一种用于环路热管蒸发器的组装工装及组装方法与流程

本发明涉及一种用于环路热管蒸发器的组装工装及组装方法，主要用于环路热管中蒸发器的组装，属于环路热管两相传热技术领域。

背景技术：

环路热管两相传热技术是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一，它具有高传热性能、远距离传输热量、反重力能力强、安装灵活方便以及运行可靠性高、工作寿命长等诸多优点。蒸发器是环路热管的核心部件，环路热管的正常运行要求蒸发器同时具备吸收热负荷与提供工质循环动力双重功能，蒸发器对环路热管运行性能及可靠性具有重要影响。

环路热管蒸发器是由毛细芯和金属外壳通过热装工艺过盈装配而成。目前国内的毛细芯仅布置于蒸发器内，地面应用时，可通过调整毛细芯姿态，液体通过重力流入蒸发器内以保证毛细芯浸润；而在轨微重力环境下，绝大多数液体呈液滴态随机分布于储液器内，蒸发器段内毛细芯有局部干涸的可能，这将使环路热管存在启动失败或运行中断的风险。

为克服该技术风险，已有的蒸发器结构形式见图1、2所示，金属外壳由主壳A和主壳B两部分焊接而成，毛细芯与金属外壳通过过盈装配而紧密配合且毛细芯一部分伸出金属外壳。主壳A为圆筒薄壁结构，材料为镍合金，主壳A首先经过磨削加工形成高精度圆柱面，然后在内圆面处通过线切割形成一系列沟槽，最后与主壳B焊接形成金属外壳。主壳B为圆柱薄壁结构且一端设计有圆形法兰，材料为不锈钢，圆柱薄壁上设计有8处矩形开口。毛细芯由氮化硅粉末经烧结而成，后续通过机械加工形成高精度外圆表面。金属外壳与毛细芯通过过盈配合而紧密接触，金属外壳内表面与毛细芯表面形成一系列沟槽的独立封闭空间，为循环工质提供运行通道，这是蒸发器组装的关键工序。

热装工艺是一种特殊的装配工艺方法，通过给包容件加热使其内径扩张，从而形成装配间隙，使得包容件与被包容件之间达到过盈装配的目的。该方法广泛地应用于航空、汽车工业领域。

传统蒸发器热装工艺用于上述蒸发器的装配存在如下弊端：首先，主壳A与主壳B焊接后变形控制难度大，导致主壳A与主壳B同轴度(即金属外壳圆柱度)较差，且热装过程中毛细芯与金属外壳的装配行程长，容易与毛细芯卡死，须保证焊接后主壳A与主壳B高同轴度要求；其次，为保证环路热管长寿命要求，要求热装过程中蒸发器表面无氧化，需在真空炉中进行装配，人工无法直接操作，需实现自动装配；再则，由于毛细芯为细长棒结构，且为粉末烧结而成，抗弯强度低，毛细芯插入金属壳过程中若承受弯矩易发生折断；最后，主壳A内表面存在沟槽，热装时毛细芯与主壳A摩擦容易划伤毛细芯表面，导致毛细芯表面粉末脱落，形成多余物，影响产品寿命。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于环路热管蒸发器的组装工装及组装方法。

