一种用于锥形结构内表面柔性材料铺敷的辅助装置设计

2018-12-11王爽王小黎刘晓东刘敬慧

军民两用技术与产品 2018年21期

王爽王小黎刘晓东刘敬慧

（1.航天材料及工艺研究所，北京 100076；2.空军驻中国运载火箭技术研究院军事代表办公室，北京 100076）

1 引言

科学技术不断发展，对产品的功能化要求越来越高，这些功能一般可以通过在产品设计时直接引入或者后期加载的方式实现。对于现有的成熟产品，从技术风险、成本等方面加以考虑，通常采用后期加载的方式来实现，其中比较常见的方式为在产品表面贴敷各种功能性材料。而采用手工方式直接在产品表面加载薄膜、织物等柔性材料时，易出现鼓包、皱褶、位置滑移等现象，尤其在异形结构内表面，难以实现平整铺敷。本文以锥形结构为例，设计了一种使薄膜、织物等多层柔性材料平整铺敷于锥形结构内表面的辅助装置，确保将多层材料平整铺敷于锥形结构内表面指定位置，而且相对位置不发生滑移。

2 总体思路

多层柔性材料铺敷于锥形结构内表面的总体思路是：（1）根据待铺敷锥形结构内表面的尺寸，制作锥形支撑结构；（2）将各层材料依次铺敷在支撑结构外表面，铺敷位置与锥形结构内表面指定位置相匹配；（3）调节支撑结构和待贴敷锥形结构的相对位置，使两者轴线重合；（4）沿着轴线，将铺有多层材料的支撑结构整体推入锥形结构中，直至将多层材料置于锥形结构内表面的指定位置；（5）实现多层材料与支撑结构的分离，取出支撑结构。

为了实现将多层柔性材料平整地铺敷于锥形结构内表面的指定位置，并且材料各层间不发生位置滑移，设计了由支撑系统、匹配系统和铺层辅助系统这3部分组成的辅助装置。考虑到现有加工工艺的局限性，锥角会在一定范围内波动，而锥角的微小变化就会对展开尺寸造成较大影响，尤其是对于母线较大的锥形结构，会造成锥形支撑结构的适应性差，甚至一件产品对应一特定工装，这极大地增加了生产成本，降低了生产效率。为了增加装置的适应性，支撑系统采用可收缩的伞架结构设计，锥角可根据锥形结构的尺寸变化进行调节。同时将各层材料整体放置于锥形结构内表面指定位置后，通过骨架的收紧，实现材料与支撑系统的分离，以便于整个支撑系统的取出。铺层辅助系统的环形卡箍设计，确保了各层材料铺覆于支撑系统表面后，各层材料位置不发生相对滑移。而匹配系统不断调节锥体结构和支撑系统的相对位置，直至两者轴线重合，从而实现两者位置的匹配。

3 工装设计

3.1 支撑系统

支撑系统为伞状可收缩支架结构，由锥形壳、中心轴和大端调节装置这3部分组成，如图1所示。其中锥形壳采用尼龙材质，由多片扇片和骨架构成，通过骨架的支撑作用，各扇片展开后形成锥形外壳，要求尺寸与待铺敷锥形结构内表面相匹配。中心轴采用可伸缩的双层套管结构，外层套管为中空结构，壁厚为3~5mm，管壁上有沟槽，活动螺套上的定位块可以在沟槽中移动；内层套管同样采用中空结构，可根据需要在外层套管中进行自由伸缩，以调节中心轴的长短。大端调节装置包括末端套管、活动支架、调节螺母、顶紧螺母、快拆螺母、活动螺套、固定螺套和活动轴等8个部分，可通过各部分间的协同作用，实现对支撑系统的开合和锥角的调节。大端调节装置为整个支撑系统的核心，下面介绍其结构特点和作用机理。

3.1.1 大端调节装置的结构特点

大端调节装置可近似看做是套于中心轴上的多层套管结构，其结构如图2所示，末端套管和固定螺套套于中心轴表面，活动螺套套于固定螺套表面，活动支架、调节螺母和顶紧螺母均套于活动螺套表面，具有以下结构特点。

（1）末端套管套于中心轴末端并且固定于中心轴上，套管中间设有纵向卡口，当支撑系统锥角收缩至最小尺寸时，用于快拆螺母的卡紧固定。

（2）固定螺套为直径不同的两节套管，分为细管和粗管，细管和粗管间固定连接，均套于并且固定于中心轴表面，除中心轴所在区域外，固定螺套均采用实体结构。细管末端采用螺纹结构，当活动螺套在细管上移动到极限位置时，粗管末端可顶住活动螺套的活动端，而快拆螺母的活动端可与细管末端螺纹咬合固定。

（3）活动螺套带有外螺纹，套于固定螺套的细套管表面。活动螺套的一端嵌有定位块，能够在中心轴表面沟槽中进行移动，活动螺套的另一端与快拆螺母固定连接，在活动螺套与快拆螺母连接处，活动螺套表面存在凸块。

