一种液体火箭发动机机架对接孔的加工方法与流程

文档序号：17161571发布日期：2019-03-20 00:48阅读：461来源：国知局

本发明涉及一种液体火箭发动机机架对接孔的加工方法，特别涉及一种液体火箭发动机机架对接孔加工工艺方法及加工钻模设计方案，属于液体火箭发动机大型机架对接孔的加工技术领域，本发明中所针对的液体火箭发动机机架直径为3000-3500mm，属大型机架。

背景技术：

液体火箭发动机的推力室安装在机架下方，并通过机架对接孔与箭体舱段对接，孔的位置在一定程度上将决定整个火箭的推力方向偏执问题。在火箭发动机大型机架对接孔的加工中，由于对接孔分布于直径较大的分布圆上，直径达3000mm，且没有较大的机械加工设备，最初考虑将机架放于大型平台上，通过分体钻模进行孔的加工。在加工中，先将机架放于平台上，初步定好位，通过坐标跟踪仪检测每一个对接接头的具体位置，确定好分体钻模定位位置后，通过摇臂钻和分体钻模加工对接接头孔，这种工艺方案较复杂，且工艺实施过程中，难以确保加工精度，且经常有孔加工位置偏执超差的问题，影响发动机与箭体的总体装配。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种液体火箭发动机机架对接孔的加工方法，该方法解决了大型机架对接孔加工方案的复杂度，实现了液体火箭发动机大型机架对接孔加工。

本发明采用的技术方案是：

一种液体火箭发动机机架对接孔的加工方法，该机架为一八棱台，八棱台包括小端(下端)的四个棱、大端的八个棱以及连接小端和大端的八条棱，八棱台的小端焊接有一十字梁，十字梁中的每条梁与八棱台小端的四条棱均成45°交叉连接，八棱台大端的八个顶点各焊接一个对接接头，该方法是在该八个对接接头上开连接孔，连接孔用于与箭体舱段连接；

该方法的步骤包括：

(1)加工钻模工装，该钻模工装为带有减重孔的圆盘，圆盘上带有周向加工凹槽，在该加工凹槽的中心带有插销孔，且插销孔内带有插销，该加工凹槽的侧面中心位置有轴向刻线，该加工凹槽的底部、插销孔的内侧有定位凹槽；

(2)将液体火箭发动机机架安装于机床台面上，使液体火箭发动机机架的大端位于机床台面上，小端位于机床台面之下，且液体火箭发动机机架的外圆上带有刻线作为圆周基准；

(3)将步骤(1)加工的钻模工装放置到该液体火箭发动机机架的大端上面，使液体火箭发动机机架的大端上的对接接头位于该钻模工装定位凹槽内，旋转该钻模工装使该钻模工装上的刻线与液体火箭发动机机架的外圆上的圆周基准对齐，并用弓形夹固定夹紧，确保钻模工装与机架在加工过程中的相对位置；

(4)拆除钻模工装插销孔内的插销，通过该插销孔对液体火箭发动机机架上的对接接头进行加工，完成对接接头上对接孔的加工。

所述的步骤(4)中，进行加工时，通过钻孔、扩孔完成第一个孔的粗加工，留有0.2mm的精加工余量，钻孔、扩孔两道工序确保孔的粗加工位置；使用定位插销顺着钻模工装和机架插入已经加工好的第一个孔，确定机架与钻模孔的相对位置，以相同孔加工工艺方法完成其余所有孔的粗加工；使用检验插销检查所有机架孔是否与钻模孔位一致，若一致，通过铰孔完成所有孔的精加工，确保孔的加工质量，若孔位不一致，可通过留有的余量进行孔的最后校正，确保孔的加工精度；

所述的步骤(1)中，圆盘上的减重孔分为最多四组，其中第一组为四个扇形孔，第二组为16个梯形孔，第三组为16个梯形孔，第四组为16个梯形孔；

扇形孔与扇形孔之间通过加强筋连接，梯形孔与梯形孔之间通过加强筋连接，扇形孔与与梯形孔之间通过加强筋连接；

扇形孔的半径为圆盘半径的一半；

加强筋的宽度为x1，厚度为2h1+h2；

该加强筋进行减重，减重后的加强筋的宽度为x2，减重后的加强筋的厚度为h2；

设该圆盘的直径为d，圆盘的厚度为h；

当圆盘直径d小于等于700mm时，加工厚度为60mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔；

加强筋的原始宽度x1为60mm，厚度2h1+h2为45mm，减重后的加强筋的宽度x2为60mm，减重后的加强筋的厚度h2为15mm；

当圆盘直径d大于700mm小于等于1000mm时，加工厚度为70mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔和第二组的16个梯形孔；

