李俊文，郭東亮，平瑞華，李昂，范大偉

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 330462）

0 引言

火箭整流罩前錐母線的線型不僅直接決定了整流罩局部的氣動(dòng)性能，而且也會(huì)對(duì)全箭的氣動(dòng)性能產(chǎn)生較大的影響[1]。馮·卡門曲線整流罩是一種新型結(jié)構(gòu)的整流罩，相比于傳統(tǒng)圓錐外形的整流罩，馮·卡門曲線能更好地減小空氣阻力，減小載荷作用的影響[2-4]。

在航天火箭研制中，鑒于馮·卡門曲線優(yōu)異的氣動(dòng)性能，其中我國一部分新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭整流罩創(chuàng)新性地采用了馮·卡門曲線的外形[5]。馮·卡門曲線支架不僅是整流罩縱向分離裝置的重要組成部分，更是決定著整流罩分離的關(guān)鍵部件，其產(chǎn)品質(zhì)量將會(huì)直接影響到馮·卡門曲線整流罩的應(yīng)用與推廣。目前國內(nèi)馮·卡門曲線支架的鉆孔加工還處于初始階段，對(duì)于其工藝技術(shù)的研究與探索具有重大意義。

1 馮·卡門曲線支架

以r-x設(shè)立坐標(biāo)，x軸為箭體軸向（由整流罩錐頂指向尾部），r為理論曲線在x處的半徑，即馮·卡門曲線的公式為

式中：?=arcos(1-2x/L)，L為整流罩錐段理論長(zhǎng)度；R為理論曲線的最大半徑值。

圖1為某型號(hào)的馮·卡門曲線支架，其中光孔等距分布于支架中心線上，光孔附近布有2個(gè)等距的螺紋孔，孔距的尺寸公差要求為±0.2 mm，光孔和螺紋孔的數(shù)量高達(dá)230多個(gè)。由于較長(zhǎng)的曲線外形（約6.3 m），馮·卡門曲線支架在加工時(shí)的線輪廓度公差較大，偏差最高可達(dá)3 mm左右。馮·卡門曲線支架屬于超長(zhǎng)鋁合金材的鈑金件，其經(jīng)過鈑金拉彎成形后，還需要人工敲擊校形，這樣便會(huì)釋放較多的殘余應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生較大變形。馮·卡門曲線支架的變形主要存在以下2個(gè)方面：1）支架中心線可能會(huì)偏離理論的馮·卡門曲線；2）支架截面的寬度不均勻，局部區(qū)域變形較大，支架表面的平面度較差。故馮·卡門曲線支架孔的鉆制很難達(dá)到圖樣所要求的位置尺寸精度，這也是鉆孔加工領(lǐng)域的難題，因此馮·卡門曲線支架的鉆孔加工必須要考慮工藝設(shè)計(jì)和加工操作兩個(gè)方面，從而保證孔距精度達(dá)到尺寸公差要求。

圖1 某型號(hào)的馮·卡門曲線支架示意圖

2 傳統(tǒng)鉆孔工藝

數(shù)控鉆孔工藝雖然有非常高的加工效率，但是對(duì)于加工馮·卡門曲線支架的孔而言，存在很難克服的缺點(diǎn)。數(shù)控鉆孔工藝在裝夾方面需要定制非常大的專用工裝，而且由于支架的變形較大，一次裝夾難以完成。若采用多次裝夾加工方式，重復(fù)定位會(huì)降低定位精度，起始孔與終止孔的間距極易超差[6]。故數(shù)控鉆孔難以保證孔的尺寸精度要求。

鉗工鉆孔是保證孔加工精度的一種有效方法。在鉗工蓋板式鉆模的基礎(chǔ)上，桑猛等[7]研發(fā)了馮·卡門曲線支架鉆孔的局部鉆模工藝。局部鉆模工藝設(shè)計(jì)了補(bǔ)償銷，雖然可以應(yīng)對(duì)支架在寬度方向存在寬窄不等、局部變形大等部分問題，同時(shí)也加工出合格的馮·卡門曲線支架產(chǎn)品，但此工藝方案仍然存在很多不足之處：1）鉆模固有缺點(diǎn)。鉆?？字g的距離必須經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)量，鉆模制造誤差可能會(huì)給工件帶來一定的偏差；鉆套存在磨損的問題，在鉆孔加工前必須確定鉆套的磨損量[8]，在超出其范圍值時(shí)，及時(shí)更換新鉆套，才能確?？椎募庸ぞ龋辉阢@孔過程中，鉆模覆蓋在支架的上方，無法觀察鉆孔實(shí)際偏差情況，不能做出相應(yīng)的調(diào)整；使用鉆模鉆孔的排屑性差，影響鉆孔效率。2）裝夾定位缺點(diǎn)。加工前還需手動(dòng)控制局部鉆模，裝夾時(shí)補(bǔ)償銷與工件側(cè)壁要緊貼，裝夾速度較慢；必須選擇合適補(bǔ)償銷，確?？孜挥谥Ъ苤行模谎a(bǔ)償銷必須貼緊支架外邊緣，否則易造成孔位置偏離；孔距的定位精度較差，不能精確、靈活地調(diào)整；支架與鉆模相接觸的上表面平面度較差，會(huì)使鉆孔的位置發(fā)生偏斜，降低孔的定位精度。