本发明的技术解决方案是：

一种用于环路热管蒸发器的组装工装，该组装工装包括第一套工装、第二套工装和第三套工装；

所述的第一套工装包括芯棒、配重块、限位块、连接杆一、上平板、支撑柱、底板；

上平板、底板通过支撑柱螺纹连接组成支撑平台组件；

上平板、底板上设有圆形通孔；

主壳A、主壳B通过端面配合，并且主壳B中法兰置于上平板上；

芯棒插入主壳A中；

连接杆一穿过主壳A、主壳B、上平板上圆形通孔后一端与芯棒螺纹连接，连接杆一另一端与配重块螺纹连接；

限位块安装在底板的圆形通孔中，主壳A、主壳B、芯棒、配重块、连接杆一、限位块中心线位于同一条直线上；

所述的第二套工装包括芯棒、配重块、限位块、主壳B支撑座、连接杆二、上平板、支撑柱、底板；

上平板、底板通过支撑柱螺纹连接组成支撑平台组件；

上平板、底板上设有圆形通孔；

芯棒插入主壳A中；

主壳B通过圆法兰与主壳B支撑座端面配合，主壳B支撑座置于上平板上；

连接杆二穿过主壳A、主壳B、主壳B支撑座、上平板上的圆形通孔后一端与芯棒螺纹连接，连接杆二另一端与配重块螺纹连接；

限位块安装在底板的圆形通孔中，主壳A、主壳B、芯棒、配重块、连接杆二、主壳B支撑座、限位块中心线位于同一条直线上；

所述的第三套工装包括配重块、上平板、支撑柱、底板、限位支撑杆、外螺纹套、内螺纹套、保护端子、主壳拉套、钢珠、钢珠座、毛细芯座、弹性夹头；

上平板、底板通过支撑柱螺纹连接组成支撑平台组件；

上平板、底板上设有圆形通孔；

钢珠位于钢珠座和毛细芯座之间；

钢珠座下端的圆柱段落入限位支撑杆顶端的沉孔中；

限位支撑杆下端的圆柱段安装在底板的圆形通孔中；

毛细芯的一端与毛细芯座端面配合，毛细芯的另一端与保护端子的过盈配合段的端面配合，保护端子的第一圆柱段伸入到毛细芯的内腔中；

保护端子中的过盈配合段与主壳A内孔接触配合；保护端子中的导向圆锥段、第二圆柱段和导向圆柱段均伸入到主壳A的内孔中；

主壳拉套为空心圆柱结构，主壳拉套的底端带有凸台，主壳拉套的上端通过夹紧机构套在主壳A的外面，主壳拉套的底端凸台与配重块连接，主壳拉套在配重块的重力作用下拉住主壳A。

所述的钢珠为钢球，钢珠座为台阶式圆柱形结构，两端圆柱直径小，中间圆柱直径大，其顶端设计有“∨”形槽放置钢珠。

所述的毛细芯座为凹形结构，凹形槽内装入钢有，钢珠座的中间圆柱直径大的所述的芯棒材料为钼合金的圆柱形结构，包括连接段、第一圆柱段、过盈配合段、第二圆柱段，其中过盈配合段直径与毛细芯直径相同，圆柱度为0.004，且过盈配合段长度为主壳B长度1.5-2.5倍，其余部分直径较过盈配合段直径小0.3～0.5mm，芯棒总长较主壳A、主壳B长度之和长30～50mm；芯棒的过盈配合段插入主壳A中。

所述的保护端子为钼合金的圆柱形结构，包括第一圆柱段、过盈配合段、圆锥导向段、第二圆柱段、圆柱导向段，其中过盈配合段与毛细芯直径相同，长度为3～6mm；圆锥导向段锥度角为10°～20°，圆柱导向段直径较过盈配合段直径小0.3～0.5mm，保护端子总长约20～30mm，第一圆柱段有内螺纹孔。

所述的限位支撑杆为台阶式圆柱形结构，两端圆柱直径小，中间圆柱直径大，其顶端带有沉孔，钢珠座在与限位支撑杆连接时，钢珠座下端的圆柱段落入沉孔中。

所述的钢珠座、钢珠、毛细芯座构成活动支撑机构。

一种使用工装进行环路热管蒸发器组装方法，该方法的步骤包括：

(1)装入芯棒：

在常温下将主壳A、主壳B与第一套工装装配，然后将主壳A、主壳B及第一套工装放入真空炉中加热、保温、冷却，此时芯棒落入到主壳A、主壳B中，然后将主壳A、主壳B及芯棒形成的装配体整体从第一套工装拆出；

(2)主壳焊接：

将步骤(1)得到的装配体中主壳A、主壳B在端面配合的缝隙处进行真空电子束环焊一周，使主壳A、主壳B连接成一个整体，待主壳A、主壳B焊接完成后，主壳A、主壳B、芯棒整体转入退出芯棒过程；

退出芯棒：

将步骤(2)得到的主壳A、主壳B和芯棒整体与第二套工装配装，然后放置入真空炉内加热、保温、冷却，此时芯棒从主壳A和主壳B中退出，然后将主壳A、主壳B整体从第二套工装拆下，转入装入毛细芯过程；

