shù)控加工鉆孔。鉆模協(xié)調(diào)是通過標(biāo)準(zhǔn)鉆模將孔位傳遞給工作鉆模，再通過工作鉆模傳遞至工件的一種加工方法［4］。防熱大底上的5 個鈦管安裝孔通過與推進(jìn)艙對接接口協(xié)調(diào)過的工作鉆模加工。方案初期采用帶旋轉(zhuǎn)平臺的大型搖臂鉆加工。

2.2 工藝難點(diǎn)分析

2.2.1 鉆孔精度保證

首先需保證加工鈦管安裝孔的工作鉆模與加工推進(jìn)艙接口的工作鉆模通過標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)，鉆模使用前通過檢測用標(biāo)準(zhǔn)棒與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)試對合格。其次保證加工后大底孔與鉆模工作孔的一致性。由于設(shè)計除要求鈦管安裝孔與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)以外還提出位置度要求，對位置度精度有影響的因素包括：鉆?？孜恢枚龋霸谥付顟B(tài)下，加工后大底孔與鉆模孔的同軸度。如鉆模孔的位置度精度較高，則加工后大底孔與鉆?？椎耐S度裕度較大；反之，則對加工后大底孔與鉆模孔的同軸度精度要求較高。

位置度的定義為一形體的軸線或中心平面的實(shí)際位置相對理論位置允許變動范圍［5］。防熱大底的鈦管安裝孔位置度是指鈦管安裝孔中心的實(shí)際位置相對理論位置的允許變動范圍。

式中，x1，y1為實(shí)際孔中心坐標(biāo)；x2，y2為理論孔中心坐標(biāo)。

對于φ2 350 mm 的分度圓上的孔的位置度不大于φ0.6 mm 的要求，即實(shí)際孔中心應(yīng)在以理論孔中心為原點(diǎn)，半徑為0.3 mm 的圓的范圍內(nèi)，精度要求非常高。由于鉆?？椎奈恢镁扔蓸?biāo)準(zhǔn)鉆模決定，因此要保證鈦管安裝孔與推進(jìn)艙接口精確協(xié)調(diào)則需提高加工后大底孔與鉆?？椎耐S度。

對加工后大底孔與鉆?？椎耐S度有影響的因素包括：（1）活動鉆套與鉆模襯套孔的間隙；（2）刀具與活動鉆套的間隙；（3）鉆孔時鉆模與大底是否產(chǎn)生相對位移；（4）鉆孔后與鉆孔時大底狀態(tài)是否一致。對于影響因素（1）和（2）可通過制造和檢測達(dá)到要求。對于影響因素（3）和（4）則需要在鉆模設(shè)計和工藝流程設(shè)計上盡可能避免。

根據(jù)使用要求需要將防熱大底口朝下放置在平臺上自由狀態(tài)時測量鈦管位置度，則防熱大底在鉆孔時也應(yīng)接近自由狀態(tài)放置，因?yàn)橥耆杂蔂顟B(tài)下鉆孔會導(dǎo)致大底在刀具切削力作用下發(fā)生位移，鉆孔時必須先將大底裝夾固定。由于對于φ2 600 mm，碗形回轉(zhuǎn)體以蜂窩夾層為主的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度不高，在較大裝夾外力作用下可能產(chǎn)生彈性變形，即使是微小變形都會對鉆孔精度造成影響，因此大底在鉆孔時必須采取低應(yīng)力裝夾方式。

2.2.2 保證可操作性和安全性

沒打孔前，整個大底沒有可與工裝固定的孔或者可壓緊的翻邊，大底結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，約為二百多千克，尺寸也較大，在翻轉(zhuǎn)和吊運(yùn)上都存在一定困難。

3 鉆孔工藝優(yōu)化

3.1 工裝設(shè)計及裝夾方式優(yōu)化

由于大底直徑尺寸較大，兩面都有孔，且部分孔為盲孔，無法從同一方向一次加工完成，鉆孔時需要翻轉(zhuǎn)，在設(shè)計工作鉆模時需考慮產(chǎn)品固定和翻轉(zhuǎn)，在大底內(nèi)外表面鉆孔，并保證內(nèi)外表面孔同軸。因此將工作鉆模設(shè)計成上下2個可拆裝的分體式鉆模，將大底夾在中間鉆孔，保證鉆鈦管安裝孔的上鉆模與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)，下鉆模與上鉆?？讌f(xié)調(diào)。

