2.25m助推器筒形殼段高精度裝配及自動鉆鉚技術(shù)

王 巖，閆 偉，肖子學(xué)，李繼鵬，高 姍

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著中國運(yùn)載火箭高密度、高可靠性發(fā)射任務(wù)需求，自動鉆鉚技術(shù)的研究和應(yīng)用已成為鉚接行業(yè)的主要發(fā)展方向。目前傳統(tǒng)手工鉚接方式是采用手工鉆孔、通過氣動錘擊鉚接來完成裝配。鉚接質(zhì)量與工人技能水平、身體狀況密切相關(guān)，身體狀況好、技術(shù)好鉚接質(zhì)量高，反之容易發(fā)生質(zhì)量問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)手工鉚接主要存在：手工鉆鉚質(zhì)量可控性差、一致性低、產(chǎn)品質(zhì)量可靠性不高、純手工操作，生產(chǎn)效率低，難以滿足高密度發(fā)射需求、鉚接噪聲大、勞動強(qiáng)度大，不滿足綠色制造需求。

目前手工鉚接裝配生產(chǎn)方式從質(zhì)量、效率、綠色制造等方面，已不能適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展形勢。因此針對運(yùn)載火箭典型殼體進(jìn)行自動鉆鉚相關(guān)工藝技術(shù)研究，用于解決手工操作產(chǎn)品質(zhì)量不可靠、鉚接質(zhì)量一致性差、生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度高、鉚接噪聲大等一系列問題；并開展以運(yùn)載火箭2.25 m助推器筒形殼段殼體產(chǎn)品為研究對象的自動鉆鉚相關(guān)工藝技術(shù)研究，進(jìn)行鋁合金夾層結(jié)構(gòu)自動制孔技術(shù)研究、電動壓力鉚接技術(shù)研究最終實(shí)現(xiàn)高精度自動鉆鉚在2.25 m殼體產(chǎn)品中的工程化應(yīng)用，滿足日益增長的運(yùn)載火箭鉚接裝配質(zhì)量可靠性需求、高密度發(fā)射需求，實(shí)現(xiàn)鉚接裝配生產(chǎn)綠色制造。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

運(yùn)載火箭助推器筒形殼段包括助推箱間段，助推后過渡段和助推尾段，助推箱間段用于連接氧化劑箱和燃燒劑箱，除了用于連接氧化劑箱和燃燒劑箱外，還用于安裝各種儀器、氣瓶等裝置；助推后過渡段和助推尾段連接前端與燃燒劑箱連接外掛尾翼。助推器筒形殼段均為典型蒙皮加框桁骨架結(jié)構(gòu)，主要由蒙皮、前端框、后端框、中間框、桁條等承力結(jié)構(gòu)零件組成，各零件之間采用大量鉚釘進(jìn)行連接，具體如圖1所示。

圖1 助推箱間段內(nèi)部示意Fig.1 Schematic Diagram of Interior of Booster Compartment

目前助推器筒形殼段采用傳統(tǒng)手工風(fēng)鉆鉆孔、氣動錘擊鉚接裝配方式，存在手工劃線裝配精度低、鉚接裝配綠色化制造模式缺失、生產(chǎn)能力薄弱、數(shù)字化程度低等問題。

因此有必要開展制孔、鉚接工藝參數(shù)研究、自動鉆鉚技術(shù)的工藝流程等方面研究，突破助推器筒形殼段高精度裝配及自動鉆鉚技術(shù)難點(diǎn)，改善工人以往手工劃線鉆導(dǎo)孔/定位/鉚接的工藝方法，達(dá)到低成本、快速制造需求，大大減輕工人勞動強(qiáng)度，提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2 自動鉆鉚工藝研究

