0 引言

对于远程高超声速航天飞行器，端头结构的前舱在透波、防热等性能上具有较大作用。部分航天飞行器前舱的前端为端头结构，外部具有防护层，生产中首先对舱体和端头进行装配，如果对接面台阶值超差需返修，返修后分解，粘接防护层后再次进行装配，装配后再次测量对接面台阶值，若台阶值仍超差需返修。

在产品生产中，若由于生产异常导致需更换舱体，则会出现非常规工序：将已粘接防护层的端头和未粘接防护层的舱体进行装配。常规操作方法无法保证对接面台阶值符合要求，本研究通过建立差值换算法，结合组合测试方法，解决了此问题^[1-3]，大大提升了生产效率，并解决了工序链路并行带来的装配中非常规工序下的卡脖子问题。

1 问题及现状介绍

舱体为圆锥形，一周均匀划分为4部分，每两部分的临界位置分别定义为I、II、III、IV象限，每个象限位置刻有象限线。端头部位结构由端头、隔热杯、碟簧、垫片、螺母、舱体、防护层1、防护层2组成，碟簧共4片且为相同规格。结构示意图如图1所示，舱体左侧为小端，右侧为大端。

1.1 装配顺序及要求

在装配过程中首先将端头和隔热杯放置在舱体小端，从舱体大端将两个碟簧串联以碟簧大端朝向端头放入端头螺柱部分，再次从舱体大端将两个碟簧串联以碟簧小端朝向端头放入端头螺柱部分，即将4片碟簧以复合组合方式进行组合套入端头螺柱，其中每2片碟簧串联叠合为一组，两组碟簧的小端贴合。将垫片放入端头螺杆，将螺母在螺杆上拧紧施加预紧扭矩，分解后将端头旋转45°再次施加预紧扭矩，循环进行分解螺母、转动端头、施加预紧扭矩的操作，直至将端头旋转360°。每次分解螺母前，先测量端头和舱体之间四个象限线位置的间隙值，寻找间隙最小值并记录此时端头的旋转角度，再按照此角度进行装配，对螺母施加预紧扭矩，完成第一次装配，并测量台阶值等指标。台阶值即与舱体外壁垂直方向的端头和舱体对接面高度差。在端头和舱体的对接面位置，端头部分高于舱体部分为顺向台阶，低于舱体部分为逆向台阶。

测量完成后将螺母旋转分解，先取下垫片、碟簧、端头、隔热杯，接着对端头和舱体分别粘接防护层1、防护层2。再次按照第一次选定的端头角度进行装配，对螺母施加锁紧扭矩，完成第二次装配，并测量台阶值。在两次装配过程中，都需要保证端头和舱体的对接面不出现逆向台阶，且顺向台阶不大于0.4 mm。

1.2 问题描述

端头和舱体在无防护层状态下装配后，可直接测量台阶值，但对于端头已粘接防护层1、舱体未粘接防护层2的情况，装配后无法直接测量台阶值，本研究中提出一种此状态下测量台阶值的方法。

2 研究内容

2.1 实验件术语及符号定义

将本研究中所需装配的端头命名为“端头1”，新准备一件无防护层1状态的端头命名为“端头2”，其中“端头1”为粘接防护层1的状态。

端头圆柱段的加工精度为0.02 mm，是端头所有曲面加工精度最高的位置，通过对端头进行三维扫描得到逆向数模^[4]，以圆柱段为基准拟合得到端头轴线^[5]。与端头的外侧锥面母线垂直作与端头外侧棱边相交的垂线，垂线与端头中心轴线相交于O点，从O点起沿此垂线建立坐标轴L，O点为零点，沿此垂线向端头外侧棱边方向延伸为正值，单位为mm，坐标轴位置如图2所示。

端头螺柱部分的端面具有象限标识I、II、III、IV，同时在每个象限位置刻有一条直线作为象限线，在此四个象限线和四个相邻象限线的中点共8个位置建立8个与L方向一致的坐标轴，每个坐标轴间隔45°，以I象限的象限线位置为起点记录为L1，沿象限I—IV递增方向定义为坐标轴L1—L8，从端头球头端方向正视端头的坐标轴L1—L8示意图如图3所示。

对于端头，按照正常加工工序在生产完成后使用三维扫描仪对各部分进行精测生成逆向数模，端头在舱体上装配后按照舱体的象限位置对端头的象限进行标记，对于标记象限后的端头根据逆向数模找出对应的坐标轴L1—L8，将端头1中坐标轴L1—L8对应的外侧棱边所在点的坐标值分别记为L1b—L8b，将端头2中坐标轴L1—L8对应的外侧棱边所在点的坐标值分别记为L1a—L8a。

2.2 差值换算法说明

将端头1的象限与舱体象限对应，按照图1结构进行装配，对端头1末端螺母施加预紧扭矩，定义此时端头1角度为0°，测量舱体和端头1对接面间隙值。将螺母分解，将端头1旋转45°后再次装配，对螺母施加预紧扭矩，测量间隙值。重复此过程，每次将端头1旋转45°，直至端头1旋转一周，从测量的间隙值中选择最小间隙值对应的装配角度。将端头2按照此角度进行装配，施加预紧扭矩。

在端头1和端头2的精测报告中分别记录数据L1b—L8b、L1a—L8a，分别计算L1a和L1b、L2a和L2b···之间的差值，即L1a-L1b、L2a-L2b、L3a-L3b、L4a-L4b、L5a-L5b、L6a-L6b、L7a-L7b、L8a-L8b，将这8个差值记为h1、h2、···、h8。