（4）快拆螺母的一端与活动螺套连接，当支撑系统收紧为最小尺寸时，快拆螺母的另一端通过末端套管上的卡口进行固定。同时快拆螺母与活动螺套接触一侧存在螺纹，当快拆螺母推动活动螺套到达极限位置后，能够与固定螺套细管末端的螺纹咬合固定。

（5）活动支架包括套管和多根支撑棒。支撑棒一端沿套管一周环形均匀分布并与套管固定连接，支撑棒的另一端与活动轴活动连接。套管套于活动螺套表面，能够沿着活动螺套的表面移动，当套管在活动螺套表面移动时，带动支撑棒的另一端在活动轴上移动，使得支撑系统的锥角发生变化。

（6）活动轴为中空圆柱，固定在锥形壳的骨架上，活动支架的支撑棒一端穿过活动轴，可通过支撑棒在活动轴上的移动来实现支撑系统的锥角调节，并且锥角可调节的幅度取决于活动轴的长度。

（7）调节螺母和顶紧螺母均带有内螺纹，皆套于活动螺套表面，能够在活动螺套表面移动。

3.1.2 大端调节装置的作用机理

当推动快拆螺母沿着活动轴向支撑系统小端移动时，活动螺套末端的表面凸块依次推动活动螺套、顶紧螺母、调节螺母和活动支架的套管，沿着固定螺套向支撑系统小端移动，进而导致活动支架的支撑棒在活动轴上挪动，使支撑系统的锥角逐渐增大，实现支撑系统锥角的粗调。当活动螺套的活动端顶到固定螺套的粗套管末端时，利用固定螺套将快拆螺母锁紧，支撑系统联动被撑开至最小尺寸。

当支撑系统被撑开到最小尺寸后，可利用调节螺母在活动螺套上移动，推动活动支架的套管在活动螺套上移动，进而导致活动支架的支撑棒在活动轴上挪动，实现支撑系统锥角的微调。当将支撑系统的锥角调整到与待铺层锥体锥角一致时，利用顶紧螺母顶紧调节螺母，实现锥角的固定。

3.2 铺层辅助系统

铺层辅助装置包括底托和环形卡箍，如图3所示。环形卡箍的尺寸根据支撑系统及贴覆区域位置进行设计，环形卡箍的直径分别取贴覆区域小端向下10mm、大端向上10mm及中间位置尺寸，每间隔100mm设置1个卡箍，每个环形卡箍均预留1个5cm左右的缺口，用于使用胶黏剂等对铺层进行黏结，环形卡箍采用塑料材质，本身存在一定弹性。在进行材料铺层时，将支撑系统插入底托结构中，然后按要求依次在支撑系统表面铺覆各层材料，每铺覆一层捋平后，用环形卡箍卡住上、中、下3个部位，在缺口部位利用胶来黏结，确保各层材料位置不滑移。

3.3 匹配系统

匹配系统包括操作平台、锥体托架、移动托架和校正支架4个部分，如图4所示。将待铺敷锥形结构和支撑系统分别放在锥体托架和移动托架中，通过调节锥体结构摆放姿势和支撑系统在移动托架上的位置，使两者轴线重合，实现两者的位置匹配。

操作平台表面设置双导轨，其中一根为平轨，另一根为V形槽轨，确保移动托架和锥体托架在操作平台表面平稳移动。锥体托架尺寸根据锥形结构的外表面进行设计，为了避免待铺层锥体结构发生磕碰，内衬采用泡沫垫块。

移动托架的下置滚轮与操作平台上的双导轨相匹配，能够在操作平台表面导轨上平稳移动；移动托架上带有支架卡锁，支架卡锁包括纵向和横向卡锁，如图5所示。该支架卡锁用于固定支撑系统中的中心轴，首先将支撑系统横卧卡入纵向卡锁，然后通过横向卡锁锁死，可以使中心轴稳定地横置于移动托架上，不发生左右晃动。

校正支架为一可伸缩测高杆，可自由拆卸，当需要对锥体托架的中心轴进行校正时，校正支架安装于操作平台表面锥体托架左侧，当需要对支撑系统的中心轴进行校正时，校正支架安装于操作平台表面移动托架右侧中心轴线上。通过校正支架，来调节安装在移动托架上的支撑系统和放置于锥体托架中锥体结构的中心轴距操作平台表面高度，直至两者轴线重合，实现两者的位置匹配。

为了解决将特种多层材料铺敷在锥形结构内表面产生的皱褶、滑移等问题，本文设计了一种使柔性多层材料平整铺覆于锥形结构内表面的辅助装置。支撑系统的伞架结构可收缩结构设计，增加了装置的适应性；环形卡箍的设计，确保各层材料不发生相对位置的滑移；匹配系统的调节作用，使锥体结构和支撑系统轴线重合，从而实现两者的位置匹配。