CN115647745A - 一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法 - Google Patents

Abstract

一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法，在子舱体结构坯件状态下，在焊缝区域和舱体接口加工出满足工艺要求的加工工艺设计特征余量，在子舱体的其余部分加工出符合尺寸要求的连续网格筋结构特征，再将多个子舱体结构进行电子束焊接构成舱体结构，最后对整舱焊缝区域和舱体接口进行全特征整体加工。本发明的加工方法将舱体结构整体加工工序分解为多个子舱体结构状态并行整体加工，提高了舱体结构整体加工效率、减少了单点设备占用率，保证了连续网格筋密封舱体结构整体加工后的尺寸精度，实用性强，易实现。

Description

一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法，应用于大尺寸连续网格筋密封舱体整体加工，以保证密封舱体网格蒙皮厚度、网格筋宽度和舱体接口精度。

背景技术

为了满足探测外地星球和建设、维护近地轨道空间站等更高需求，在结构轻量化、结构承载比、安全和可重复利用等性能方面，对飞船的密封舱结构提出了更高的需求。

目前一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构采用整体加工，此密封舱体结构包络尺寸约为Φ4000mm×2500mm，舱体蒙皮最小厚度为1.5mm±0.1mm，舱体上下端密封面平面度0.15mm、平行度0.2mm，舱体连接孔位置度Φ0.2mm。与传统壁板-端框焊接舱体结构的先平板网格加工后成形再焊接的制造模式不同，此密封舱体结构采用铝合金厚板直接成形多个(≥2)子舱体结构坯件后进行电子束焊接，形成密封舱结构坯件，再进行全特征整体加工的制造模式，如图1～2所示。此制造模式可实现密封舱体结构焊缝区域的整舱贯通网格筋连续设计，大幅度提高密封舱承载性能。同时在满足承载性能要求前提下，可将焊缝区域的蒙皮厚度进行减薄设计，实现密封舱结构轻量化制造。此种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工过程中存在以下问题：

(1)子舱体结构坯件成形内应力大、且焊后形成的舱体结构整体加工刚度差，整体加工过程中变形较大，不易实现高精度制造；

(2)舱体结构坯件整体加工材料去除率高、整体加工周期长、单点设备占用率高，不易实现高效制造。

发明内容

本发明提出了一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法，解决了舱体结构整体加工精度不易保证的技术问题。

本发明提出一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法，包括：

步骤1、车加工子舱体结构坯件得到子舱体结构的内、外型面；

步骤2、铣加工子舱体结构的外型面形成外型面网格腔，外型面网格腔由纵、横排布的网格筋形成，子舱体外型面、网格筋厚度和网格腔底部蒙皮厚度保留指定的加工余量；对子舱体结构的上、下端开口所要焊接的舱体焊缝区域表面进行加工形成指定的工艺设计特征作为环焊缝区域；

步骤3、对子舱体结构进行去应力热处理；

步骤4、对子舱体结构的上、下端开口进行刚性支撑，对子舱体结构内型面进行车加工至指定尺寸；

步骤5、对子舱体结构的内型面进行柔性支撑，对舱体结构的上下端开口进行刚性支撑，加工子舱体结构外型面及网格腔得到符合要求的网格蒙皮；

步骤6、对子舱体结构的环焊缝区域内的内、外型面进行车加工至指定尺寸；其中，在环焊缝区域对应的内型面加工出斜坡平台余量区；

步骤7、首先对子舱体结构进行清洗并进行焊接前的装配，保证子舱体装配的误差，然后对子舱体结构的上、下端开口与其他子舱体结构的对应端口通过电子束焊接形成舱体结构，车加工去除舱体结构环焊缝区域内型面的斜坡平台余量区；

步骤8、对子舱体结构的内型面进行刚性支撑，对环焊缝区域的余量特征进行加工得到与子舱体结构外型面网格腔相同的结构；

步骤9、加工舱体结构的上、下端面得到上、下端密封面及舱体连接孔，使得上、下端密封面达到指定平面度、平行度，舱体连接孔达到指定位置度。

进一步的，步骤9中，所述加工舱体结构的上、下端面得到上、下端密封面及舱体连接孔，具体包括：首先将舱体结构的下端面朝下放置装夹，以下端面为基准，铣制上端至指定平整度；翻转舱体结构，以铣制后的上端为基准，依据舱体结构总高尺寸，加工下端面得到下端密封面，并在下端密封面加工舱体连接孔；翻转舱体，以下端密封面为基准，加工上端面得到上端密封面，并在上端密封面加工舱体连接孔。

