CN113953639A - 一种多段薄壁壳体整体涨紧工装 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多段薄壁壳体整体涨紧工装，包括心轴、调节杆和涨紧机构，心轴沿轴向安装n套涨紧机构，分别对应n个环焊缝位置；每套涨紧机构包括涨瓣、卡盘主体、导向块、齿轮和齿盘，卡盘主体中心开孔，心轴穿过卡盘主体内孔并与卡盘主体固连；卡盘主体周向均布若干径向导向槽，导向槽内安装导向块，导向块一端固连涨瓣，另一端与齿盘啮合；齿盘为渐开线齿轮，同轴安装在心轴上，与大齿轮固连，大齿轮与调节杆顶端的小齿轮啮合，通过转动调节杆带动齿盘，驱动涨瓣扩张或收缩。本发明能够实现多段薄壁壳体焊接一次装配焊接，从而提高焊接效率和装配精度，保证多段薄壁零件焊接装配质量及产品焊后焊缝质量。

Description

一种多段薄壁壳体整体涨紧工装

技术领域

本发明属于薄壁壳体装配技术范畴，涉及一种薄壁壳体涨紧工装。

背景技术

燃烧室壳体是固体火箭发动机动力系统结构的重要组成部件，在机械加工、旋压工序加工能力受限无法达到减少壳体所属零件数量时，燃烧室壳体常采用多段连接件与旋压筒体焊接的方式加工而成，这种分段式的结构设计，有利于燃烧室实现有限直径内的大长径比、大装药的目的，而薄壁燃烧室壳体焊接时，为了有效减小焊接变形，通常采用真空电子束焊接方法组焊。

如图1所示为某薄壁发动机燃烧室壳体，由5节零件采用平口对接，通过电子束焊接方法焊接而成。目前，该壳体采用3套电子束焊接工装，经3次装配，进3次真空室焊接而成。现有焊接工艺流程见图2。所使用的3套电子束焊接工装结构均如图3所示，该工装结构形式在中国发明专利CN203509330U“一种薄壁对接环缝真空电子束焊接工装”中已经公开，该工装的涨套中涨瓣为散瓣，采用弹簧套箍在顶锥上，依靠压紧帽推动顶锥轴向运动，将顶锥的轴向运动转化为涨套的径向运动，扩大涨套圆周涨紧壳体内壁。现有工装的涨紧机构只适用于靠近壳体两端端面的环焊缝装配及拆卸，不适用于位于壳体中间部位的环焊缝装配及拆卸，因此，无法将5节零件一次装配到位。现有壳体装配焊接效率低，焊接工艺繁琐，同时，多次装配影响产品装配形状位置精度，进一步影响壳体整体焊接质量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多段薄壁壳体整体涨紧工装，实现多段薄壁壳体焊接一次装配焊接，从而提高焊接效率和装配精度，保证多段薄壁零件焊接装配质量及产品焊后焊缝质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多段薄壁壳体整体涨紧工装，包括心轴、调节杆和涨紧机构。

所述的心轴沿轴向安装n套涨紧机构，分别对应n个环焊缝位置；每套涨紧机构包括涨瓣、卡盘主体、导向块、齿轮和齿盘；所述的卡盘主体中心开孔，心轴穿过卡盘主体内孔并与卡盘主体固连；卡盘主体周向均布若干个径向的导向槽，导向槽内安装导向块，导向块一端固连涨瓣，另一端与齿盘啮合；所述的齿盘为渐开线齿轮，同轴安装在心轴上，与大齿轮固连，大齿轮与调节杆顶端的小齿轮啮合，通过转动调节杆带动齿盘，驱动涨瓣扩张或收缩。