(4)装入毛细芯：

在常温下，将步骤(3)得到的主壳A和主壳B以及毛细芯与第三套工装装配，然后整体放置于真空炉中加热、保温、冷却，从而将毛细芯装入主壳A和主壳B中；其中毛细芯底部通过限位支撑杆及由钢珠座、钢珠、毛细芯座构成的活动支撑机构进行支撑，毛细芯头部与保护端子端面配合，保护端子中导向段伸进主壳A内腔中，保护端子中过盈配合段卡在主壳A内腔开口处，主壳拉套上端夹住主壳A外圆面，主壳拉套在配重块的重力作用下拉住主壳A；在重力作用下，毛细芯绕钢珠摆动来自动适应配重块的重力方向，保证了毛细芯始终承受了沿轴线方向的重力。

所述的步骤(1)、步骤(3)和步骤(4)中，真空炉的真空度由于10^-3Pa，加热温度为440-460℃，升温速率是10℃/min，保温时间为1h，然后随炉冷却至50℃。

所述的步骤(2)中，真空电子束环焊的参数为：真空度由于7*10^-2Pa，加速电压为5万伏，聚焦电流为650mA，焊接速度为1m/min，焊接束流为10-15mA。

本发明所达到的有益效果是：

(1)芯棒能够保证主壳A、主壳B真空电子束焊接前、后具有良好的同轴度，同时在“退出芯棒”过程中，芯棒起到热校形作用，同时又消除了了焊接应力，保证了芯棒退出后主壳A、主壳B良好的同轴度，这是后续毛细芯能够成功装入的关键；

(2)第三套工装中设计有活动机构支撑，保证毛细芯始终承受重力，避免承受弯矩，而从毛细芯不会断裂，热装成功率高，可以满足小批量生产，降低生产成本，提高生产效率；

(3)毛细芯热装过程中由于保护端子保护，保证了毛细芯表面无划伤且无粉末脱落，保证了产品寿命和可靠性，整个热装过程中真空炉中进行，产品表面无氧化、无污染。

(4)本发明的工装及组装方法，主要用于环路热管中蒸发器的组装，属于环路热管两相传热技术领域。首先将芯棒与主壳A、主壳B通过真空炉中进行加热、保温、冷却，使得芯棒装入主壳A、主壳B，实现过盈装配。其次对主壳A、主壳B进行真空电子束环焊，使其连接成整体；然后，首先将芯棒与主壳A、主壳B通过真空炉中进行加热、保温、冷却，使得芯棒退出。最后，在真空炉中将毛细芯与主壳A、主壳B进行加热、保温、冷却，使得毛细芯成功装入主壳A、主壳B中，并实现过盈装配，毛细芯不会发生断裂且表面无损伤。本发明一方面能够实现毛细芯与金属外壳之间过盈配合，并保证毛细芯装入金属外壳中不会断裂，热装成功率高，可以满足小批量生产，降低生产成本，提高生产效率，另一方面能够保证毛细芯表面无划伤且无粉末脱落，产品表面无氧化、无污染，提高产品寿命和可靠性。

附图说明

图1为现有技术中已有的蒸发器的立体结构示意图；

图2为现有技术中已有的蒸发器的结构示意图；

图3为本发明的芯棒的结构示意图；

图4为本发明的保护端子的结构示意图；

图5是进炉前，主壳A、主壳B与第一套工装装配结构示图；

图6为芯棒装入主壳A、主壳B后结构示意图；

图7是进炉前，主壳A、主壳B与第二套工装装配结构示意图；

图8是进炉前，主壳A、主壳B、毛细芯与第三套工装装配结构示意图；

图9为图7中放大图Ⅰ；

图10为图7中档大图Ⅱ。

图中：1.主壳A；2.主壳B；3.毛细芯；4.芯棒；5.配重块；6、限位块；7.连接杆一；8.支撑板；9.支撑柱；10.底板；11.主壳B支撑座；12.连接杆二；13.限位支撑杆；14.螺纹压头；15.外螺纹套；16.保护端子；17.主壳拉套；18.钢珠；19.钢珠座；20.毛细芯座；21.压紧套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种用于环路热管蒸发器的组装工装，该组装工装包括第一套工装、第二套工装和第三套工装；

