某型噴管組合裝配工藝性研究

王雅楠，王召義

（1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099；2.中國人民解放軍駐中國空空導彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471099）

0 引言

噴管組合性能對該型產品的整體性能有極其重要的作用，特別是石墨喉襯及堵蓋的粘接情況直接影響發動機性能。在研制階段生產中，噴管堵蓋、石墨喉襯粘接時操作困難，需反復調整，裝配效率低，且容易損傷噴管堵蓋，石墨喉襯不易均勻涂膠，在放入噴管絕熱組合內部時極容易蹭掉一部分膠層甚至滑落損傷石墨喉襯，從而影響粘接效果，此外石墨喉襯正反面難判斷，給產品質量帶來隱患。本文對該型噴管組合的裝配工藝特點進行研究，通過改變工藝方法、設計工裝實現工程化批量生產的高質高效。

1 產品結構

該型噴管組合由噴管絕熱組合、石墨喉襯、噴管堵蓋、擴散段組合組成（見圖1）。石墨喉襯材料為高強石墨T705，堵蓋材料的主要成分為聚苯乙烯。其中噴管堵蓋和石墨喉襯通過硅橡膠GD414 與噴管絕熱組合粘接，擴散段組合通過螺紋與噴管連接，并通過硅橡膠GD414 與石墨喉襯粘接。

圖1 長尾噴管組合裝配圖

2 裝配難點分析

2.1 噴管堵蓋粘接

噴管堵蓋選用改性聚苯乙烯（WS SL-204）材料整體注塑成型，厚度0.5 mm。裝配時需將噴管堵蓋放入噴管絕熱組合內，由于噴管絕熱組合孔徑較小，且與噴管堵蓋配合處較深，因此無法用手將噴管堵蓋直接放到位，而是采用使噴管堵蓋水平垂直落入噴管絕熱組合內，操作中很難控制對正位置和堵蓋的水平，需多次調整，研制階段噴管堵蓋一次裝配合格率不到60%，由于堵蓋較薄且脆，在調整過程中易損傷。且噴管待粘接位置涂有硅橡膠，在調整過程中易將膠涂抹在噴管內壁和堵蓋上，很難清理且對堵蓋吹脫性有一定影響。

2.2 石墨喉襯粘接

石墨喉襯圓周外表面與下端面均為粘接面，需要涂抹硅橡膠GD414，而其內孔較小且內部一頭為錐面、一頭為圓弧面，不易支撐。特別是將涂好膠的石墨喉襯放入噴管絕熱組合時，容易因受力不均蹭掉部分膠層，且可能出現滑落，造成石墨喉襯損傷。該粘接的主要難點為如何支撐石墨喉襯。

3 工藝方案研究

3.1 噴管堵蓋粘接方案

由于噴管堵蓋質量較輕，約0.8 g，且屬于致密材料，因此，可以利用真空吸管，通過內部負壓產生吸力，以此吸力固定噴管堵蓋并將其放入噴管絕熱組合中，待放入后釋放負壓，使真空吸管的吸盤與噴管堵蓋分離。

由于噴管堵蓋表面有網紋（網紋構成的網格尺寸為10 mm×10 mm），因此對吸盤尺寸有一定的要求。吸盤尺寸太小則吸力太小，無法吸住噴管堵蓋；吸盤尺寸太大會無法避開網紋，使吸盤和噴管堵蓋間因無法密封而導致吸盤失效。經試驗選擇φ5 尺寸的吸盤，用裝上該吸盤的真空吸管吸附砝碼進行測試，該真空吸管可最大吸附質量為50 g 的砝碼，能夠滿足使用要求。

3.2 石墨喉襯粘接方案

3.2.1 方案分析

由于石墨喉襯的圓周外表面、下端面都是粘接面，均需涂硅橡膠，因此能利用的位置只能是上端面和內表面。兩種方案如下：1）利用真空吸管進行吸住石墨喉襯的上端面進行操作；2）設計工裝從石墨喉襯內表面進行支撐。

針對兩種方案進行深入分析：1）石墨喉襯重約62 g，石墨喉襯上端面為寬5 mm 的圓環形狀，因此吸盤尺寸要求直徑小于5 mm，而吸力應大于喉襯重力，一般的真空吸管很難滿足要求。同時，石墨喉襯采用T705 石墨材料，該材料非致密材料，內部可能存在小氣孔或疏松，吸盤很難長時間吸住，而涂膠粘接過程較長，因此無法采用該方案；2）研制階段用手從石墨喉襯內部支撐進行裝配，因此內表面支撐的方案可行，但石墨材料屬于脆性非金屬材料，其抗拉強度較低，且表面耐磨性差，且喉襯內表面屬該零件關鍵位置，因此對工裝的材料選取和支撐力要求較高。