3 模版復(fù)制鉆孔工藝

由于舊的鉆孔工藝存在較多缺點(diǎn)與問題，經(jīng)過多次實(shí)際加工摸索并結(jié)合理論知識(shí)，設(shè)計(jì)了一種新型鉆孔工藝。此新型鉆孔工藝設(shè)計(jì)了一套新的模版工裝進(jìn)行鉆孔加工，也稱作模版復(fù)制鉆孔工藝。此工藝方案借鑒了局部鉆模工藝中以直代曲法，采用新的模版工裝取代了局部鉆模工裝。

模版工裝主要由模版、基板、菱形卡塊組成，基板包括基板1與基板2。模版工裝具體如圖2所示，左側(cè)為2個(gè)基板，右側(cè)為模版。菱形卡塊由螺釘連接在基板上，其位置可以更換。

圖2 模版工裝

在結(jié)合“兩銷一面”[9-10]的定位方法和實(shí)際的加工情況后，模版工裝采用一個(gè)圓錐銷、一個(gè)菱形卡塊和一個(gè)基板的平面對(duì)工件進(jìn)行定位。根據(jù)實(shí)際加工情況，將定位銷固定于基板，其中基板1采用了半圓銷，基板2采用了圓錐銷。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，并且減小了孔與銷的配合間隙量，便于模版安裝和取出。菱形卡塊定位處一角為圓角，有利于菱形卡塊一角與模版平面的線面接觸定位，大大提高了卡塊定位的精度與可靠性。模版上孔的位置尺寸由某型號(hào)馮·卡門曲線支架的圖樣要求確定，共有3種尺寸的孔距，分別為80.2、21.5、43.0 mm，孔在支架的位置邊距與模版孔的位置邊距相同，這樣實(shí)質(zhì)上便將馮·卡門曲線支架圖樣要求中孔的間距與位置復(fù)制于此模版上。

如圖3所示，模版工裝使用時(shí)以基板上表面為基準(zhǔn)面，將模版插入于定位銷內(nèi)，通過調(diào)節(jié)菱形卡塊實(shí)現(xiàn)模版上孔的定位，工裝的基板通過鉆臺(tái)底部的壓板固定在鉆臺(tái)上。模版上與定位銷配合的孔即為已加工孔，鉆頭相對(duì)應(yīng)的孔為待加工孔。調(diào)節(jié)鉆頭，確定孔的相對(duì)位置后，將模版取下，接著把馮·卡門曲線支架安裝于基板上，便可鉆制所需加工的孔。如圖1中的A-A剖視圖，實(shí)際成形后的馮·卡門曲線支架的下表面平面度較好，將其下表面與基板相接觸，可以極大地降低鉆孔時(shí)的顫振影響。

圖3 模版復(fù)制鉆孔加工示意圖

將局部鉆模工藝和模版復(fù)制鉆孔工藝方案的實(shí)際加工效果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。相比于局部鉆模工藝，模版復(fù)制鉆孔工藝的加工效率提高了50%，其最大孔距公差不超過±0.1 mm，有時(shí)會(huì)保持在0左右；而局部鉆模工藝的最大孔距公差±0.2 mm左右，偶爾甚至?xí)凇?.2 mm之外。由于局部鉆模裝夾定位方面的缺點(diǎn)，在加工時(shí)很容易發(fā)生顫振，導(dǎo)致孔距公差分布的隨機(jī)性大，加工過程中需要多次測(cè)量調(diào)整。由此可見，模版復(fù)制鉆孔加工技術(shù)避免了局部鉆模工藝的缺點(diǎn)，提高了裝夾速度與定位精度。

表1 兩種工藝方案的實(shí)際加工效果對(duì)比

4 結(jié)論

模版復(fù)制鉆孔工藝的研究和應(yīng)用，有效地解決了馮·卡門曲線支架鉆孔加工的難題，保證了孔的加工精度，推動(dòng)了馮·卡門曲線支架鉆孔加工技術(shù)的發(fā)展。由實(shí)際加工情況可知，模版復(fù)制鉆孔工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于舊的鉆孔工藝，大大提高了馮·卡門曲線類支架鉆孔加工的效率。模版復(fù)制鉆孔工藝是一種高效、便捷的鉗工鉆孔技術(shù)。此模版復(fù)制鉆孔工藝的研究為拉彎成形類超長(zhǎng)鈑金件的多孔加工提供了一種新的工藝方法，同時(shí)也為加工相似工件的工裝設(shè)計(jì)提供了一種新的參考。