2.1 制孔、鉚接工藝參數(shù)研究

2.1.1 無毛刺制孔方案研究

手工鉆制鋁合金材料時，一般選用高速鋼材質(zhì)的鉆頭。但由于設(shè)備選用電主軸形式，鉆孔轉(zhuǎn)速較高，高速鋼鉆頭不一定能夠滿足轉(zhuǎn)速較高條件下的高質(zhì)量鉆孔，故選取高速鋼、硬質(zhì)合金、金剛石涂層鉆頭分別進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)研究。

在鉆制直徑2.5～5 mm孔時，由于數(shù)控鉆孔機(jī)轉(zhuǎn)速較高，高速鋼鉆頭在鉆孔時易發(fā)生彎曲，在產(chǎn)生毛刺較大的同時影響孔的垂直度，不同材質(zhì)鉆頭鉆孔毛刺如圖2所示；而金剛石涂層鉆頭適合低速鉆制非金屬材料產(chǎn)品，轉(zhuǎn)速過高時容易使鉆頭折斷；硬質(zhì)合金鉆頭在高速鉆孔時較為平穩(wěn)，毛刺相對較小。鉆頭材質(zhì)參數(shù)確定為硬質(zhì)合金。

圖2 不同材質(zhì)鉆頭鉆孔毛刺示意Fig.2 Drill Burrs of Different Materials

鉆尖頂角、外緣后角、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量參數(shù)運(yùn)用L_9(3^4)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，（其中L代表正交表，角標(biāo)9代表試驗(yàn)次數(shù)，角標(biāo)4表示因素個數(shù)，3表示因素的水平數(shù)）。試驗(yàn)因素-水平列表如表1 所示。

表1 因素-水平表Tab.1 Factor-level Table

以出口毛刺高度作為定性評價指標(biāo)，依據(jù)試驗(yàn)方案確定的參數(shù)組合試驗(yàn)制孔，重復(fù)10組，取均值作為該組試驗(yàn)的最終結(jié)果進(jìn)行分析。制孔試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，對結(jié)果數(shù)據(jù)采用極差分析法進(jìn)行分析。根據(jù)毛刺高度結(jié)果數(shù)據(jù)：對比K、K、K，最優(yōu)的鉆尖頂角參數(shù)為K；對比K、K、K，最優(yōu)的外緣后角參數(shù)為K；對比K、K、K，最優(yōu)的主軸轉(zhuǎn)速參數(shù)為；對比、、，最優(yōu)的進(jìn)給量參數(shù)為。綜上，優(yōu)選試驗(yàn)得出的最優(yōu)制孔參數(shù)為ABCD。

表2 試驗(yàn)結(jié)果及分析 Tab.2 Test Results and Analysis

制孔試驗(yàn)得出的最佳制孔參數(shù)見表3，依據(jù)表3的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在鋁合金夾層結(jié)構(gòu)中鉆制 Φ4.1 mm、Φ5.1 mm、Φ6.2 mm的孔，檢測毛刺高度，均符合要求。試樣為蒙皮-桁條雙夾層結(jié)構(gòu)，鉆制 Φ4.1 mm鉚釘孔，鉆頭自蒙皮一側(cè)鉆入，自桁條一側(cè)鉆出，蒙皮與桁條上鉆頭出口及入口均無明顯毛刺，無需單獨(dú)的毛刺清理工序。自動鉆孔無毛刺情況如圖3所示。

表3 最佳制孔參數(shù)Tab.3 Optimum Drilling Parameters

圖3 無毛刺自動制孔試片F(xiàn)ig.3 Burr Free Automatic Hole Making Test Piece

2.1.2 電動壓力鉚接技術(shù)研究對比

自動鉆鉚設(shè)備采用電壓力鉚接方式。電動壓力鉚接不同于傳統(tǒng)的手工氣動錘鉚，電動壓鉚以伺服電機(jī)為動力源帶動行星滾柱絲杠轉(zhuǎn)動，推動工作活塞桿及鉚模進(jìn)行靜壓力鉚接，通過控制鉚接力或活塞桿運(yùn)動線性位移來進(jìn)行不同類型的鉚釘成型量；由力傳感器和位移傳感器進(jìn)行反饋，是一種新型鉚接技術(shù)。

a）相對干涉量分析。

相對干涉量的計(jì)算方公式（和分別為變形后釘桿直徑和制孔直徑）如下：

干涉量測量位置如圖4所示。

圖4 半圓頭鉚釘和沉頭鉚釘干涉量測量位置示意Fig.4 Interference Measurement Position of Semicircle Head Rivet and Countersunk Head Rivets