加强筋的原始宽度x1为60mm，厚度2h1+h2为60mm，减重后的加强筋的宽度x2为20mm，减重后的加强筋的厚度h2为20mm；

当圆盘直径d大于1000mm小于等于1500mm时，加工厚度为80mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔和第二组的16个梯形孔；或者是第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔和第三组的16个梯形孔；

加强筋的原始宽度x1为90mm，厚度2h1+h2为60mm，减重后的加强筋的宽度x2为30mm，减重后的加强筋的厚度h2为20mm；

当圆盘直径d大于1500mm小于等于2000mm时，加工厚度为80mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔和第三组的16个梯形孔；

加强筋的原始宽度x1为90mm，厚度2h1+h2为60mm，减重后的加强筋的宽度x2为30mm，减重后的加强筋的厚度h2为20mm；

当圆盘直径d大于2000mm小于等于2500mm时，加工厚度为100mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔和第三组的16个梯形孔；

加强筋的原始宽度x1为100mm，厚度2h1+h2为75mm，减重后的加强筋的宽度x2为30mm，减重后的加强筋的厚度h2为25mm；

当圆盘直径d大于2500mm小于等于3000mm时，加工厚度为110mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔和第三组的16个梯形孔；或者是第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔、第三组的16个梯形孔和第四组的16个梯形孔；

加强筋的原始宽度x1为110mm，厚度2h1+h2为90mm，减重后的加强筋的宽度x2为35mm，减重后的加强筋的厚度h2为30mm；

当圆盘直径d大于3000mm小于等于3500mm时，加工厚度为120mm，则需要的减重孔为第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔和第三组的16个梯形孔；或者是第一组的四个扇形孔、第二组的16个梯形孔、第三组的16个梯形孔和第四组的16个梯形孔；

加强筋的原始宽度x1为120mm，厚度2h1+h2为90mm，减重后的加强筋的宽度x2为40mm，减重后的加强筋的厚度h2为30mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

机架整体工作钻模的设计完全改变了原有分体式钻模的结构，根据现有加工设备的技术条件，提出的一种新的用于大型机架对接孔加工工艺方法。并综合应用了现代设计方法，结合生产实际，实现大型钻模的结构优化设计，其在技术上的进步归纳为：

(1)机架整体钻模的工艺方案，使用了总体协调钻模和厂内工作钻模的工艺方案，避免了分体式钻模工艺方法制造精度的问题，提高了机架孔的加工质量，且整体钻模的设计综合了现有机床设备的应用和大型件的现代铸造技术，确保了机架整体钻模的制造精度；

(2)结构优化后的机架整体工作钻模使大型和重型工艺装备能够设计的更加合理和轻便，且优化后的机架钻模结构强度和刚度满足使用要求，且能够保证机架对接孔的加工质量。本发明公开了一种液体火箭发动机机架对接孔加工工艺方法及加工钻模设计方案。机架对接孔有8组，每组2到4个孔，孔均匀分布在2米或3米多的分布圆上，这些孔在总体装配时与箭体舱段的孔进行对接装配。其实现方法：将机架安装于机床台面上，保证机架大端水平，以机架外圆及8组对接头中心刻线作为圆周基准；机架8组对接头端面为轴向限位基准，机架整体钻模以圆周基准和轴向限位基准装配，并用弓形夹固定夹紧；机床通过钻孔、扩孔、铰孔完成第一个孔的加工；使用定位插销顺着钻模和机架插入已经加工好的第一个孔，确定机架与钻模孔的相对位置；最后通过第一个孔的加工工艺方法完成其它孔的加工。本发明通过合理的工艺方法和大型钻模的设计和精密加工，使液体火箭发动机大型机架对接孔的加工合格率达到了100％。

(3)机架钻模的设计，考虑整体钻模设计方案，机架对接孔分布圆直径较大，对应钻模直径大，重量大，本机架整体钻模总结和优化了钻模结构，采用框架结构，保证钻模本身的刚度，使钻模总重量小于2.5吨；

(4)机架整体钻模定期进行校验，大端连接孔的检验采用协调的工艺方法，即机架与箭体孔的检验通过中间机架协调钻模进行检验，协调钻模分别与箭体、机架上的大端连接孔协调，故用于机架上的机架整体钻模孔位必须与机架协调钻模中的孔位一致；

(5)机架钻模需要设计钻、扩、铰加工工艺要求的快换钻套，确保孔的加工精度，钻模高度较大，设计台阶式专用快换钻套，满足快换钻套本身加工工艺要求，确保加工精度；

(6)机架钻模需要设计定位插销，并根据孔的加工工艺要求，设计有钻、扩、铰孔用插销，确保孔的位置精度.