翻轉(zhuǎn)時，上下鉆模與大底連接成一體，同時翻轉(zhuǎn)，由于工裝加大底較重，因此起吊點(diǎn)的設(shè)計需考慮整體質(zhì)心位置，并設(shè)計配套的翻轉(zhuǎn)吊具，才能保證順利翻轉(zhuǎn)。

為保證鉆孔及翻轉(zhuǎn)時大底固定不動，優(yōu)化前大底裝夾方式為夾緊式裝夾。具體裝夾方法為：用上下鉆模將防熱大底夾在中間，通過測量防熱大底外圓與鉆模外圓的距離調(diào)整大底中心與鉆模中心同軸，并在上下鉆模間均布墊厚度略小于兩鉆模平均間隙的等高墊塊，通過采取這種措施防止兩鉆模合模時過度擠壓大底，在上下鉆模的定位銷孔中插入2個定位銷防止鉆模發(fā)生相對位移，用24 個螺栓將上下鉆模連接固定，如圖2所示。

在大底和鉆模裝夾過程中，上鉆模的重力及24個M16 的螺栓壓緊力共同作用使防熱大底受力產(chǎn)生彈性變形，在此狀態(tài)下加工的鈦管安裝孔孔位與鉆模一致，粘接鈦管后，去除上鉆模的重力及螺栓壓緊力的作用后，大底變形恢復(fù)，鈦管中心產(chǎn)生位移且鈦管軸線垂直度發(fā)生變化，造成粘接后鈦管中心位置與鉆?？孜划a(chǎn)生偏差。

圖2 防熱大底鉆孔裝夾方式示意圖Fig.2 Schematic of clamping method of heatshield

上下鉆模合模時，無法保證上鉆模與下鉆模完全平行，從而導(dǎo)致大底受到壓力可能不均勻。針對夾緊式裝夾中鉆模與防熱大底裝夾后防熱大底的受力情況進(jìn)行有限元仿真分析，為了模擬真實(shí)的工況，定義邊界條件如下：（1）在防熱大底底部施加固定約束，消除剛體位移；（2）在鉆模結(jié)構(gòu)施加位移荷載；（3）防熱大底與鉆模結(jié)構(gòu)建立接觸關(guān)系。建立防熱大底與鉆模裝夾有限元仿真模型，如圖3所示。

圖3 防熱大底與鉆模裝夾有限元模型Fig.3 Finite element model of clamping method of heatshield and drilling jig

分為受力均勻和受力不均勻兩種工況計算，發(fā)現(xiàn)防熱大底鈦管分布圓直徑都會發(fā)生變化。

工況一：8個等高墊塊的高度差值完全相同，即上鉆模與下鉆模完全平行時，經(jīng)過計算，可得大底上的位移分布云圖（圖4）。

工況二：8個等高墊塊的高度差值不相同，即上下鉆模不平行時，可得f大底上的位移分布云圖（圖5）。

圖4 均勻受壓作用下的防熱大底變形云圖Fig.4 Deformation cloud of heatshield on uniform compression

圖5 不均勻受壓作用下防熱大底變形云圖Fig.5 Deformation cloud of heatshield on nonuniform compression

從圖4圖5可以看出，在防熱大底受力均勻的情況下，鈦管分布圓直徑有變形量，當(dāng)大底受力不均勻時，鈦管分布圓直徑增大，且受力不均勻程度越大，導(dǎo)致分布圓直徑最大變形量越大。并且，鈦管頂部最大橫向位移與分布圓直徑最大變形量存在一定差異，這說明在大底受力過程中，鈦管發(fā)生傾斜。因此，防熱大底在鉆孔裝夾過程中使防熱大底受力，產(chǎn)生彈性變形，恢復(fù)自由狀態(tài)后將導(dǎo)致鈦管分布圓直徑與理論值產(chǎn)生較大偏差。