测量端头2和舱体在L1—L8位置接触面的台阶值，将第Li位置的台阶值记为ai，计算ai—hi，得到端头1在Li位置的理论台阶值，记为Ci，即得到C1—C8^[6]。观察理论台阶值C1—C8是否满足装配台阶值要求，若存在不满足的位置，使用100目砂纸对舱体进行微量修磨直至全部位置满足要求^[7]，其中在相邻的两坐标轴之间部分进行曲面过渡修磨^[8]，在使用砂纸修磨时为保证误差可控每往复摩擦10次进行一次测量^[9]。将端头2分解，舱体粘接防护层2后将端头1按照所选择的装配角度进行正式装配，施加锁紧扭矩，完成正式装配。

2.3 实验过程

使端头1的象限和舱体的象限对应，将端头1按照图1的结构进行装配，对端头1末端螺母施加预紧扭矩15 N·m，记此时端头1角度为0°，测量端头1和舱体之间的间隙值。将螺母分解，将端头1按照舱体的象限递增方向依次旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，在每个角度对螺母施加15 N·m的预紧扭矩，每次分解螺母前测量端头1和四个舱体象限线位置的间隙，测量结果如表1所示。测量完成后将螺母和端头1分解，完成第一次装配。

如表1所示，45°时端头1和舱体之间的间隙值最小，选定此刻端头1的角度为正式装配角度，但在第一次装配过程中无法测量端头1和舱体之间的台阶值。将端头2按照与端头1第一次装配选定的角度进行装配，对螺母施加15 N·m预紧扭矩，其中碟簧、垫片、隔热杯使用第一次装配所使用的产品。

在端头1和端头2的精测报告中分别记录数据L1b—L8b、L1a—L8a，分别计算L1a和L1b、L2a和L2b、···、L8a和L8b之间的差值，将这8个差值记为h1、h2、···、h8。精测数据和计算数据如表2所示。

测量端头2和舱体在L1—L8位置对接面的台阶值，将第Li位置的台阶值记为ai，计算ai—hi，得到端头1的理论台阶值，记为Ci，即得到C1—C8。观察这8个位置的理论台阶值C1—C8，要求0 mm≤C1—C8≤0.4 mm，对于不满足该要求的坐标轴位置，使用砂纸进行修磨，其中在相邻量坐标轴之间的部分进行曲面过渡修磨，保证端头2和舱体对接面台阶情况符合要求。所测量的端头2和舱体对接面台阶值数据和计算后得到的端头1理论台阶值数据如表3所示。

观察表3数据，得知在L4、L5、L6三个位置的端头1理论台阶值C4、C5、C6不满足要求，分别为-0.236 mm、-0.192 mm、-0.114 mm，都为负值，即理论上端头1和舱体对接面为逆向台阶。使用砂纸对L4、L5、L6三个位置的舱体和端头2的对接位置进行了修磨，同时对L3与L4之间、L4与L5之间、L5与L6之间、L6与L7之间的部分进行了曲面过渡修磨，以满足C4、C5、C6均在0~0.4 mm之间的要求，即修磨后a4、a5、a6满足表4要求。

将端头2分解，将舱体转运至相应厂房粘接防护层2，粘接完成后按照图1进行第二次装配，对端头1末端的螺母依次施加15 N·m、50 N·m、70 N·m、110 N·m的锁紧扭矩。装配中端头使用端头1，即本产品正式使用的端头，在装配过程中、装配后进行相关数据测量，完成第二次装配，即完成正式装配。

2.4 实验结果

通过对正式装配完成的产品进行测试试验后，在端头1和舱体组合状态下将防护层1、防护层2剥离^[10]，观察端头1和舱体对接面完整一周的范围，均无逆向台阶，经测量顺向台阶全部小于0.4 mm，得以反向证明本研究的方法有效、可靠，可以在非常规端头装配工序中有效保证零部件对接面的台阶指标要求。

3 推广价值

常规装配工序为第一次装配端头和舱体均无防护层，装配中可以直接对台阶情况进行测量，本研究中由于生产异常需要更换舱体，而此刻端头已粘接防护层1，装配后无法直接测量对接面台阶情况。通过本研究，可以在不更换端头前提下保证台阶值符合要求，无需重新生产一件端头，大幅度降低了成本，同时缩短了生产周期，保证了生产计划。

通过本研究，可在具有类似装配需求的产品中进行应用。由于端头在精加工后本身需要尺寸测量，将尺寸测量方式更换为三维扫描精测，对端头进行三维扫描生成逆向数模后测量得出本研究中的L1—L8值。如产品尺寸大、精度高，则在逆向数模中将尺寸测量为L1—L12，甚至L1—L36，在不提高成本的前提下可为后续非正常装配工序提供保证。本研究内容具有以下推广价值：

1）产品研制阶段需要更换舱体，可在不重新生产一件端头的前提下装配保证对接位置的台阶符合要求，节约一件端头，同时大幅度降低生产成本、缩短生产周期；

2）在产品的批产阶段，能够使处于不同生产工序的舱体和端头具有互换性和更强的并行生产可行性，使生产计划具有更强的工序协调性；

3）在类似需要保证对接面台阶的装配结构中，引用本研究可大幅度提升生产效率。

4 结论

端头结构前舱是多种类型航天飞行器的重要组成部分，每件端头的生产需要大量成本，在时间就是金钱的大环境下缩短研制周期也是重要目标之一。本研究结合前舱的结构和生产计划，对非常规装配工序中如何保证台阶值符合要求提出了解决方法，通过差值换算法对三维扫描精测数据计算可得到原端头装配中的理论台阶值。使用替代端头装配作为参考进行了装配试验，对超差台阶值对应部分进行了修磨，剥离防护层后测量原端头与舱体对接面台阶值，测量结果合格，验证了方法的有效性。为研制阶段、批产阶段的前舱生产提供了调整生产计划的技术保障，对类似结构的产品装配提供了技术参考。

参考文献