分別對半圓頭、埋頭鉚釘，直徑4 mm、5 mm、 6 mm，鉚釘?shù)卓祝?0.05 mm、+0.10 mm、+0.20 mm、+0.30 mm進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)測量位置直徑計(jì)算相對干涉量。

圖5為不同間隙參數(shù)下干涉量曲線，根據(jù)圖5中不同間隙參數(shù)下干涉量曲線圖：釘桿3個位置的相對干涉量分布不均，靠近鐓頭一側(cè)的干涉量明顯高于中間位置和釘桿底端，大體干涉量變化趨勢隨著底孔的增大，位置1的干涉量逐漸減小，航空制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《干涉量和漲孔量的選擇》中規(guī)定了干涉量的控制范圍，各層干涉量平均一般應(yīng)控制在3%～4%左右。 Φ4 mm鉚釘當(dāng)?shù)卓壮叽鐬?0.10 mm時3個位置干涉配合曲線平滑；Φ5 mm鉚釘?shù)卓壮叽鐬?0.10 mm、+0.20 mm時干涉配合效果接近，但+0.10 mm的曲線更平滑；Φ6 mm鉚釘當(dāng)?shù)卓壮叽鐬?0.20 mm時干涉量滿足要求且相對均勻。

圖5 不同間隙參數(shù)下干涉量曲線Fig.5 Interference Curve with Different Gap Parameters

續(xù)圖5

綜上，鉚釘?shù)卓字睆綄Ω缮媪康男纬捎忻黠@影響，直徑4 mm鉚釘最佳制孔直徑為4.1 mm，直徑5 mm鉚釘最佳制孔直徑為5.1 mm，直徑6 mm鉚釘最佳制孔直徑為6.2 mm。

2.1.3 電動壓力鉚接與氣動錘擊鉚接對比

自動鉆鉚設(shè)備采用電動壓力鉚。使用萬能試驗(yàn)機(jī)分別對電動壓鉚和氣動錘鉚的試片進(jìn)行了破壞試驗(yàn)，記錄最大剪切力。剪切破壞試片如圖6所示，電動壓鉚與氣動錘鉚試片破壞方式一致，釘桿被剪斷（兩層板件面-面接觸的部位）。

圖6 剪切試驗(yàn)試片F(xiàn)ig.6 Shear Test Specimen

剪切對比試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，直徑4 mm、 5 mm鉚釘電動壓鉚與氣動錘鉚剪切力的均值相差不大，Φ6 mm電動壓鉚剪切力的均值大于氣動錘鉚， 3種直徑2種鉚接方式成型后的鉚釘剪切力均大于鉚釘本身的最小破壞單剪力。此外，方差結(jié)果顯示，電動壓鉚接頭剪切力的離散性較小，鉚釘成型一致性好。

表4 同等鉚釘成型條件下剪切強(qiáng)度對比分析Tab.4 Comparative Analysis of Shear Strength under the Same Rivet Forming Conditions

