新一代运载火箭壳体的装配样板设计与应用

唐晓梅 单 超 梁晓康 马瑞娜 陈伟海 张 儒

新一代运载火箭壳体的装配样板设计与应用

唐晓梅 单 超 梁晓康 马瑞娜 陈伟海 张 儒

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

研究了新一代中大型运载火箭某壳体部段框、桁、蒙皮组合装配，通过装配样板在零件状态下制出协调定位装配孔，最终实现对中间框、桁条和蒙皮的协调装配。结果表明：该类装配样板实现了壁板状态下中间框、桁条和蒙皮的定位及协调装配，保证了装配过程的协调性和便捷性，节省了工装型架资源。后续此类装配样板将继续应用于相似部段的中间框、桁条和蒙皮的装配，并可将其推广应用于锥形部段的中间框、桁条和蒙皮的装配。

中大型运载火箭；中间框，桁条和蒙皮装配；装配样板设计；壁板状态；协调性和便捷性

1 引言

某中型运载火箭过渡段壳体，由框、桁、蒙皮结构组合装配而成[1]。该部段中间框直径为3356mm，由8块不同角度的框段组合拼铆而成；与之协调装配的蒙皮直径为3360mm，同样分为8块；该部段壳体中桁条数量若干。大直径、零件碎片化和保证装配过程的便捷性、协调性和经济性是设计该中间框、桁条和蒙皮装配样板需要研究的问题。

2 装配样板设计的必要性分析

装配样板的基本特征：根据部段产品图要求，将支架、整流罩等部段上的零、部、组件定位装配到壳体部段上，或根据其零件间的协调装配关系，采用定位装配孔工作法将零件协调组合成壳体壁板或壳体部段。

用于由蒙皮、框与桁条（梁）组合而成的壳段，将蒙皮与桁条（梁）、框按组合要求选取零件上部分铆钉孔作为协调装配定位孔，分别在零件状态下制出协调后的定位装配孔，部段或壁板。装配时，再将各零件按相互对应的协调定位装配孔定位拼装在一起[2]，如图1所示。

图1 壳段装配

图2 过渡段壳体内表面局部示意图

某中型运载火箭过渡段壳体，其产品总图（局部）如图2所示。

一般情况下，对于框、桁、蒙皮结构壳体的装配可采用装配型架固定中间框位置后，依次定位装配桁条、蒙皮，属于传统的骨架式装配。但该部段中间框和蒙皮等零件的碎片化，使得在装配型架上固定中间框需要较多的定位支撑块，且该部段直径及高度较大，中间框数量较多，需要使用多种型架来固定中间框位置完成该部段的装配，造成装配过程繁琐、工装成本增加和工装资源浪费。因此，在满足产品装配要求的情况下，需要设计装配样板保证装配的协调性，并可实现在壁板状态下对中间框、桁条和蒙皮进行壁板式组合装配，提高了装配操作的便捷性和生产效率，节省了工装资源。

3 装配样板设计

3.1 总体方案概述

针对该中型运载火箭过渡段壳体产品结构特点，结合以往的经验和现有工艺技术及工艺装备水平设计装配样板，确保中间框、桁条和蒙皮在壁板状态下协调、便捷的组合装配。

装配样板分为中间框装配样板和蒙皮装配样板两部分。

3.2 装配样板设计的技术要求[3]

a. 确定需要装配的零件在部段上装配时的定位基准和相对位置；

b. 确定装配时样板的使用面和标记面；

c. 有协调装配关系的零件所使用的样板要相互协调，不需要制出样板实物而只出样板图的情况时，则依据尺寸保证其协调关系；

d. 根据使用单位要求或材料厚度选用零件上的定位装配孔，一般选为2.6mm、3.2mm；

e. 零件上的定位装配孔原则上选用零件上应有的孔，如铆钉孔、螺栓孔等；如果需要装配的零件上没有孔，可使用零件的外形边、凸台或有机加工的筋肋等作为定位使用；

f. 在需要定位装配两个及以上零件的样板上做出需要装配零件的图号标记，避免装配时出现错误。

3.3 中间框装配样板设计

该过渡段壳体中某中间框产品模型如图3所示，中间框为“几”字形板材框，由8块框段零件组合拼铆而成。需要在8块框段零件上制出与蒙皮装配协调的定位装配孔，完成中间框、桁条和蒙皮的装配。并在框段上开出桁条缺口，以便于中间框和桁条的装配。