如图5所示，所述的第一套工装包括芯棒4、配重块5、限位块6、连接杆一7、上平板8、支撑柱9、底板10；

如图7所示，所述的第二套工装包括芯棒4、配重块5、限位块6、主壳B支撑座11、连接杆二12、上平板8、支撑柱9、底板10；

如图8、图9和图10所示，所述的第三套工装包括配重块5、上平板8、支撑柱9、底板10、限位支撑杆13、外螺纹套14、内螺纹套15、保护端子16、主壳拉套17、钢珠18、钢珠座19、毛细芯座20、弹性夹头21。

如图3所示，所述芯棒4材料为钼合金的圆柱形结构，包括连接段41、第一圆柱段42、过盈配合段43、第二圆柱段44，其中过盈配合段43直径与毛细芯3直径相同，圆柱度为0.004，且过盈配合段长度为主壳B长度1.5-2.5倍，其余部分直径较过盈配合段直径小0.3～0.5mm，芯棒4总长较主壳A、主壳B长度之和长30～50mm；

如图4所示，所述的保护端子16为钼合金的圆柱形结构，包括第一圆柱段161、过盈配合段162、圆锥导向段163、第二圆柱段164、圆柱导向段165，其中过盈配合段162与毛细芯直径相同，长度为3～6mm；圆锥导向段163锥度角为10°～20°，圆柱导向段165直径较过盈配合段直径小0.3～0.5mm，保护端子总长约20～30mm；

所述第一套工装、第二套工装、第三套工装中其余零件均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢制造，其具体尺寸与蒸发器的结构尺寸相适应。

所述第一套工装、第二套工装、第三套工装中所有零件均需进行清洗并经高温除油处理。

所述的第一套工装的连接关系如下：

如图6所示，上平板8、底板10分别通过4根支撑柱9螺纹连接组成支撑平台组件，上平板8、底板10上设有一系列圆形通孔。主壳A1、主壳B2通过端面配合，并且主壳B2中法兰置于上平板8上，芯棒4过盈配合段43插入主壳A1中，连接杆一7穿过主壳A1、主壳B2、上平板上圆形通孔分别与芯棒4、配重块5螺纹连接即连接杆一7一端与芯棒4螺纹连接，连接杆一7另一端与配重块5螺纹连接，限位块6安装在底板10中圆形通孔中，主壳A1、主壳B2、芯棒4、配重块5、连接杆一7、限位块6中心线位于同一条直线上；

所述的第二套工装的连接关系如下：

上平板8、底板10分别通过4根支撑柱9螺纹连接组成支撑平台组件，上平板8、底板10上设有一系列圆形通孔。主壳B2通过圆法兰与主壳B支撑座11端面配合，主壳B支撑座11置于上平板上，连接杆二12穿过主壳A1、主壳B2、主壳B支撑座11、上平板8上圆形通孔分别与芯棒4、配重块5螺纹连接即连接杆二12一端与芯棒4螺纹连接，连接杆二12另一端与配重块5螺纹连接，限位块6安装在底板10中圆形通孔中，主壳A1、主壳B2、芯棒4、配重块5、连接杆二12、主壳B支撑座11、限位块6中心线位于同一条直线上；

所述的第三套工装的连接关系如下：

上平板8、底板10分别通过4根支撑柱9螺纹连接组成支撑平台组件，上平板8、底板10上设有一系列圆形通孔。钢珠18位于钢珠座19和毛细芯座20之间，其中钢珠直径为钢球，钢珠座19为台阶式圆柱形结构，两端圆柱直径小，中间圆柱直径大，其顶端设计有“∨”形槽放置钢珠18，毛细芯座设计成下凹形形结构，凹形槽内装入钢珠。钢珠座19、钢珠18、毛细芯座20构成活动支撑机构；钢珠座19的中间圆柱直径大的目的是为了在与限位支撑杆13连接时对钢珠座19进行限位；

限位支撑杆13为台阶式圆柱形结构，两端圆柱直径小，中间圆柱直径大，其顶端带有沉孔，钢珠座19在与限位支撑杆13连接时，钢珠座19下端的圆柱段落入沉孔中，限位支撑杆13的下端的圆柱段安装在底板10中圆形通孔中；