所述的心轴两头铣扁，两端面各有1个中心孔，两端一夹一顶装夹在设备上，由设备主轴带动旋转。

所述的卡盘主体中心开孔，内型面加工键槽，心轴穿过卡盘主体内孔，通过平键连接心轴与卡盘主体，保证卡盘主体在心轴上不发生相对转动。

所述的调节杆共n根，每根调节杆穿过涨紧机构中的卡盘主体，其一端铣扁，通过2个c型卡箍固连一个涨紧机构的小直齿圆柱齿轮，另一端为六方结构。

所述的大齿轮和小齿轮均采用直齿圆柱齿轮。

所述的涨紧机构还包括压紧组件，压紧组件中心开孔，心轴穿过开孔；压紧组件与齿盘分别安装在大齿轮两侧，且压紧组件通过螺钉与卡盘主体连接，确保齿盘与导向块啮合。

所述的涨瓣外缘沿周向开槽，槽内安装有紫铜材料的衬垫，用于提高焊接时的导热性能。

所述的心轴两端分别设置有一个压紧机构，所述的压紧机构包括螺母和端盖，所述的端盖为台阶柱，朝向心轴两端的外径大于朝向心轴中部的外径，且大直径段外径大于壳体内径，小直径端外径小于壳体内径；所述螺母与心轴螺纹连接，将端盖压紧在壳体两端；至少一个压紧机构还包括弹簧，所述的弹簧压缩在端盖和螺母之间。

本发明的有益效果是：

1)适用范围广

本工装适用范围广，可根据不同零件尺寸改变工装零件尺寸，改变涨紧机构数量，满足多条对接环形焊缝装配需要，还可应用于热处理领域的壳体校形。

2)生产效率大幅提高

改进装配方法，采用整体涨紧工装，一次将多段薄壁零件装配到位，减少了装配次数，原有装配工装一天装配焊接2件薄壁壳体，采用本整体装配工装一天装配焊接6件薄壁壳体，焊接生产效率提升2倍。

3)焊缝装配精度提高

一次整体装配对比多次装配，提高了焊缝装配形状位置精度，壳体整体形状位置精度得以提高。

4)能耗降低

若采用电子束焊接方法，一次整体装配焊接，能减少真空电子束焊机抽真空次数，降低了电子束焊接设备能耗。

附图说明

图1为某薄壁发动机燃烧室壳体示意图；

图2为现有焊接工艺流程图；

图3为现有壳体焊接工装示意图；

图4为整体装配焊接工装示意图；

图5为整体装配工装的心轴示意图；

图6为整体装配工装的涨紧机构示意图；

图7为整体装配工装涨紧机构的剖视图示意图；

图8为整体装配工装涨紧机构中的卡盘主体示意图；

图9为整体装配工装涨紧机构中的压紧组件示意图；

图10为整体装配工装涨紧机构中的单个涨瓣示意图；

图11为整体装配工装涨紧机构中的单个衬垫示意图；

图12为整体装配工装涨紧机构中的单个导向块示意图；

图13为整体装配工装涨紧机构中的调节杆示意图；

图14为整体装配工装涨紧机构中的小直齿圆柱齿轮示意图；

图15为整体装配工装涨紧机构中的大直齿圆柱齿轮示意图；

图16为整体装配工装涨紧机构中的齿盘示意图；

图17为整体装配工装压紧机构中的左端压紧机构示意图；

图18为整体装配工装压紧机构中的右端压紧机构示意图；

图19为整体涨紧工装示意图；

图20为装配实物示意图；

图中，a-压紧帽，b-弹簧，c-顶锥，d-涨套，e-弹簧，1-心轴，2-单个涨瓣，3-单个衬垫，4-单个导向块，5-卡盘主体，6-大直齿圆柱齿轮，7-压紧组件，8-齿盘，9-小直齿圆柱齿轮，10-调节杆，11-左端压紧机构，12-右端压紧机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种多段薄壁壳体整体涨紧工装，适用于多段薄壁零件焊接装配及热处理壳体校形。本工装包括心轴、调节杆、涨紧机构、压紧机构，其特征在于：

