新一代運載火箭殼體的裝配樣板設計與應用

唐曉梅 單 超 梁曉康 馬瑞娜 陳偉海 張 儒

新一代運載火箭殼體的裝配樣板設計與應用

唐曉梅 單 超 梁曉康 馬瑞娜 陳偉海 張 儒

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

研究了新一代中大型運載火箭某殼體部段框、桁、蒙皮組合裝配，通過裝配樣板在零件狀態下制出協調定位裝配孔，最終實現對中間框、桁條和蒙皮的協調裝配。結果表明：該類裝配樣板實現了壁板狀態下中間框、桁條和蒙皮的定位及協調裝配，保證了裝配過程的協調性和便捷性，節省了工裝型架資源。后續此類裝配樣板將繼續應用于相似部段的中間框、桁條和蒙皮的裝配，并可將其推廣應用于錐形部段的中間框、桁條和蒙皮的裝配。

中大型運載火箭；中間框，桁條和蒙皮裝配；裝配樣板設計；壁板狀態；協調性和便捷性

1 引言

某中型運載火箭過渡段殼體，由框、桁、蒙皮結構組合裝配而成[1]。該部段中間框直徑為3356mm，由8塊不同角度的框段組合拼鉚而成；與之協調裝配的蒙皮直徑為3360mm，同樣分為8塊；該部段殼體中桁條數量若干。大直徑、零件碎片化和保證裝配過程的便捷性、協調性和經濟性是設計該中間框、桁條和蒙皮裝配樣板需要研究的問題。

2 裝配樣板設計的必要性分析

裝配樣板的基本特征：根據部段產品圖要求，將支架、整流罩等部段上的零、部、組件定位裝配到殼體部段上，或根據其零件間的協調裝配關系，采用定位裝配孔工作法將零件協調組合成殼體壁板或殼體部段。

用于由蒙皮、框與桁條（梁）組合而成的殼段，將蒙皮與桁條（梁）、框按組合要求選取零件上部分鉚釘孔作為協調裝配定位孔，分別在零件狀態下制出協調后的定位裝配孔，部段或壁板。裝配時，再將各零件按相互對應的協調定位裝配孔定位拼裝在一起[2]，如圖1所示。

圖1 殼段裝配

圖2 過渡段殼體內表面局部示意圖

某中型運載火箭過渡段殼體，其產品總圖（局部）如圖2所示。

一般情況下，對于框、桁、蒙皮結構殼體的裝配可采用裝配型架固定中間框位置后，依次定位裝配桁條、蒙皮，屬于傳統的骨架式裝配。但該部段中間框和蒙皮等零件的碎片化，使得在裝配型架上固定中間框需要較多的定位支撐塊，且該部段直徑及高度較大，中間框數量較多，需要使用多種型架來固定中間框位置完成該部段的裝配，造成裝配過程繁瑣、工裝成本增加和工裝資源浪費。因此，在滿足產品裝配要求的情況下，需要設計裝配樣板保證裝配的協調性，并可實現在壁板狀態下對中間框、桁條和蒙皮進行壁板式組合裝配，提高了裝配操作的便捷性和生產效率，節省了工裝資源。

3 裝配樣板設計

3.1 總體方案概述

針對該中型運載火箭過渡段殼體產品結構特點，結合以往的經驗和現有工藝技術及工藝裝備水平設計裝配樣板，確保中間框、桁條和蒙皮在壁板狀態下協調、便捷的組合裝配。

裝配樣板分為中間框裝配樣板和蒙皮裝配樣板兩部分。

3.2 裝配樣板設計的技術要求[3]

a. 確定需要裝配的零件在部段上裝配時的定位基準和相對位置；

b. 確定裝配時樣板的使用面和標記面；

c. 有協調裝配關系的零件所使用的樣板要相互協調，不需要制出樣板實物而只出樣板圖的情況時，則依據尺寸保證其協調關系；

d. 根據使用單位要求或材料厚度選用零件上的定位裝配孔，一般選為2.6mm、3.2mm；

e. 零件上的定位裝配孔原則上選用零件上應有的孔，如鉚釘孔、螺栓孔等；如果需要裝配的零件上沒有孔，可使用零件的外形邊、凸臺或有機加工的筋肋等作為定位使用；

f. 在需要定位裝配兩個及以上零件的樣板上做出需要裝配零件的圖號標記，避免裝配時出現錯誤。

3.3 中間框裝配樣板設計

該過渡段殼體中某中間框產品模型如圖3所示，中間框為“幾”字形板材框，由8塊框段零件組合拼鉚而成。需要在8塊框段零件上制出與蒙皮裝配協調的定位裝配孔，完成中間框、桁條和蒙皮的裝配。并在框段上開出桁條缺口，以便于中間框和桁條的裝配。

圖3 中間框

以中間框其中一小段框段零件（5#框段）為例，框段零件主視圖如圖4 所示。依據中間框框段鉚釘排列分布，選取適當鉚釘孔作為中間框框段與對應蒙皮協調裝配的定位孔，如圖5所示。再依據中間框框段截面視圖，見圖6、中間框桁條角度分布（圖4）和桁條缺口視圖，見圖7，設計該框段裝配樣板，裝配樣板如圖8所示。