保护端子16为台阶式柱形结构，共分为五段，依次包括第一圆柱段161、过盈配合段162、导向圆锥段163、第二圆柱段164和导向圆柱段165；各段的两端均有倒角；第一圆柱段161的直径为a、过盈配合段162的直径为b、导向圆锥段163的大端直径为c、导向圆锥段163的小端直径为c’、第二圆柱段164的直径为d和导向圆柱段165的直径为e，a<b，b＝c，c>c’，c’>d，d<e，a<d，c’>e；第一圆柱段有内螺纹孔；

毛细芯3的一端与毛细芯座20端面配合，毛细芯3的另一端与保护端子16中过盈配合段的端面配合，保护端子16的第一圆柱段伸入到毛细芯3的内腔中；

保护端子16中的过盈配合段与主壳A1内孔接触配合；保护端子16中的导向圆锥段163、第二圆柱段164和导向圆柱段165均伸入到主壳A1的内孔中；

主壳拉套17为空心圆柱结构，空心圆柱结构的底端带有凸台，套在主壳A1的外面，并与主壳A1的外圆柱面接触，主壳拉套17在与主壳A1的外圆柱面接触的部分有线切割槽，线切割槽的作用是使主壳拉套17在受到一定压力的情况下，能够发生变形，从而与主壳A1的外圆柱面更紧密的接触；主壳拉套17的底端凸台与配重块连接。

主壳拉套17上端通过由外螺纹套14、内螺纹套15、弹性夹头21构成的夹紧机构夹住主壳A外圆面，主壳拉套16在配重块5的重力作用下拉住主壳A1。

一种环路热管蒸发器组装方法，包括装入芯棒、主壳焊接、退出芯棒、装入毛细芯四个过程。

所述装入芯棒过程是指：在常温下将主壳A1、主壳B2与第一套工装装配，然后将主壳A、B及第一套工装放入真空炉中加热、保温、冷却。由于芯棒材料线膨胀系数小于主壳A1、主壳B2，经整体加热至一定温度，主壳A1、主壳B2内径大于芯棒4外径，使得芯棒4在配重的重力作用下落入主壳A1、主壳B2中，然后将主壳A1、主壳B2及芯棒4形成的装配体整体从第一套工装拆出，进行主壳焊接。

所述主壳焊接过程是指将主壳A1、主壳B2在端面配合的缝隙处进行真空电子束环焊一周，使其连接成一个整体。由于芯棒4圆柱度高、刚性好，且与主壳A1、主壳B2过盈配合，使得焊接产生的热变形被芯棒的结构刚性抵消，焊接变形得到有效地控制。待主壳A1、主壳B2焊接完成后，主壳A1、主壳B2、芯棒4整体转入退出芯棒过程。

所述退出芯棒过程是指，在常温下将焊接后的主壳A1、主壳B2、芯棒4整体与第二套工装配装，然后放置入真空炉内加热、保温、冷却。由于芯棒材料线膨胀系数小于主壳A1、主壳B2，经整体加热至一定温度，主壳A、B内径大于同轴工装外径，使得芯棒在配重的重力作用下退出主壳A1、主壳B2中。此外，主壳A1、主壳B2焊接后与芯棒4存在较大焊接应力，该加热过程中既消除主壳A1、主壳B2中焊接应力，同时芯棒4也起到热校形的作用。然后将主壳A1、主壳B2整体从第二套工装拆下，转入装入毛细芯过程。

