CN104384270B - 一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡卷弹簧缠绕成型结构，本发明通过设计合理的缠绕成型工装以及缠绕成型方法，保证整个成型过程中涡簧精度及零件表面光洁度；通过整个缠绕成型工装的使用，使得用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡卷弹簧达到理想的精度与成品率。

Description

一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构

技术领域

本发明涉及一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，属于空间飞行器高精度制造领域。

背景技术

弹簧是工业产品的三大基础元件之一，用途十分广泛。随着我国航天事业的持续发展，航天领域的不断扩展，未来航天器型号种类和数量将大幅度增加，所需弹簧的要求也越来越高。作为卫星用特种弹簧，平面涡卷弹簧均为成组使用，力学性能要求高，扭矩与变形关系十分严格。卷簧则是弹簧制造过程中最重要的一道工序，它不但直接决定着弹簧的几何精度，而且还关系到弹簧的特性以及弹簧材料的利用率，是提升弹簧质量的关键一步。

作为卫星用的平面涡卷弹簧，材料多采用TB2钛合金，属于亚稳定β型高强钛合金，其屈强比高，因而成形比较困难，而且弹性模量比较高，所以它的回弹量不易控制。

目前普遍采用的涡簧成型技术为无工装，手动矫形的方法保证零件的精度，此种方法人为干预较多，容易造成零件表面划伤，且无工装配合生产，无法保证零件的成品率，往往成品率低于30％，造成极大的材料浪费，经济效益低。

因此，就需要引入一种能够精确制作平面涡卷弹簧的装置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，实现了卷绕成形和定型热处理的多功能性，满足了该类钛合金平面涡卷弹簧的各项几何指标。

本发明的技术解决方案：

一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，包括：涡簧缠绕和涡簧压紧；其中涡簧缠绕又包括缠绕定型模、定位块、压紧块、压盖；涡簧压紧又包括送条压紧块、垫块、上压板、下压板；

缠绕定型模为一侧有半圆形凹陷的圆台，安装于加工车床的夹头上，圆台顶部中心突起芯轴，芯轴为中间开有通槽，芯轴整体依据阿基米德螺旋线成型，芯轴表面开有通孔用于固定制作涡簧的钛条和铜条；

定位块为长方体结构，上边面开有放置压紧块的梯形凹槽，定位块为长方体结构安装于缠绕定型模一侧凹陷的圆台上；

压紧块为梯形结构，尺寸小于定位块的梯形凹槽，压紧块的钝角顶角与定位块梯形凹槽的钝角相吻合；压紧块与定位块之间有一定的间隙用于保证钛条和铜条进入缠绕定型模；

压盖压紧于缠绕定型模上；

送条压紧块为长方体结构，上下开有两个长方体方通孔；上方通孔用于将铜条送入涡簧缠绕结构；下方通孔用于安装垫块、上压板、下压板，使得钛条能够进入涡簧缠绕结构；

垫块为宽度和长度与送条压紧块下方通孔相同的长方体结构，垫块安装于送条压紧块下方通孔的上表面，垫块的下表面开有与钛条宽度相同的凹槽；

上压板为宽度和长度与送条压紧块下方孔相同的长方体结构，上压板的下表面开有凹槽；

下压板为宽度和长度与送条压紧块下方孔相同的长方体结构，下压板安装于送条压紧块下方孔的下表面，下压板的上表面开有与上压板相同的凹槽，下压板的凹槽与上压板凹槽的凸台相啮合。

所述垫块采用聚酰亚胺材料。

所述上压板采用不锈钢结构、所述下压板采用聚酰亚胺材料。

所述芯轴的形状依据阿基米德螺旋线成型，通过该芯轴形状，保证缠绕后零件未阿基米德螺旋线；芯轴通槽内表面上有与钛条相对应的刻度，通过一侧的螺钉定位，保证涡簧相应尺寸；压紧块和定位块采用楔形定位原理，保证整个压紧过程压紧精度。

本发明与现有技术相比取得的技术效果在于：

(1)本发明通过设计平面涡卷弹簧的工装制作结构，解决了平面涡卷弹簧由于规格尺寸大和钛合金材料硬度强等带来的卷绕成形困难，同时实现了高精度平面涡卷弹簧加工，效率大大提高，节省了成本。

