大型薄壁密封舱体工装夹具的设计研究

白燕 张荣 刘淑芬 王燕

摘要：目前在我国生产的大多数航天产品之中大型薄壁密封舱体为主要形式，加工过程影响结构的最终精度，薄壁复杂型面密封舱体表面轮廓度的测量方法，与其相关的装夹技术研究尤為重要。本文在对航天行业中专用的夹具以及组合夹具的各种利与弊进行分析之后，提出了一种结合专用夹具以及组合夹具的航天大型薄壁密封舱体工装夹具的设计研究项目。希望本文的研究能够为我国的航天科研提供一些参考。

关键词：大型薄壁密封舱体;工装夹具;设计研究

中图分类号：V462                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0073-02

0  引言

随着社会的发展，国际社会越来越注重对于航天技术的研究与提升。而我国作为现代国际航天大国，更需要对于航天技术进行相应的科研与完善。在我国目前生产的大多数航天产品之中，大多都采用了大型薄壁密封舱体。这种航天行业需要的大型薄壁密封舱体对于密封的要求较高，而且舱体中所蕴含的型面种类繁多且复杂。因此大型薄壁密封舱体工装夹具的设计工作之初，就要严格考虑到密封舱体夹具设计的各种要求。本文提出了一种大型薄壁密封舱体工装专用夹具以及组合夹具进行结合的设计方案。在设计过程之中，采取了现有大型立式车床数台和大型双柱数控加工中心，大量的组合型夹具结合少量专用型夹具和设计思路。而且本文所采取的这种设计方案符合现代航天产业中通用化、系列化和组合化要求[1]。且这种设计方案也早已运用在我国的现代航天行业的大型薄壁密封舱体工装夹具的设计研究工作之中，取得了十分成功的效果。

1  大型薄壁密封舱体结构特点

我国在航天产业中所生产的大型薄壁密封舱体结构的特点可以用4个字来概括，那就是：薄、密、精、大。薄就是大型薄壁密封舱体结构的整体设计匀称而且薄壁;密则指的是大型薄壁密封舱体结构设计的精密度高，而且实际设计精确度也比较高;精指的是设计者以及操作人员在进行设计大型薄壁密封舱体时，对所有的精细环节要求非常高，而且精度特别高;大则就是整个仪器的尺寸较常规机械结构大，属于弱刚性结构，整个设计都不会有设计以及施工的偏差。见图1。

首先，大多数航天产品的体积较大，生产的大型薄壁密封舱体的直径与高度全都超过两米。所以，大型薄壁密封舱体结构具有大的特点。尤其是大型薄壁密封舱体在航天器发射与运行时候可能面对高温、高压以及各种极限情况。所以，对于这种大型薄壁密封舱体生产过程中还要考虑到舱体的高度的承受力。例如：天津的大型薄壁密封舱体的机械工业部下属的国内设计，航空部组合大型薄壁密封舱体的归口单位对薄壁件的装卡有经验进行了调研。

其次，这种航天大型薄壁密封舱体的舱体壁很薄，一般为1mm到3mm。这是因为大型航天器在发射过程中会消耗巨大的能量，而如果航天器生产的各部件的质量过大就会大大增加对于能源的消耗。解决了大型复杂舱体轮廓度的测量问题，所以，我们在对于大型薄壁密封舱体进行设计与生产的工作中就需要考虑到减重的问题，也就需要将大型薄壁密封舱体壁变薄。

另外，这种大型薄壁密封舱体结构对于密封性的要求很高，这是因为舱体所需要面临的工作环境十分恶劣与特殊。薄壁密封舱体之上会不可避免的存在法兰类开孔，形成多处密封面或者是密封槽，并且舱体上会安装设备支架，因此，大型薄壁密封舱体具有尺寸较大、面型复杂以及刚性不好等一系列特点，使得结构精度保证成为难点，对其研制过程造成一定的困难。

2  大型薄壁密封舱体工装夹具

2.1 大型薄壁密封舱体专用夹具的分析

在我国航天产业中对于大型薄壁密封舱体工装夹具的设计与生产工作中，专用夹具的特点具有较强的针对性。也就是说，这种专用夹具可以根据生产工艺中或者是设计过程中所需要针对到的不同的使用要求来制造出相应的工装。这样我们在大型薄壁密封舱体设计与生产过程中使用专用夹具就能保证产品的整体质量的提升，而这种专业夹具也具有一定的缺点，那就是针对性强的同时通用性减弱了，甚至部分的专业性夹具没有通用性。如果夹具在设计过程之中对于不同的工位设计出不同的工装，甚至在面对不同的加工余量的情况下也要设计出不同的专用型工装，这样就会对设计工作造成极其繁重的工作任务，而且这样的模式所消耗的成本也十分的高。不仅如此，用专用夹具进行相关的大型薄壁密封舱体工装夹具设计工作还具有另一个致命的缺点，那就是工装的生产与设计周期较长。我们对于工装的批量生产越大，需要消耗的相对应的成本也就越低。而在现代航天产业中对于大型薄壁密封舱体而言，由于舱体尺寸大、面型种类多且复杂的特点，采用通用夹具不适用，专用工装设计以及加工会十分的困难，所以舱体加工过程不适合只选用专用夹具或通用夹具的生产方式。