所述装入毛细芯过程是指，在常温下将焊接后的主壳A1、主壳B2、毛细芯3分别与第三套工装装配，然后整体放置于真空炉中加热、保温、冷却，从而将毛细芯装入主壳A1、主壳B2中。其中毛细芯3底部通过限位支撑杆13及由钢珠座19、钢珠18、毛细芯座20构成的活动环节支撑，毛细芯3头部与保护端子16端面配合，保护端子16中导向段伸进主壳A内腔中，保护端子16中过盈配合段因直径大于主壳A1内径而卡在主壳A1内腔开口处。主壳拉套17上端通过由外螺纹套14、内螺纹套15、弹性夹头21构成的夹紧机构夹住主壳A外圆面，主壳拉套16在配重块5的重力作用下拉住主壳A1。在重力作用下，毛细芯3绕钢珠18小角度摆动来自动适应配重块的重力方向，保证了毛细芯3始终承受了沿轴线方向的重力，避免承受弯矩而发生断裂，即毛细芯3能够在重力作用下绕钢珠自动适应重力方向。由于保护端子16线膨胀系数大于毛细芯3的线膨胀系数，小于主壳A1、主壳B2材料线膨胀系数，且直径与毛细芯一样。加热过程中，保护端子16膨胀后直径大于毛细芯3直径，始终是保护端子16过盈配合段外表面与主壳A1内表面接触，避免了毛细芯被金属壳内表面划伤。

一种用于环路热管蒸发器的组装工装及组装方法，该组装工装包括第一套工装、第二套工装和第三套工装；该组装方法，包括装入芯棒、主壳焊接、退出芯棒、装入毛细芯四个过程。

在“装入芯棒”过程中，首先按图5所示在常温下将主壳A1、主壳B2与第一套工装装配。其中，上平板8、底板10分别通过4根支撑柱9螺纹连接组成支撑平台组件，上平板8、底板10上设有一系列通孔。主壳A1、主壳B2通过端面配合，并且主壳B2中法兰置于上平板上，芯棒4过盈配合段插入主壳A1中，连接杆一7穿过主壳A1、主壳B2、上平板上圆形通孔分别与芯棒4、配重块5螺纹连接，将限位块6安装在底板10中圆形通孔中，装配完毕后主壳A1、主壳B2、芯棒4、配重块5、连接杆一7、限位块6中心线位于同一条直线上。然后，将主壳A1、主壳B2及第一套工装整体放入真空炉中，加热至450℃、保温1h，然后随炉冷却至50℃出炉。图6为芯棒4装入主壳A1、主壳B2中后结构形式，其中芯棒4两端均伸出金属外壳，方便后续焊接时装夹，防止直接装夹产品而产生变形。

在“主壳焊接”过程中，将主壳A1、主壳B2带着芯棒4在端面配合的缝隙处进行真空电子束环焊一周，使其连接成一个整体。

在“退出芯棒”过程中，首先按图7所示在常温下将主壳A1、主壳B2与第二套工装装配。壳B2通过圆法兰与主壳B支撑座11端面配合，主壳B支撑座11置于上平板上，连接杆二12穿过主壳A1、主壳B2、主壳B支撑座上平板8上圆形通孔分别与芯棒4、配重块5螺纹连接，将限位块6安装在底板10中圆形通孔中，装配完毕后主壳A1、主壳B2、芯棒4、配重块5、连接杆二12、主壳B支撑座11、限位块6中心线位于同一条直线上。然后，将主壳A1、主壳B2及第二套工装整体放入真空炉中，加热至450℃、保温1h，然后随炉冷却至50℃出炉。

在“装入毛细芯”过程中，首先按图8所示，在常温下将焊接后的主壳A1、主壳B2、毛细芯3分别与第三套工装装配。毛细芯3底部通过限位支撑杆13及由钢珠座19、钢珠18、毛细芯座20构成的活动机构支撑，其中钢珠直径为φ3钢球，钢珠座上设计有“∨”形槽放置钢珠，毛细芯座设计成下凹形形结构，凹形槽内装入钢珠。毛细芯3头部与保护端子16端面配合，保护端子16中导向段伸进主壳A内腔中，保护端子16中过盈配合段因直径大于主壳A1内径而卡在主壳A1内腔开口处。主壳拉套17上端通过由外螺纹套14、内螺纹套15、弹性夹头21构成的夹紧机构夹住主壳A外圆面，主壳拉套16在配重块5的重力作用下拉住主壳A1。在重力作用下，毛细芯绕钢珠18小角度摆动来自动适应配重块的重力方向，保证了毛细芯始终承受了沿轴线方向的重力。然后，将主壳A1、主壳B2及第三套工装整体放入真空炉中，加热至450℃、保温1h，然后随炉冷却至50℃出炉。