(2)本发明实现卷绕成形和定型热处理的多功能工装设计，填补了国内外的空白。

(3)本发明的送条压紧块采用上下方孔使得钛条和铜条分别进入涡簧缠绕，使得铜条不能够对钛条造成划伤，有效解决产品表面划伤问题，提升产品成品率。

附图说明

图1为本发明涡卷弹簧成形缠绕装置示意图；

图2为本发明涡卷弹簧成形缠绕装置实物示意图；

图3为本本发明涡卷弹簧成形缠绕装置俯视示意图

图4为本发明定位块结构示意图；

图5为本发明压紧块结构示意图；

图6为本发明涡卷弹簧成形压紧装置示意图；

图7为本发明垫块结构示意图；

图8为本发明上压板结构示意图；

图9为本发明下压板结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明：

如图1所示，一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构包括：涡簧缠绕和涡簧压紧。

如图1、2、3所示，涡簧缠绕又包括缠绕定型模1、定位块2、压紧块3、压盖4。

缠绕定型模

如图1所示，缠绕定型模1为一侧有半圆形凹陷的圆台，安装于加工车床的夹头上，圆台顶部中心突起芯轴，芯轴为中间开有通槽，芯轴整体依据阿基米德螺旋线成型，芯轴表面开有通孔用于固定制作涡簧的钛条和铜条；芯轴的形状依据阿基米德螺旋线成型，通过该芯轴形状，保证缠绕后零件未阿基米德螺旋线；芯轴通槽内表面上有与钛条相对应的刻度，通过一侧的螺钉定位，保证涡簧相应尺寸；压紧块和定位块采用楔形定位原理，保证整个压紧过程压紧精度。

定位块

如图4所示，定位块2为长方体结构，上表面开有放置压紧块3的梯形凹槽，定位块2为长方体结构安装于缠绕定型模1一侧凹陷的圆台上。

压紧块

如图5所示，压紧块3为梯形结构，尺寸小于定位块2的梯形凹槽，压紧块的钝角顶角与定位块2梯形凹槽的钝角相吻合；压紧块3与定位块2之间有一定的间隙用于保证钛条和铜条进入缠绕定型模1。

压盖4压紧于缠绕定型模1上。

如图6所示，涡簧压紧又包括送条压紧块5、垫块6、上压板7、下压板8。

送条压紧块

如图6所示，送条压紧块5为长方体结构，上下开有两个长方体方通孔；上方通孔用于将铜条送入涡簧缠绕结构；下方通孔用于安装垫块6、上压板7、下压板8，使得钛条能够进入涡簧缠绕结构。

垫块

如图7所示，垫块6为宽度和长度与送条压紧块5下方通孔相同的长方体结构，垫块6安装于送条压紧块5下方通孔的上表面，垫块6的下表面开有与钛条宽度相同的凹槽；垫块6采用聚酰亚胺材料。

上压板

如图8所示，上压板7为宽度和长度与送条压紧块5下方孔相同的长方体结构，上压板7的下表面开有凹槽；上压板7采用不锈钢结构、所述下压板8采用聚酰亚胺材料。

下压板

如图9所示，下压板8为宽度和长度与送条压紧块5下方孔相同的长方体结构，下压板8安装于送条压紧块5下方孔的下表面，下压板8的上表面开有与上压板7相同的凹槽，下压板8的凹槽与上压板7凹槽的凸台相啮合。