进一步的，步骤9中，所述上、下端密封面的平面度为0.15mm、平行度为0.2mm，舱体连接孔指定位置度Φ0.2mm。

进一步的，步骤5中，加工子舱体结构外型面及网格腔得到符合要求的网格蒙皮，具体包括：加工网格蒙皮过程中，对每个网格的4个边角点和1个中心点进行厚度测量，获取该网格的底面蒙皮空间位置和对应蒙皮厚度尺寸偏差范围，若网格内的蒙皮厚度偏差范围不大于指定偏差值，则根据偏差的均值进行刀具轴线方向的补偿加工，加工过程中，刀具轴线与网格底部蒙皮曲面加工点的切平面保持垂直；如果网格的底面蒙皮厚度尺寸偏差范围大于指定偏差值，则根据偏差分布情况对加工坐标系进行适当调整，以满足偏差均值小于指定偏差值，再进行刀具轴线方向的补偿加工。

进一步的，步骤6中，环焊缝区域对应的内型面的斜坡平台余量的厚度为2mm。

进一步的，步骤7中，子舱体装配的象限线偏差不大于0.2mm，子舱体之间的焊口装配间隙小于0.2mm、错边小于0.3mm。

进一步的，所述子舱体结构为圆锥体、圆柱体、锥柱体、球锥体或球柱体。

本发明具有以下优点：

(1)采用一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法，保证了连续网格筋密封舱体结构整体加工后的尺寸精度。

(2)采用子舱体结构并行整体加工方案，将舱体结构整体加工工序分解为多个子舱体结构状态下并行整体加工，提高了舱体结构整体加工效率、减少了单点设备占用率。

(3)本发明可应用于大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工余量特征设计和舱体尺寸精度控制，实用性强、易实现。

附图说明

图1为传统壁板-端框焊接的加强筋不连续密封舱体结构向连续网格筋密封舱体整体结构改进示意图；

图2为子舱体结构坯件间电子束焊后进行全舱体特征整体加工方法示意图；

图3为本发明方法示意图；

图4为本发明环焊缝区域余量特征工艺设计示意图；

图5为本发明网格蒙皮整体加工过程中测量特征位置点；

图6为本发明一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工工艺流程图。

图例：1.传统壁板-端框焊接的加强筋不连续密封舱体结构的焊缝位置示意；2.连续网格筋密封舱体整体结构；3.连续网格筋密封舱体焊缝位置；a.上子舱体结构；b.下子舱体结构；4.上子舱体结构坯件；5.下子舱体结构坯件；6子舱体结构坯件间电子束焊接形成的舱体结构坯件；7.舱体结构坯件整体加工后的密封舱体结构；8.连续网格筋密封舱体结构；9.上子舱体结构环焊缝区域余量特征；10.下子舱体结构环焊缝区域余量特征；11.上下子舱体结构通过电子束焊接形成的舱体结构环焊缝区域余量特征；12.舱体结构上端面；13.舱体结构下端面；14.上子舱体结构环焊缝区域；15.上下子舱体结构之间的环焊缝；16.密封舱体结构内型面设计轮廓；17.下子舱体结构环焊缝区域；18.下子舱体结构上环焊缝区域余量特征的斜坡工艺设计；19.上子舱体结构上环焊缝区域余量特征的斜坡工艺设计；20.舱体结构内型面。

具体实施方式

本发明提出一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法。在子舱体结构坯件状态下，焊缝区域和舱体接口进行余量特征工艺设计和加工(即在产品理论模型基础上，为满足工艺研制要求，增加余量特征)，其余所有特征整体加工到尺寸，再将多个(n≥2)子舱体结构进行电子束焊接，最后对整舱焊缝区域和舱体接口进行全特征整体加工。

一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工流程如下：

(1)子舱体结构坯件基准加工，为后续车加工和铣加工建立基准。

(2)粗车子舱体结构坯件内、外型面，为子舱体结构内、外型面所有特征留加工余量。

(3)粗铣子舱体结构坯件外型面及外型面网格腔，外型面网格腔由纵、横交叉分布的网格筋形成，子舱体外型面、网格筋厚度和网格腔底部蒙皮厚度预留加工余量，对子舱体结构的上、下端开口所要焊接的舱体焊缝区域表面进行粗加工形成指定的工艺设计特征作为环焊缝区域，以便于子舱体结构焊接连接和焊接后对内、外型面进行加工。

(4)对粗铣后的子舱体结构进行热处理，消除或降低坯件内应力和加工应力。

(5)对子舱体结构的上下端开口进行刚性支撑，分多道对子舱体结构内型面进行精车加工内型面至尺寸，保证子舱体结构内型面轮廓度。

(6)对子舱体结构内型面进行柔性支撑，对上、下端开口进行刚性支撑，精铣加工子舱体结构外型面及网格腔，采用基于检测反馈补偿加工的控制方法，保证舱体网格蒙皮厚度尺寸精度，对焊缝区域和舱体接口按余量特征进行铣削，留精车余量。