附图说明

图1为本发明的机架的结构示意图；

图2为本发明的钻模工装的结构示意图；

图3为本发明的钻模工装减重示意图；

图4为本发明的加强筋的减重尺寸示意图。

具体实施方式

液体火箭发动机机架对接孔加工工艺方法，方法为：

(1)将机架安装于机床台面上，保证机架大端水平，以机架外圆及对接头中心刻线作为圆周基准，机架对接头端面为轴向限位基准；

(2)机架整体钻模以圆周基准和轴向限位基准装配，并用弓形夹固定夹紧；

(3)机床依次通过钻孔、扩孔、铰孔完成第一个孔的加工；

(4)使用定位插销顺着钻模和机架插入已经加工好的第一个孔，确定机架与钻模孔的相对位置，以相同孔加工工艺方法完成其余所有孔的加工。

机架与钻模的定位基准，孔的加工工艺方法，机架钻模的设计，考虑整体钻模设计方案；机架整体钻模定期进行校验；机架钻模需要设计钻、扩、铰加工工艺要求的专用快换钻套，确保孔的加工精度；机架钻模需要设计定位插销，并根据孔的加工工艺要求，设计有钻、扩、铰孔用插销，确保孔的位置。

钻模为整体结构件，钻模校验方法，快换钻套的设计，定位插销的设计。

图1是机架的基本结构，机架整体钻模用于加工机架定位及连接孔，孔的分布直径在2000mm～3500mm。机架大端或小端一般有8个接头，每个接头上都有圆柱孔或螺纹孔，这些孔用于与箭体或发动机连接。连接孔需要钻孔、扩孔、铰孔的加工工艺过程完成。

图2是机架整体工作钻模，为保证协调钻模的稳定性，制作机架整体工作钻模用于生产制造，结构与机架协调钻模结构类似，采用框架结构形式，并采用铸造工艺加工而成。

图3钻模体结构，图4是钻模筋的结构，机架连接孔加工处的分布圆直径在2000mm～3500mm范围内，对应工作钻模的直径必须大于分布圆的直径。直径越大，重量增大，采用框架结构进行减轻，并控制钻模的厚度，厚度及减重孔的分布将影响整体钻模刚性，对于不同直径的钻模，其钻模的厚度和减重孔的个数选择如下表1所示。钻模筋的设计如图4所示，筋的设计参数如表1所示。钻模体一般设计为框架结构，对于直径大于700mm的钻模体，采用铸造方法加工完成，材料选用qt500-7或qt450-10；对于直径小于700mm的钻模体，采用铸造或直接选用锻件加工完成，材料选用qt500-7、qt450-10或者yl104、zl104。

设计中考虑机械加工工艺过程，定位插销直径分为钻孔用定位插销、扩孔用定位插销、铰孔用定位插销。定位插销的材料根据定位直径大小分为：d小于等于10mm时一般选用t8，其硬度要求hrc55到60；d大于10mm时一般选用20号钢，渗碳处理，深度0.8到1.2mm，硬度要求hrc55到60。

机架整体钻模钻套选用快换式钻套结构形式。机架连接孔的加工工艺过程为钻孔、扩孔、铰孔或攻丝等多个加工工序，每个工序需要不同孔径的钻套来引导刀具。更换钻套时，只需逆时针转动钻套使削边平面转至螺钉位置，即可向上快速取出钻套，达到快换的效果。此外，在设计过程中，需要根据刀具的旋向设计削边的方向，以免钻套自动脱出。快换钻套的材料根据钻套内孔的大小分为：d小于等于26mm时一般选用t10a，其硬度要求hrc58到64；d大于26mm时一般选用20号钢，渗碳处理，深度0.8到1.2mm，硬度要求hrc58到64。

在钻模中，一种孔径仅需要装配一个衬套，且内径与钻套内径配合使用，外径与钻模体配合。在钻模中间装配有定位衬套，定位衬套在机架整体工作钻模中主要用于协调定位，其结构与钻套用衬套结构相同，内径与对应机架协调钻模的定位衬套内径相同。衬套的材料根据孔的衬套内孔的大小分为：d小于等于26mm时一般选用t10a，其硬度要求hrc58到64；d大于26mm时一般选用20号钢，渗碳处理，深度0.8到1.2mm，硬度要求hrc58到64；定位衬套可以选用cr12mov，表面发蓝，硬度要求hrc55到60。

实施例

如图1–图4和表1所示，一种液体火箭发动机机架对接孔的加工方法，该机架为一八棱台，八棱台包括小端(下端)的四个棱、大端的八个棱以及连接小端和大端的八条棱，八棱台的小端焊接有一十字梁，十字梁中的每条梁与八棱台小端的四条棱均成45°交叉连接，八棱台大端的八个顶点各焊接一个对接接头，该方法是在该八个对接接头上开连接孔，连接孔用于与箭体舱段连接；