為降低大底裝夾造成的大底變形對鉆孔精度的影響，對裝夾方式和工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。首先將夾緊式裝夾改為低應(yīng)力裝夾方式，即不通過上下鉆模擠壓來固定大底，而是通過增加鉆模與大底的連接工藝孔，以及定位銷和點(diǎn)接觸式頂塊來限制大底在鉆孔時以及翻轉(zhuǎn)過程中位移的方式將大底與工裝裝夾固定（圖6）。相應(yīng)的工裝結(jié)構(gòu)也進(jìn)行更改，消除了大底裝夾后上下鉆模之間的間隙，使上鉆模不再與大底接觸，增加了大底固定角塊、頂塊、階梯定位銷等裝置來保證大底裝夾固定牢固又不產(chǎn)生較大變形（圖7）。鉆孔工裝和裝夾方式改進(jìn)降低了大底裝夾變形對鉆孔位置度精度的影響，保證了鈦管安裝孔的位置度精度。

圖6 改進(jìn)前后大底裝夾對比圖Fig.6 Clamping method comparison of heatshield before and after the process improvement

圖7 改進(jìn)后工裝示意圖Fig.7 Schematic of drilling jig after improvement

3.2 工藝流程優(yōu)化

改進(jìn)前鉆孔工藝流程為先將大底與上下鉆模裝夾，然后翻轉(zhuǎn)鉆模將防熱大底凹面朝上，加工5-φ22 mm通孔、5-φ14 mm和5-φ32 mm沉孔，再翻轉(zhuǎn)鉆模將防熱大底凸面朝上，加工5-φ48 mm 孔和加工5-φ30 mm 孔，鉆模翻轉(zhuǎn)時將大底夾緊，防止大底發(fā)生位移。改進(jìn)前工藝流程為：大底與工裝裝夾→翻轉(zhuǎn)鉆?！庸ご蟮變?nèi)部φ22 mm、φ14 mm、φ32 mm 孔→翻轉(zhuǎn)鉆?！庸ご蟮淄獠喀?8 mm、φ30 mm孔→粘接鈦管。

改進(jìn)前鉆孔工藝流程存在的主要問題：（1）鉆孔過程中需翻轉(zhuǎn)兩次鉆模和大底，鉆模和大底的相對位置可能會發(fā)生位移；（2）鈦管安裝孔分別利用兩個鉆模加工，φ22 mm孔和φ48 mm孔的同軸度不如通過同一鉆模加工精度高。因此對鉆孔工藝流程進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化。

改進(jìn)后的工藝流程為：大底與工裝裝夾→加工大底外部φ22 mm、φ48 mm、φ30 mm 孔→翻轉(zhuǎn)鉆?！庸ご蟮變?nèi)部φ14 mm、φ32 mm 孔→粘接鈦管。為提高φ22 mm 孔和φ48 mm 孔的同軸度精度，先利用上鉆模加工5-φ22 mm 通孔、5-φ48 mm 孔和5-φ30 mm 孔，為防止大底在翻轉(zhuǎn)時發(fā)生位移，在φ22 mm 和φ48 mm 孔中插入階梯定位銷，在φ30 mm 孔中增加輔助支撐桿，再翻轉(zhuǎn)鉆模，將防熱大底凹面朝上，再加工5-φ14 mm和5-φ32 mm沉孔。

鉆孔工序調(diào)整后，φ22 mm 通孔與φ48 mm 孔是通過同一鉆?？赘鼡Q快換鉆套一次鉆孔完成，與原工藝方案通過上、下鉆模分別鉆孔相比提高了兩孔同軸度精度。所有孔加工完只進(jìn)行了一次翻轉(zhuǎn)，比改進(jìn)前減少了一次，降低了大底翻轉(zhuǎn)時的狀態(tài)變化風(fēng)險，同時也減少了操作人員的工作量。