3.2.2 工裝設計

按照方案2）進行工裝設計，喉襯安裝工具主要由固定把手、壓片、活動手柄、支撐件、銷五部分組成，見圖2。其中固定把手為鋁質材料，采用滾花工藝，方便取拿；活動手柄為不銹鋼材料，通過銷固定在固定把手上，使用中通過活動手柄的張開和閉合控制壓片的上下位置；壓片為不銹鋼材料，用于下壓支撐件，可以通過調整壓片的厚度來調整橡膠支撐件的變形量；支撐件為硅橡膠，受上端面壓力后周向脹開支撐石墨喉襯。

根據試驗摸索，當支撐件錐面直徑脹開1 mm 時，能夠固定支撐石墨喉襯。需進一步驗證工裝對石墨喉襯的作用力不會造成石墨喉襯的損傷。

圖2 喉襯安裝工具

3.2.3 工裝施力分析

喉襯安裝工具支撐塊所使用的材料是硅橡膠6143黑HG7-677-74，受力膨脹變形，屬于柔性材料。在一定力（未達到該材料的彈性極限時，發生的仍是塑性變形）的作用下，其力與變形成正比，即可近似認為符合胡克定律。支撐件周向外表面受力近似于支撐件對石墨喉襯內表面的壓力。對支撐件外圓直徑脹開1 mm 的實際受力情況進行ANSYS 建模分析。假設支撐件為實心橡膠件，取其彈性模量為2.14 MPa，泊松比0.48，密度0.87×103kg/m3，固定Z 向2 個自由度，在墊圈上部施加壓力，使其錐面形變量達到1 mm，壓力及形變見圖3。

圖3 壓力及形變圖

根據建模結果，當支撐件上端面受力使其圓周直徑脹開1 mm 時，支撐件外表面承受的力F=201.3 N。

錐面面積A=πR0L0-πR1L1=（3.14×15.2×58.6）-（3.14×37.6×9.75）=1.645 8×10-3m2。

應力σ=F/A=201.3÷1.645 8×103=1.22 MPa。

實際橡膠支撐件中心有金屬桿，則實際支撐件外表面對石墨喉襯的應力小于假設模型的計算值，則工裝對石墨喉襯支撐時實際產生的應力小于1.22 MPa。

3.2.4 石墨喉襯內部受力分析

石墨喉襯材料為高強石墨T705，屬脆性材料，應力服從胡克定律，抗拉強度為11～15 MPa，抗壓強度為46.64～52.15 MPa，抗彎強度為21.2～25.7 MPa 。因為工裝從喉襯內部脹開時石墨喉襯受力為拉力，因此強度理論選擇第一強度理論，即喉襯內一點的最大拉應力σt等于材料的極限應力σu，即σt=σu。根據石墨材料的力學特性和喉襯實際受力情況進行ANSYS 建模分析，由于石墨喉襯為對稱結構，取截面的一半進行分析，取材料彈性模量2×105Pa，泊松比0.27，左邊固定X向，底邊固定Y 向，在中間部分施加壓力，大小1 Pa，等效應力分布見圖4～圖6。

三向主應力最大數值見表1，其中正值為拉，負值為壓。

其中，最大拉應力為0.0432Pa，最大壓應力為0.964 6 Pa，壓拉比值約為24 倍，而材料的拉伸強度為11～15 MPa，壓縮強度為46.64～52.15 MPa，壓拉比值約為4倍，可見該結構應該以壓縮斷裂失效為主。

根據胡克定律，施加1Pa壓力，最大壓應力為0.9646Pa，可見當壓力為48.35 MPa 時，最大壓應力將達46.64 MPa，觸及壓縮破壞極限。

當壓力為48.35MPa 時，所受的拉應力為48.35×0.0432=2.09 MPa＜11 MPa。

在模型中輸入施加壓力48.35 MPa，分析得到的最大壓縮應力為46.6 MPa（見圖7）。取安全系數為2.2，則石墨喉襯承受壓力最大值為48.35/2.2=21.98 MPa。

圖4 第一主應力云圖

圖5 第二主應力云圖

圖6 第三主應力云圖

表1 三向主應力Pa

圖7 應力分布云圖

由此可以得出，工裝橡膠支撐脹開后對石墨喉襯內壁的力應小于21.98 MPa。從工裝的施力分析得出工裝在支撐時對石墨喉襯的作用力小于1.22 MPa，該力遠遠小于考慮安全系數之后的理論極限應力值21.9 MPa，因此該工裝可用。

4 實施效果

使用真空吸管和喉襯安裝工具進行產品裝配，操作方便，均100%一次粘接到位。

使用真空吸管粘接噴管堵蓋，能夠保障一次裝配到位，有效避免了反復調整，提高了裝配效率。使用喉襯安裝工具粘接石墨喉襯，對石墨喉襯的接觸面大，支撐時受力均勻且恒定，使生產中能夠對操作進行有效控制，既保證了粘接質量，又方便操作。

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