圖4 5#框段零件主視圖

圖5 零件框鉚釘排列及定位裝配孔的選取（部分）

圖7 桁條缺口視圖

圖8 中間框框段零件裝配樣板圖

圖8中“裝配定位角材”用于鉆制中間框框段與蒙皮裝配的定位孔，“桁條缺口定位孔”用于中間框框段與桁條缺口標準切鉆樣板協調開桁條缺口。其余中間框框段零件依照上述設計方式，完成中間框8塊框段與蒙皮裝配的裝配樣板設計。

3.4 蒙皮裝配樣板設計

過渡段殼體產品如圖2所示，該過渡段由前端框、后端框、4件中間框、8塊蒙皮、若干桁條組合裝配而成。4個中間框與蒙皮協調裝配的定位孔可用中間框裝配樣板制出，因此在設計蒙皮裝配樣板時，應與中間框裝配樣板上對應的裝配定位孔協調；與桁條協調裝配的定位孔位置，一般選取桁條上的鉚釘孔作為裝配定位孔。隨著數控機床的廣泛應用，加工方法越來越先進，同時為節約成本，大型圓柱部段的蒙皮裝配或切鉆樣板只需要畫出樣板圖，不再需要制出樣板實物，由數控機床按照協調后的蒙皮裝配樣板圖直接加工出展平狀態下的蒙皮零件。

選取過渡段其中一塊蒙皮與桁條裝配為例，該蒙皮和桁條裝配圖如圖9所示。

圖9 蒙皮和桁條裝配圖

圖10 裝配樣板（局部）

以其中一根桁條為例，依據桁條鉚釘孔排列，選取兩組鉚釘孔為協調定位裝配孔，并根據桁條上選用的鉚釘孔位置在蒙皮裝配樣板上協調對應制出定位裝配孔，如圖10所示。再依據中間框對應到蒙皮上的定位裝配孔尺寸，在蒙皮裝配樣板上制出與中間框協調裝配的定位裝配孔[4]，完成蒙皮裝配樣板的設計，如圖10所示。依據過渡段產品總圖，完成其他蒙皮的裝配樣板設計。

3.5 中間框裝配樣板與蒙皮裝配樣板的應用

圖11 中間框、桁條和蒙皮組合裝配示意圖

利用設計好的中間框裝配樣板，完成中間框桁條缺口定位孔的鉆制，以及中間框與蒙皮裝配使用的裝配孔的鉆制；利用蒙皮裝配樣板圖，制出與桁條，中間框裝配定位的蒙皮；再根據蒙皮裝配樣板上選用的桁條鉚釘孔，由使用車間根據協調后的蒙皮裝配樣板圖對應制出桁條上的定位裝配孔。利用中間框，桁條和蒙皮上已制出的定位裝配孔，配合快速定位銷，完成中間框、桁條和蒙皮間的組合裝配，應用示意如圖11所示。

4 結束語

該類裝配樣板實現了在型架狀態下對中間框、桁條和蒙皮的壁板式組合裝配，并且保證了裝配過程的協調性和便捷性。節約了工裝型架資源，降低了生產制造成本。裝配完成的殼體部段經檢驗，滿足殼體形位公差要求，驗證了該類裝配樣板設計的可靠性和便捷性，提高了生產效率，降低了勞動強度。

后續將繼續應用于相似部段的中間框、桁條和蒙皮的組合裝配，并推廣應用于錐形部段中間框、桁條和蒙皮的裝配。錐形部段蒙皮裝配樣板設計過程中需換算蒙皮大、小端的展開半徑，中間框與蒙皮裝配位置處展開半徑，換算方法：展=中稱/sin錐角。錐形部段中間框裝配樣板設計過程中，需將中間框桁條軸線角度分布換算為圓心角對應的展角，換算公式為：展=圓心×sin錐角。其余設計方式參考過渡段殼體裝配樣板設計，完成錐形部段中間框、桁條和蒙皮的裝配樣板設計和應用。

1 馮憲東，畢煌圣. 一種超大直徑貯箱筒段壁板銑切工裝的設計與應用[J]. 航天制造技術，2018(2)：40～48

2 成大先. 機械設計手冊第2卷[M]. 北京：化學工業出版社，2016

3 高培濤，郝丁，單超，等. 航天模線樣板設計與制造工藝技術手冊[M]. 北京：首都航天機械有限公司，2018

4 易志斌，李殿忠，唐瑞潤，等. 航空制造工程手冊飛機模線樣板[M]. 北京：航空工業出版社，1993

Design and Application of Assembly Template for The Shell of New Generation Carrier Rocket

Tang Xiaomei Shan chao Liang Xiaokang Ma Ruina Chen Weihai Zhang Ru

(Capital Aerospace Mechinery Co., Ltd., Beijing 100076)

This paper studies the combined assembly of a shell part frame, stringer and skin of a new generation of medium and large carrierrocket, and drills the coordinated positioning of the assembly hole in the part state for coordinating assembly of the middle frame, stringer and skin through the assembly template. The results show that this kind of assembly template realizes the positioning and coordinated assembly of the middle frame, stringer and skin under the condition of the wall plate, and ensures the coordination and convenience of the assembly process, and saves the tooling frame resources. Subsequently such assembly templates will continue to be applied to the assembly of the middle frame, stringer and skin of similar segments, and can be popularized to the assembly of the middle frame, truss and skin of the conical segment.

a medium and large carrierrocket；assembly of middle frame, stringer and skin；design of assembly template；condition of wall plate；coordination and convenience

唐曉梅（1988），工程師，自動化專業；研究方向：模線樣板設計。

2019-01-28