a)心轴

依据环焊缝位置在心轴上开有n个键槽，用以安装n套涨紧机构中的卡盘主体；心轴两头铣扁，两端面各有1个中心孔，零件装配好后将心轴两端一夹一顶装夹在设备上，由设备主轴带动旋转，进行焊接。

b)调节杆

调节杆共n根，调节杆穿过涨紧机构中卡盘主体，其头部一端铣扁，通过2个c型卡箍固定安装有小直齿圆柱齿轮，另一端穿过左端盖或右端盖，尾部为六方结构。

c)涨紧机构

涨紧机构共n套，在心轴上按对接缝轴向距离固定安装在心轴上。每套涨紧机构由涨套、卡盘主体、导向块、小直齿圆柱齿轮、大直齿圆柱齿轮、压紧组件、齿盘、定位销、螺钉组成。

1)卡盘主体中心开孔，内型面加工键槽，心轴穿过卡盘主体内孔，通过平键连接心轴与卡盘主体，保证卡盘主体在心轴上不发生相对转动。

2)小直齿圆柱齿轮内型面加工平台，与调节杆铣扁相配合，通过2个c型卡箍固定在调节杆端部。

3)压紧组件中心开孔，心轴穿过，通过圆周4个螺钉将压紧组件与卡盘主体连接，压紧组件端面靠紧大直齿圆柱齿轮端面，大直齿圆柱齿轮另一端面与齿盘通过圆周3个定位销连接，大齿轮圆周转动，带动齿盘圆周转动。

4)卡盘主体周向均分6个导向槽，导向槽内安装导向块，导向块一端通过1个定位销和2个螺钉与每块涨瓣连接，另一端矩形齿与齿盘矩形齿相啮合。

5)涨套包括涨瓣与衬垫，圆周均分6块，对应涨瓣和衬垫通过2个定位销与2个螺钉连接，衬垫选用紫铜材料。

d)压紧机构

压紧机构包括左、右两端压紧机构，左端压紧机构由螺母、弹簧压板、弹簧、垫片、左端盖构成，右端压紧机构由螺母、垫片、右端盖构成。

工装工作原理：通过尾部调节旋转调节杆，使小直齿圆柱齿轮转动，通过齿轮传动方式，带动大直齿圆柱齿轮转动，大直齿圆柱齿轮侧面的齿盘平面矩形齿与六个导向块上的矩形齿相啮合，带动六个导向块在卡盘主体导向槽内同时靠近中心或远离中心，从而起到对涨瓣外圆进行同步扩张和收缩，装配时扩张涨瓣，实现对接缝内孔定位，焊后收缩涨瓣，方便拆卸壳体。

以某发动机燃烧室壳体焊接为例，该壳体的焊接部位壁厚1.5mm，为薄壁燃烧室壳体，由3节连接件、2节筒体共5节零件通过电子束焊接方法组焊而成。

a、尺寸要求

为了满足对接缝装配错位高度不大于0.15mm的要求，依据旋压筒体外径尺寸配车连接件外径尺寸，旋压筒体外径尺寸φa mm，连接件外径尺寸则为φ(a±0.05)mm。