(7)为保证子舱体结构间的焊接装配精度，对铣削后子舱体结构的环向焊口余量特征进行精车，去除步骤(6)中的精车余量，其中焊缝网格区域对应的内型面设计和加工成斜坡平台余量，保证后续焊后加工后的舱体焊缝区域内型面的台阶面连续平滑。

(8)首先对子舱体结构进行清洗并进行焊接前的装配，保证子舱体装配的误差，然后多个子舱体结构之间对应的上下端开口进行电子束焊接后形成舱体结构8，精车去除舱体结构8焊缝区域内型面的斜坡平台余量特征；

(9)采用钢盘、螺杆球形顶头，对舱体结构环焊缝区域的内型面进行刚性支撑，精铣舱体结构环焊缝区域外型面得到与子舱体结构外型面网格腔相同的网格结构；

(10)加工舱体结构上、下端面舱体连接接口，保证舱体连接接口平面度和位置度。

下面结合图2～图6对本发明实施例做进一步具体说明。

大尺寸连续网格筋密封舱体结构由多个(数量大于等于2)子舱体结构组成。连续网格筋密封舱体结构由上子舱体结构a和下子舱体结构b环向焊接组成。子舱体结构可以为圆锥体、圆柱体、锥柱体、球锥体、球柱体等回转体，内型面为回转光面，外型面上分布着横、纵网格加强筋，网格腔底面为舱体薄蒙皮。

本方法的一种具体实施步骤如下：

(1)子舱体结构a、b坯件4、5基准加工，为车、铣工序建立加工基准，即准确定位理论子舱体结构与子舱体结构坯件之间的余量尺寸，通常确定子舱体结构的端面高度方向和圆周方向的余量尺寸。

(2)粗车子舱体结构a、b内、外型面，所有特征留3mm～5mm加工余量。

(3)粗铣子舱体结构a、b外型面及外型面网格腔，所有特征留3mm～5mm加工余量。焊缝区域和舱体接口进行余量特征9、10、12、13粗铣。

(4)对粗铣后的子舱体结构a、b进行去应力热处理，热处理温度为280℃、保温4h，消除或降低坯件内应力和加工应力。

(5)对子舱体结构a、b的上下端开口进行刚性支撑，分多道精车内型面至尺寸，其中焊口区域余量特征9、10的内、外型面暂不加工。

(6)对子舱体结构a、b内型面采用气囊或发泡胶等进行柔性支撑，对上、下端开口采用立柱、钢盘、螺杆球形顶头进行刚性支撑，精铣外型面及网格。采用以下基于检测反馈补偿加工控制网格蒙皮厚度尺寸：图5中的P1～P5为舱体外型面网格蒙皮精加工前测量区域示意点，网格蒙皮加工过程中对单个网格的4个边角点P1～P4和1个中心点P5进行厚度测量，获取网格内空间位置和厚度偏差范围和平均偏差，若网格内的偏差范围不大于0.15mm(蒙皮厚度尺寸及公差为1.5±0.1mm，理论偏差允许量为0.2mm)，则根据偏差的均值直接进行刀轴方向(加工过程中，刀具轴线与网格底部蒙皮曲面加工点的切平面保持垂直)的补偿加工；如果网格内的偏差范围大于0.15mm，则需要根据偏差分布情况对加工坐标系进行适当调整，以满足偏差均值小于0.15mm，再进行刀轴方向的补偿加工。

(7)为保证子舱体结构间的焊接装配精度，对精铣后子舱体结构的环焊口余量特征9、10的内、外型面进行精车至尺寸，将产品焊缝网格区域对应的内型面20设计成斜坡余量特征18、19(余量2mm)，保证后续焊后加工无台阶非连续面。

(8)焊前清洗子舱体结构a、b后进行焊前装配，保证子舱体结构a、b上的象限线偏差不大于0.2mm，焊口装配间隙小于0.2mm、错边小于0.3mm，装配后进行点焊固定子舱体结构a、b，最后通过电子束焊接后形成舱体结构8。

(9)精车去除舱体结构8焊缝区域内型面余量特征18、19之间的区域，保证与舱体内型面20平滑过渡。

(10)对舱体结构环焊缝区域11的舱内型面采用立柱、钢盘、螺杆球形顶头进行刚性支撑，加工舱体结构环焊缝区域外型面。采用步骤(6)中的基于检测反馈补偿加工控制网格蒙皮厚度尺寸方法，加工环焊缝区域11外型面网格。