下面通过利用本发明的装置进行平面涡卷弹簧的制作，对本发明装置的工作原理和工作过程做进一步的解释和说明：

1.成型准备

备齐预成型所用模胎(包括缠绕模和压盖)和压边夹具，并依次用丙酮，酒精擦拭干净。将钛板条和紫铜条，并依次用丙酮，酒精擦拭，去除不洁物，晾干。

2.成型过程

步骤1：把压边夹具安装于车床刀架上，把涡簧压紧装于车床夹头上，调整刀架位置，使钛板条水平从涡簧压紧内通过，减小压板摩擦力，防止摩擦力过大出现划伤；

步骤2：通过涡簧压紧把钛条和紫铜条正确装入涡簧缠绕的中心芯轴中，芯轴内槽可以贴小片特富隆以利于后期拆卸；

步骤3：手动转动车床夹头，保证零件预成型内R4圆角，要求紫铜条与钛条、缠绕模完全贴合，调整紧固螺钉(此时钛条端头与缠绕模内相应刻线应对齐，保证零件相应尺寸)；

步骤4：缠绕圆角时若发现钛条初始段端头未与芯轴内相应的刻线对齐，应立即停止缠绕，并切除然后再重新缠绕；

步骤5：保证此圆角成形后圆角两端钛条垂直，若发现在宽度方向上R4圆角不与钛条长度方向相垂直，将此段切除后重新缠绕，保证零件长度符合要求；

步骤6：要求R4圆角与后续的螺旋线平滑过渡，不能产生突变，操作时要求钛条、铜条、胎具紧密贴合，中间不能有缝隙，防止成形突变产生；

步骤7：预成形平面涡卷弹簧，转速均匀且控制在10r/min左右；

步骤8：从涡簧缠绕上卸下预成型件，拆卸过程不能用力过大，拆卸时尽可能接触紫铜条，不得损伤钛条。工具表面可以粘贴特富隆以免伤到零件；

本发明中缠绕前务必用干净纱布再将钛条及铜条进行擦拭，确认用手感觉不到零件表面存在硬质点；同时缠绕过程中要时刻注意钛条表面是否出现了划痕，若发现则立即停止缠绕；

利用本发明制作的平面涡簧的指标如表1所示：

以嫦娥系列样品钻取采样装置中的重要零部件铰链机构的主要组成部分，平面涡卷弹簧的制作材料选择TB2，此材料的σb＝1000MPa，σp＝0.8σb，E＝110000MPa，[σ]＝[0.5-0.6]σb，由于展开机构要求展开100度，在此给出承受转矩T＝4.517Nm的相应的变形角ψ为400度，即预转角度为300度，展开角度为100度，平面涡卷弹簧的设计参数如表所示。

表1平面涡卷弹簧几何指标

参数	平面涡卷弹簧
		材料	TB2
抗拉强度σb	1000MPa
		材料弹性模量	110000MPa
变形角	400度
		预转角	300度
外半径	46.7mm

内半径	14.4mm
		圈间距	5mm
宽度	15mm
		厚度	1.8mm
长度	1237.4mm
		圈数	6.5

如表1所示，现有技术很难完成零件的批生产任务，成品率不超过30％，为解决嫦娥系列平面涡卷弹簧由于规格尺寸大和钛合金材料硬度强等带来的卷绕成形困难，有效解决产品表面划伤问题，提升产品成品率，本工装及成型方法很好地完成了平面涡卷弹簧的批生产任务，提高了产品的成品率，成品率达到90％以上。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，其特征在于包括：涡簧缠绕和涡簧压紧；其中涡簧缠绕又包括缠绕定型模(1)、定位块(2)、压紧块(3)、压盖(4)；涡簧压紧又包括送条压紧块(5)、垫块(6)、上压板(7)、下压板(8)；

缠绕定型模(1)为一侧有半圆形凹陷的圆台，安装于加工车床的夹头上，圆台顶部中心突起芯轴，芯轴为中间开有通槽，芯轴整体依据阿基米德螺旋线成型，芯轴表面开有通孔用于固定制作涡簧的钛条和铜条；

定位块(2)为长方体结构，上边面开有放置压紧块(3)的梯形凹槽，定位块(2)为长方体结构安装于缠绕定型模(1)一侧凹陷的圆台上；

压紧块(3)为梯形结构，尺寸小于定位块(2)的梯形凹槽，压紧块的钝角顶角与定位块(2)梯形凹槽的钝角相吻合；压紧块(3)与定位块(2)之间有一定的间隙用于保证钛条和铜条进入缠绕定型模(1)；

压盖(4)压紧于缠绕定型模(1)上；

送条压紧块(5)为长方体结构，上下开有两个长方体方通孔；上方通孔用于将铜条送入涡簧缠绕结构；下方通孔用于安装垫块(6)、上压板(7)、下压板(8)，使得钛条能够进入涡簧缠绕结构；

垫块(6)为宽度和长度与送条压紧块(5)下方通孔相同的长方体结构，垫块(6)安装于送条压紧块(5)下方通孔的上表面，垫块(6)的下表面开有与钛条宽度相同的凹槽；

上压板(7)为宽度和长度与送条压紧块(5)下方孔相同的长方体结构，上压板(7)的下表面开有凹槽；

下压板(8)为宽度和长度与送条压紧块(5)下方孔相同的长方体结构，下压板(8)安装于送条压紧块(5)下方孔的下表面，下压板(8)的上表面开有与上压板(7)相同的凹槽，下压板(8)的凹槽与上压板(7)凹槽的凸台相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，其特征在于：所述垫块(6)采用聚酰亚胺材料。

3.根据权利要求1所述的一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，其特征在于：所述上压板(7)采用不锈钢结构、所述下压板(8)采用聚酰亚胺材料。

4.根据权利要求1所述的一种应用于卫星太阳翼的钛合金高精度涡簧卷绕成型结构，其特征在于：所述芯轴的形状依据阿基米德螺旋线成型，通过该芯轴形状，保证缠绕后零件为阿基米德螺旋线；芯轴通槽内表面上有与钛条相对应的刻度，通过一侧的螺钉定位，保证涡簧相应尺寸；压紧块和定位块采用楔形定位原理，保证整个压紧过程压紧精度。