b、装配过程

因壳体有4条对接缝，故采用的本发明整体涨紧工装中涨套机构共4套，工装结构见图19，一次装配燃烧室壳体，装配实物见图20。

装配过程如下：

1)将整套工装左端抬起，将左端盖、垫片、弹簧、弹簧压板和左端螺母从心轴上取出来，其余工装零件仍保留在心轴上。

2)用套筒扭力扳手转动4根调节杆，将4个涨紧机构的涨瓣外圈直径调到最小。

3)将整套工装左端抬起，按照产品结构顺序依次将连接件3、筒体2、连接件2、筒体1、连接件1套进工装，将连接件3靠端面内孔定位安装在右端盖上。

4)用套筒扭力扳手转动4根调节杆，将4套涨紧机构的涨瓣外圈直径调大到内撑住零件内孔，不要涨紧，方便周向旋转零件调节对接缝整圈错位高度。

5)依次将左端盖、垫片、弹簧、弹簧压板和螺母套到心轴上，将连接件1靠端面内孔定位安装在左端盖上。

6)周向旋转旋压筒体，调整对接缝错位高度，用套筒扭力扳手转动4根调节杆，依次将对接缝涨紧，保证对接缝装配错位不大于0.15mm。

7)拧紧左端螺母，保证零件对接缝对接间隙不大于0.05mm。

c、装配质量

4条对接缝装配错位高度及间隙见表1，满足工艺装配要求。

表1对接缝装配质量

d、焊接过程

预先由对接缝1向对接缝4方向，依次填缝定位焊4条对接缝，然后依此方向逐条焊接4条焊缝，完成整发燃烧室壳体的焊接。

e、焊缝焊接质量

1)外观质量

焊后4条焊缝错位高度见表2，满足焊后焊缝错位高度不大于0.30mm的设计要求，其余焊缝外观质量均满足GJB 1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级焊缝要求。

表2焊缝错位高度

产品编号	焊缝1	焊缝2	焊缝3	焊缝4
					2101	0.15	0.22	0.20	0.16
2102	0.17	0.21	0.20	0.16
					2103	0.18	0.25	0.23	0.17

2)内部质量

4条焊缝按GJB 1187A-2001《射线检验》要求进行探伤，经X射线探伤合格，4条焊缝内部质量均满足GJB 1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级焊缝要求。

Claims (8)

1.一种多段薄壁壳体整体涨紧工装，包括心轴、调节杆和涨紧机构，其特征在于，所述的心轴沿轴向安装n套涨紧机构，分别对应n个环焊缝位置；每套涨紧机构包括涨瓣、卡盘主体、导向块、齿轮和齿盘；所述的卡盘主体中心开孔，心轴穿过卡盘主体内孔并与卡盘主体固连；卡盘主体周向均布若干个径向的导向槽，导向槽内安装导向块，导向块一端固连涨瓣，另一端与齿盘啮合；所述的齿盘为渐开线齿轮，同轴安装在心轴上，与大齿轮固连，大齿轮与调节杆顶端的小齿轮啮合，通过转动调节杆带动齿盘，驱动涨瓣扩张或收缩。

2.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的心轴两头铣扁，两端面各有1个中心孔，两端一夹一顶装夹在设备上，由设备主轴带动旋转。

3.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的卡盘主体中心开孔，内型面加工键槽，心轴穿过卡盘主体内孔，通过平键连接心轴与卡盘主体，保证卡盘主体在心轴上不发生相对转动。

4.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的调节杆共n根，每根调节杆穿过涨紧机构中的卡盘主体，其一端铣扁，通过2个c型卡箍固连一个涨紧机构的小直齿圆柱齿轮，另一端为六方结构。

5.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的大齿轮和小齿轮均采用直齿圆柱齿轮。

6.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的涨紧机构还包括压紧组件，压紧组件中心开孔，心轴穿过开孔；压紧组件与齿盘分别安装在大齿轮两侧，且压紧组件通过螺钉与卡盘主体连接，确保齿盘与导向块啮合。

7.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的涨瓣外缘沿周向开槽，槽内安装有紫铜材料的衬垫，用于提高焊接时的导热性能。

8.根据权利要求1所述的多段薄壁壳体整体涨紧工装，其特征在于，所述的心轴两端分别设置有一个压紧机构，所述的压紧机构包括螺母和端盖，所述的端盖为台阶柱，朝向心轴两端的外径大于朝向心轴中部的外径，且大直径段外径大于壳体内径，小直径端外径小于壳体内径；所述螺母与心轴螺纹连接，将端盖压紧在壳体两端；至少一个压紧机构还包括弹簧，所述的弹簧压缩在端盖和螺母之间。

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