3.3 加工設(shè)備優(yōu)化

工藝優(yōu)化前使用帶回轉(zhuǎn)平臺的大型搖臂鉆鉆孔，缺點(diǎn)是：（1）鉆孔精度與數(shù)控機(jī)床相比較差；（2）鉆孔前對刀需要多次手搖調(diào)整搖臂和主軸位置并低速試運(yùn)轉(zhuǎn)主軸頭使之與鉆套中心同軸［6］，確定鉆套中心是通過操作人員目測刀具與鉆套是否偏心以及聽聲音是否有刀具與鉆套刮蹭發(fā)出的異響來判斷，對刀精度依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，且容易損傷鉆套；（3）鉆孔深度無法精確控制。工藝優(yōu)化后采用五軸龍門數(shù)控加工中心鉆孔，但由于優(yōu)化改進(jìn)后的工藝仍采用協(xié)調(diào)鉆模鉆孔方案，所以不能使用五軸機(jī)床的銑削功能，如采用銑刀編程加工，加工的孔中心和走刀軌跡會與鉆模鉆套中心和鉆套表面有一定偏差，將導(dǎo)致鉆套損傷及刀具損傷。改用五軸數(shù)控機(jī)床加工的優(yōu)勢在于，鉆孔前對刀方式可改為用尋邊器找正鉆套中心，定位精度可控制在3 μm 以內(nèi)［7］，且不會損傷鉆套；使用數(shù)控加工中心鉆孔，鉆孔深度精度由機(jī)床定位精度決定，可控制在0.02 mm 以內(nèi)。改進(jìn)前后加工設(shè)備見圖8。

圖8 改進(jìn)前后加工設(shè)備Fig.8 Machining equipments before and after improvement

4 改進(jìn)成效

為驗(yàn)證工藝改進(jìn)的有效性，對防熱大底鉆孔過程進(jìn)行工藝試驗(yàn)，鉆孔后通過激光跟蹤儀等檢測手段對試驗(yàn)件的鈦管安裝孔位置度進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1?？梢钥闯觯汗ぷ縻@模本身的孔位置度最大為φ0.43 mm，已接近要求值上限，這給鉆孔工藝增加了難度，為滿足位置度≤φ0.6 mm 的要求，則加工后大底孔與鉆?？椎耐S度應(yīng)控制在0.17 mm 范圍內(nèi)，從試驗(yàn)件的鉆孔結(jié)果來看工藝改進(jìn)后的大底孔位置度滿足要求。激光跟蹤儀檢測結(jié)果還顯示，工藝改進(jìn)后大底φ48 mm 孔φ22 mm 孔同軸度可控制在0.2 mm 范圍內(nèi)，5 個φ48 mm 鈦管安裝孔的深度偏差由0.2 mm提高到0.1 mm范圍內(nèi)。

表1 鉆模與試驗(yàn)件孔位置度對比Tab.1 Comparison of hole position between drilling jig and test piece

綜上所述，通過采取改進(jìn)鉆孔工裝、改變大底裝夾方式和鉆孔順序調(diào)整等優(yōu)化措施，減少了因大底裝夾造成的大底變形對鉆孔精度的影響，提高了階梯孔同軸度精度，通過鉆孔設(shè)備更換提高了鉆孔時對刀精度和深度控制精度。

5 結(jié)論

（1）對于大尺寸蜂窩夾層局部球面復(fù)合結(jié)構(gòu)加工和鉆孔工藝，需注意結(jié)構(gòu)剛度對工件加工結(jié)果的影響，在工件裝夾時應(yīng)盡量降低裝夾應(yīng)力造成的工件變形；

（2）對于孔位置度要求較高的大型工件制孔，如有協(xié)調(diào)要求，可采取鉆模協(xié)調(diào)加工的方法，但應(yīng)首先保證鉆模工作孔的位置度達(dá)到比較精確的水平，要給鉆模制孔的積累誤差留一定的公差余量，才能保證最終的鉆孔結(jié)果滿足位置度要求；

（3）對于直徑2 m 以上的大型工件制孔，在工藝流程設(shè)計上應(yīng)盡量減少工件翻轉(zhuǎn)和重新找正的次數(shù)，才能保證組孔的相對位置精度；

（4）對于直徑2 m 以上、目標(biāo)孔徑要求20 mm 以上的大型工件制孔，選用數(shù)控機(jī)床輔助加工比搖臂鉆床的精度高。