图3 中间框

以中间框其中一小段框段零件（5#框段）为例，框段零件主视图如图4 所示。依据中间框框段铆钉排列分布，选取适当铆钉孔作为中间框框段与对应蒙皮协调装配的定位孔，如图5所示。再依据中间框框段截面视图，见图6、中间框桁条角度分布（图4）和桁条缺口视图，见图7，设计该框段装配样板，装配样板如图8所示。

图4 5#框段零件主视图

图5 零件框铆钉排列及定位装配孔的选取（部分）

图7 桁条缺口视图

图8 中间框框段零件装配样板图

图8中“装配定位角材”用于钻制中间框框段与蒙皮装配的定位孔，“桁条缺口定位孔”用于中间框框段与桁条缺口标准切钻样板协调开桁条缺口。其余中间框框段零件依照上述设计方式，完成中间框8块框段与蒙皮装配的装配样板设计。

3.4 蒙皮装配样板设计

过渡段壳体产品如图2所示，该过渡段由前端框、后端框、4件中间框、8块蒙皮、若干桁条组合装配而成。4个中间框与蒙皮协调装配的定位孔可用中间框装配样板制出，因此在设计蒙皮装配样板时，应与中间框装配样板上对应的装配定位孔协调；与桁条协调装配的定位孔位置，一般选取桁条上的铆钉孔作为装配定位孔。随着数控机床的广泛应用，加工方法越来越先进，同时为节约成本，大型圆柱部段的蒙皮装配或切钻样板只需要画出样板图，不再需要制出样板实物，由数控机床按照协调后的蒙皮装配样板图直接加工出展平状态下的蒙皮零件。

选取过渡段其中一块蒙皮与桁条装配为例，该蒙皮和桁条装配图如图9所示。

图9 蒙皮和桁条装配图

图10 装配样板（局部）

以其中一根桁条为例，依据桁条铆钉孔排列，选取两组铆钉孔为协调定位装配孔，并根据桁条上选用的铆钉孔位置在蒙皮装配样板上协调对应制出定位装配孔，如图10所示。再依据中间框对应到蒙皮上的定位装配孔尺寸，在蒙皮装配样板上制出与中间框协调装配的定位装配孔[4]，完成蒙皮装配样板的设计，如图10所示。依据过渡段产品总图，完成其他蒙皮的装配样板设计。

3.5 中间框装配样板与蒙皮装配样板的应用

图11 中间框、桁条和蒙皮组合装配示意图

利用设计好的中间框装配样板，完成中间框桁条缺口定位孔的钻制，以及中间框与蒙皮装配使用的装配孔的钻制；利用蒙皮装配样板图，制出与桁条，中间框装配定位的蒙皮；再根据蒙皮装配样板上选用的桁条铆钉孔，由使用车间根据协调后的蒙皮装配样板图对应制出桁条上的定位装配孔。利用中间框，桁条和蒙皮上已制出的定位装配孔，配合快速定位销，完成中间框、桁条和蒙皮间的组合装配，应用示意如图11所示。

4 结束语

该类装配样板实现了在型架状态下对中间框、桁条和蒙皮的壁板式组合装配，并且保证了装配过程的协调性和便捷性。节约了工装型架资源，降低了生产制造成本。装配完成的壳体部段经检验，满足壳体形位公差要求，验证了该类装配样板设计的可靠性和便捷性，提高了生产效率，降低了劳动强度。

后续将继续应用于相似部段的中间框、桁条和蒙皮的组合装配，并推广应用于锥形部段中间框、桁条和蒙皮的装配。锥形部段蒙皮装配样板设计过程中需换算蒙皮大、小端的展开半径，中间框与蒙皮装配位置处展开半径，换算方法：展=中称/sin锥角。锥形部段中间框装配样板设计过程中，需将中间框桁条轴线角度分布换算为圆心角对应的展角，换算公式为：展=圆心×sin锥角。其余设计方式参考过渡段壳体装配样板设计，完成锥形部段中间框、桁条和蒙皮的装配样板设计和应用。

1 冯宪东，毕煌圣. 一种超大直径贮箱筒段壁板铣切工装的设计与应用[J]. 航天制造技术，2018(2)：40～48

2 成大先. 机械设计手册第2卷[M]. 北京：化学工业出版社，2016

3 高培涛，郝丁，单超，等. 航天模线样板设计与制造工艺技术手册[M]. 北京：首都航天机械有限公司，2018

4 易志斌，李殿忠，唐瑞润，等. 航空制造工程手册飞机模线样板[M]. 北京：航空工业出版社，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

唐晓梅（1988），工程师，自动化专业；研究方向：模线样板设计。

2019-01-28