2.2 自動鉆鉚技術(shù)的工藝流程和應(yīng)用

2.2.1 工藝流程研究及程序編制

2.25 m助推器殼段自動鉆鉚替代純手工氣動鉚接，是鉚接裝配工藝的一次變革。自動鉆鉚接實(shí)現(xiàn)蒙皮、桁條、端框之間的自動鉆孔、自動鉚接，不需要操作者進(jìn)行手工鉆孔、去多余物、鉚接等。應(yīng)用自動鉆鉚技術(shù)，需要對助推器2.25 m各部段裝配工藝方法以及工藝流程進(jìn)行梳理研究，在手工鉆鉚裝配工藝流程（見圖7）基礎(chǔ)上，對自動鉆鉚工藝流程優(yōu)化形成2.25 m助推器殼段自動鉆鉚工藝流程見圖8。工藝流程得到優(yōu)化，從傳統(tǒng)手工鉆孔鉚接到數(shù)控鉆鉚設(shè)備自動鉆孔鉚接流程優(yōu)化減少了手工風(fēng)鉆鉆孔、氣動錘擊鉚接工序。

圖7 助推器筒形殼段手工鉆鉚裝配工藝流程Fig.7 Sketch of Manual Drilling and Riveting Assembly Process for Booster Shell

圖8 助推器筒形殼段自動鉆鉚裝配工藝流程Fig.8 Schematic Diagram of Automatic Drilling and Riveting Assembly Process for Booster Cylinder Shell

運(yùn)用Φ2250 mm自動鉆鉚設(shè)備編程系統(tǒng)，編制殼體自動鉆鉚程序，基于程序?qū)嵱眯栽讦?250 mm自動鉆鉚設(shè)備對程序進(jìn)行空運(yùn)行，把控殼段自動鉆鉚過程安全性、確認(rèn)程序可靠性。最終確認(rèn)自動鉆鉚程序如圖9所示。

圖9 自動鉆鉚程序Fig.9 Automatic Drilling and Riveting Program

續(xù)圖9

2.2.2 自動鉆鉚技術(shù)應(yīng)用和效率提升

經(jīng)過對鉆頭選擇、鉚釘最佳終孔參數(shù)研究、電動壓力鉚參數(shù)研究、工藝流程優(yōu)化、自動鉆鉚程序編制確認(rèn)。自動鉆鉚技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉚接應(yīng)用到助推器2.25 m助推器筒形殼段，如圖10所示；從傳統(tǒng)手工鉆孔鉚接到數(shù)控鉆鉚設(shè)備自動鉆孔鉚接流程優(yōu)化減少了手工風(fēng)鉆鉆孔、氣動錘擊鉚接，自動鉆鉚綜合效率是手工鉚接的2倍多。工序所需要的人員和時間見表5。

表5 自動鉆鉚與手工鉆鉚時間對比Tab.5 Comparison of Time between Automatic and Manual Drilling and Riveting

圖10 自動鉆鉚應(yīng)用到助推器Fig.10 Automatic Drilling and Riveting Application to the Booster

3 結(jié)束語

本文分析了手工鉚接的缺點(diǎn)及進(jìn)行了運(yùn)載火箭助推器筒形殼段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，進(jìn)行了自動鉆鉚制孔/鉚接工藝參數(shù)、電動壓力鉚接技術(shù)等研究，最后分析了電動壓鉚和氣動錘鉚的力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

a）鉆頭選擇硬質(zhì)合金；

b）最佳制孔參數(shù)為：鉆尖頂角110°、外緣后角12°、主軸轉(zhuǎn)速18 000 轉(zhuǎn)/min、進(jìn)給量0.15 mm/轉(zhuǎn)；

c）Φ4 mm、Φ5 mm、Φ6 mm鉚釘?shù)淖罴阎瓶讌?shù)分別為：4.10 mm、5.10 mm、6.20 mm；

d）電動壓力鉚接與氣動錘擊鉚接相比電動壓鉚接頭剪切力的離散性較小，鉚釘成型一致性好。

e）優(yōu)化形成2.25 m助推器殼段自動鉆鉚工藝流程，并編制確認(rèn)自動鉆鉚程序。

本文僅針對蒙皮框桁處的大范圍鉚接開展工藝研究，運(yùn)載火箭助推器筒形殼段還有儀器電纜支架，后續(xù)將針對支架的定位、自動鉆鉚等開展研究。