(11)加工舱体结构8上、下端密封面12、13及舱体连接孔，保证上、下端密封面12、13平面度0.15mm、平行度0.2mm和舱体连接孔位置度Φ0.2mm，首先舱体结构8下端面13朝下放置装夹，以下端面13为基准，铣上端面12，保证上端面12全部铣出新金属面即可，作为舱体架构8翻转后加工的基准面；翻转舱体结构8，以上端面12为基准面，兼顾舱体结构8总高尺寸，加工下端面13及下端面13舱体连接孔到设计尺寸；翻转舱体，以下端面13为基准，加工上端面12及上端面12舱体连接孔到设计尺寸。

本发明与子舱体结构坯件间电子束焊后再进行全舱体特征整体加工的工艺方法相比，本发明的工艺方法可实现将舱体结构整体加工工序分解为多个子舱体结构状态下并行整体加工，可大幅度提高加工效率，解决了舱体结构整体加工周期长、单点设备占用率高的问题。

Claims (7)

1.一种大尺寸连续网格筋密封舱体结构整体加工方法，其特征在于，包括：

步骤1、车加工子舱体结构坯件(4、5)得到子舱体结构的内、外型面；

步骤2、铣加工子舱体结构的外型面形成外型面网格腔，外型面网格腔由纵、横排布的网格筋形成，子舱体外型面、网格筋厚度和网格腔底部蒙皮厚度保留指定的加工余量；对子舱体结构的上、下端开口所要焊接的舱体焊缝区域表面进行加工形成指定的工艺设计特征作为环焊缝区域(9、10)；

步骤3、对子舱体结构进行去应力热处理；

步骤4、对子舱体结构的上、下端开口进行刚性支撑，对子舱体结构内型面进行车加工至指定尺寸；

步骤5、对子舱体结构的内型面进行柔性支撑，对舱体结构的上下端开口进行刚性支撑，加工子舱体结构外型面及网格腔得到符合要求的网格蒙皮；

步骤6、对子舱体结构的环焊缝区域(9、10)内的内、外型面进行车加工至指定尺寸；其中，在环焊缝区域(9、10)对应的内型面(20)加工出斜坡平台余量区(18、19)；

步骤7、首先对子舱体结构进行清洗并进行焊接前的装配，保证子舱体装配的误差，然后对子舱体结构的上、下端开口与其他子舱体结构的对应端口通过电子束焊接形成舱体结构(8)，车加工去除舱体结构(8)环焊缝区域(9、10)内型面的斜坡平台余量区(18、19)；

步骤8、对子舱体结构的内型面进行刚性支撑，对环焊缝区域(9、10)的余量特征(11)进行加工得到与子舱体结构外型面网格腔相同的结构；

步骤9、加工舱体结构(8)的上、下端面得到上、下端密封面(12、13)及舱体连接孔，使得上、下端密封面(12、13)达到指定平面度、平行度，舱体连接孔达到指定位置度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤9中，所述加工舱体结构(8)的上、下端面得到上、下端密封面(12、13)及舱体连接孔，具体包括：首先将舱体结构(8)的下端面朝下放置装夹，以下端面为基准，铣制上端至指定平整度；翻转舱体结构(8)，以铣制后的上端为基准，依据舱体结构(8)总高尺寸，加工下端面得到下端密封面(13)，并在下端密封面(13)加工舱体连接孔；翻转舱体，以下端密封面(13)为基准，加工上端面得到上端密封面(12)，并在上端密封面(12)加工舱体连接孔。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤9中，所述上、下端密封面(12、13)的平面度为0.15mm、平行度为0.2mm，舱体连接孔指定位置度Φ0.2mm。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中，加工子舱体结构外型面及网格腔得到符合要求的网格蒙皮，具体包括：加工网格蒙皮过程中，对每个网格的4个边角点和1个中心点进行厚度测量，获取该网格的底面蒙皮空间位置和对应蒙皮厚度尺寸偏差范围，若网格内的蒙皮厚度偏差范围不大于指定偏差值，则根据偏差的均值进行刀具轴线方向的补偿加工，加工过程中，刀具轴线与网格底部蒙皮曲面加工点的切平面保持垂直；如果网格的底面蒙皮厚度尺寸偏差范围大于指定偏差值，则根据偏差分布情况对加工坐标系进行适当调整，以满足偏差均值小于指定偏差值，再进行刀具轴线方向的补偿加工。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6中，环焊缝区域(9、10)对应的内型面(20)的斜坡平台余量(18、19)的厚度为2mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7中，子舱体装配的象限线偏差不大于0.2mm，子舱体之间的焊口装配间隙小于0.2mm、错边小于0.3mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子舱体结构为圆锥体、圆柱体、锥柱体、球锥体或球柱体。

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