2.2 大型薄壁密封舱体组合夹具的分析

对于大型薄壁密封舱体工装夹具的设计与生产工作，组合夹具的使用需要事先根据工序的实际需要准备好不同规格尺寸、不同形状的标准化元件与合件，将这些标准元件与合件配装成为各种符合要求的组合型夹具。在完成相应的生产工作之后，将夹具进行拆分，并用油封分类的方式进行存放，在我们需要再次使用的时候可以再将其组合为满足其他工作内容要求的组合性夹具。组合夹具适合于新产品的试制工作，对于临时性较高的工作任务会具有十分强大的适应能力。这是因为我们能够根据工作的具体要求，很快的精装成满足要求的组合夹具，大大缩短技术准备的周期。

目前，我国机械产业中具有十分完备的中系列组合夹具库，也就是说，在航天产业的日常生产活动中应该更多的去考虑中系列組合夹具，大型薄壁密封舱体尺寸大，组合加工部位多，空间位置角度多，加工工序多。然而，组合夹具元件在理论上能够适用的范围为工件外轮廓尺寸在100mm到400mm之间，如果工件的尺寸超出了这个范围的话，夹具的自身刚度以及强度等可能满足不了相应的要求。可见，完全采用组合夹具元件进行组装的夹具，也不太适用于航天产业中这种大尺寸薄壁舱体的装夹要求。加工精度难以控制加工表面粗糙度低。

所以，在对于航天产业中大型薄壁密封舱体的装夹具进行设计工作中，应该采取结合专用夹具以及组合夹具的设计思路。将专用夹具与组合夹具的优缺点进行互补，满足我国现代航天产业的具体要求。

3  大型薄壁密封舱体工装夹具设计

3.1 大型舱体外装夹工装设计

首先我们在大型舱体的外装夹工装设计工作中，要利用现代化机床工作台为工装的基础件，然后在舱体周围安装4～8个立柱，具体的数目应该有相应的目标要求来决定。在周围安装的立柱最终由一系列长方体支件对其进行拼接而成，而且力柱的下端要与组合夹具的基础版类源进行对接，再用压板与机床工作台进行压减工作。在立柱上端，我们需要使用专用的圆环对这些立柱进行连接，使其成为一体，两舱侧壁开孔多，开孔尺寸大，开口法兰为空间角度位置，组合加工困难，实现结构的刚性连接，进而形成夹具的主体，这样就能够保证夹具获得较好的刚度与强度。

3.2 大型舱体内装夹工装设计

在对于大型薄壁密封舱体的内装夹工装进行设计工作中，首先要在密封舱体的中心安装一个立柱，用这种测量方法，在现有设备条件下，然后将舱体中心的立柱下端与组合夹具的基础版类元件进行对接工作，定期对测量用的数控加工中心进行精度标定。然后舱体外装甲一样在用压板与机床工作台进行压紧。然后再将密封舱体中心的立柱上端衔接到组合夹具元件上，采用大型双柱数控加工中心进行网格节点的数据采集，进而构成相应的转接平台，完全符合“三化”（通用化、系列化和组合化）的设计思想，然后再在这个转接平台之上转接具有充分柔性的组合夹具元件并且对大型薄壁密封舱体进行夹紧工作。在舱体中心安装一个立柱（立柱数量可以根据空间和加紧力来确定）如图2所示。

4  大型舱体局部装夹工装设计

大型薄壁密封舱体部装夹工装设计的过程中。设计对舱体外轮廓的轮廓度要求为3mm，可以将密封舱体的内装夹以及外装夹作为工装的主体，然后在由上转接组合夹具元件来实现大型舱体局部装夹工装。或者我们也能够重新组装组合夹具工装，并且要采用自适应螺钉作为可调节辅助支撑的原件。这样我们就能够随时调节夹紧力解决因为过定位而引起工件形变的问题。采用大型双柱数控加工中心进行网格节点的数据采集。大型舱体局部装典型夹工装如图3所示。

5  总结

在我国的现代化航天产业中，会运用到大量的大型薄壁密封舱体结构。所以我们应该采取两种夹具结合的设计思路，返回舱壳体组合加工后，前后端框同轴度小于0.1mm，设计了舱体加工内装夹、外装夹、空间位置的局部装夹工装，利用夹具各自的优点，就能够满足产品的研制要求，大大减短舱体工装夹具的生产周期，有效降低我国航天产业的运行成本。设计出的工装夹具具有灵活多变、可重复使用的特点。

我们应该进一步完善对于大型薄壁密封舱体夹具工装的设计之路，以期对我国未来的航天业的发展起到更好的推进作用。

参考文献：

[1]王志刚，何宁，张兵，姜澄宇，张平，龚会民，陈雪梅.航空薄壁零件加工变形的有限元分析[J].航空精密制造技术，2000（06）.

[2]贾新杰，贾春德，张志军.一种弱刚度薄壁结构件装夹方案优化的有限元模拟[J].沈阳工业学院学报，2004（03）.

[3]陈雪凯.大型结构件运输夹具的检测技术研究[D].2009.

[4]徐言直.基于快速成形的快速夹具体系构建与系统开发[D].2009.