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人民网天宫一号全景报道

“天宫一号”技术攻关纪实:创新技术筑“天宫”

2011年09月30日09:59         手机看新闻分享到

  作为我国首个空间实验室,天宫一号目标飞行器不同于以往的载人飞船,其结构复杂、尺寸大、在轨时间长,因此对舱体结构精度和密封性要求更高。该型号结构的研制生产对中国航天科技集团公司五院529厂乃至整个行业均属于一个大的技术跨越,可供继承和参考的技术很少,工艺设计和生产都要“摸着石头过河”。

  529厂凭借着良好的技术创新能力和顽强的攻关精神,突破了壁板零件高精度加工、壁板精密成形、变极性等离子弧自动焊接和管路产品数字化制造等一系列重要技术难关,圆满完成了研制生产任务。

    攻克难关 实现壁板高精度加工

  作为一种全新的载人航天器,“天宫一号”实验舱采用整体壁板结构,不同于以往的蒙皮加筋结构,保证壁板的加工、成型、焊接等精度,进而保证舱体结构精度及各设备安装接口的位置精度,是产品研制过程中的难点之一。壁板零件尺寸大,零件加工后的厚度差精度要求极高,由于材料去除率大,如果加工过程中不采取控制措施,加工过程中产生的应力必然会造成零件翘曲变形。为此,529厂从装夹技术、高速加工技术、去应力技术等方面展开了关键技术攻关。

  在壁板零件的加工过程中,如果残余应力不能有效控制和消除,就会严重影响到产品加工的精度。普通的机械加工产品在粗精加工之间一般会通过热处理工艺方法消除材料内应力及机械加工应力。但是由于“天宫一号”壁板零件材料尺寸较大,现有热处理设备无法满足要求。为此,技术人员经过多方调研、查找资料和不断试验比较,最终采取了振动时效技术,实现了产品的在线去应力。壁板零件在加工中的变形得到有效控制。

  在零件加工装夹方式方面,常用的多点式固定装夹方式易造成零件局部应力集中,装夹释放后引起零件变形,而且在加工过程中要多次调整工装位置,费时费力,产品整体的精度也难以保证。为了保证壁板加工大面积有效装夹和尺寸精度,技术人员与操作人员共同探讨,设计了柔性装夹工装,实现了对壁板零件加工的大面积有效装夹,零件加工过程中整体均匀受力,一次装夹即可完成全部加工操作,有效保证了零件的加工精度,而且大幅度提高了加工速度。

  巧妙改进 确保壁板精密成形

  壁板零件通过成形才能够达到规定的舱体结构轮廓要求,如何使壁板成形后满足精度要求和密封要求,又成为摆在529厂技术人员面前的一道难题。

  由于壁板被铣成了网格状,大量的材料都要被切除,材料的利用率不到10%,而且厚度不均匀,采用传统的成型技术很容易造成壁板开裂。529厂的技术人员经过工艺攻关,多次试验验证后,最终确定了合适的工艺路线,有效解决了壁板成形过程中的诸多问题。

  然而,对于具有大型法兰的整体壁板结构零件,法兰周围的过渡区域壁板极易断裂,这个问题困扰了529厂长达一年的时间。当时厂里的经费十分紧张,而壁板工艺试验价值不菲,为了节约成本,技术人员经常彻夜开会讨论,算数据、画图、修改工艺,直到确实找不出毛病了,才做实验进行验证。每次实验时,主管的厂领导和技术、生产部门的领导就身临现场观摩研讨,寻找问题、提建议。经过深思熟虑,果断决定放弃原工艺方案,创新性地提了新的成形工艺方法。经过实验,这种新的工艺方法彻底解决了零件厚度突变无法成形的工艺难题。

    大胆创新 推进VPPA技术工程化 

  天宫一号目标飞行器实验舱主结构为整体壁板焊接结构,为了解决现有焊接方法存在焊接缺陷多、合格率低、变形大、精度低等问题,529厂进行了充分的调研和论证,将变极性等离子弧焊接工艺(VPPA)在航天正样产品上首次应用。该技术专门为铝合金焊接而开发,具有焊接质量好、焊缝窄、变形小等优点,被称为“零缺陷焊接”。

  但由于该技术操作难度极大,529厂变压力和风险为动力,进行了充分的方案论证和工艺攻关研究。为了摸索参数,工艺人员和操作人员做了大量工艺试验。曾经为摸索一个重要参数,工艺人员和操作人员连续十几天通宵作战,实在困了就睡在焊机的边上,经过近1个月的“魔鬼式”攻关终于找到了最优参数。最终,529厂掌握了VPPA技术工程化应用的关键技术,突破了壁板结构的纵缝和环缝自动焊接技术。

  工艺夹具的设计也是保证焊接质量和控制变形的重要环节,“天宫一号”结构尺寸大,形式多,且VPPA对工装的可适应性要求很高。为满足各种结构形式的VPPA焊接,技术人员设计了多套大型柔性自动焊接工装,且形成了一系列VPPA工装设计规范,使“天宫一号”从零部件到舱段再到舱体都全面应用了VPPA技术。

  最终,VPPA焊接技术通过了工艺鉴定,并实现了“天宫一号”初样和正样的工程化应用,焊接质量得到显著提升,焊缝一次合格率近100%,大大提高了载人密封舱的焊接水平。

  缩短周期 突破管路装配新技术

  管路是星船的“血管”,是星船的推进剂、气体、液体流动的载体,管路制造容不得半点差错。“天宫一号”管路系统庞大而复杂,导管组件分支多、接口关系多、焊点数量多,而制造精度和质量要求比以往任何型号都高。以往的管路成形和装配都是设备安装完成后进行器上操作,不但成形精度低,而且占用航天器总装“主线”周期。然而“天宫一号”整器的研制进度要求极其紧张,采用以往的做法则远远不能够满足要求。

  为提高生产效率,529厂与载人航天总体部紧密合作,采用数字化手段,优化研制流程,制定了管路数字化成形和装配研制技术方案。其中数据转化是一项工作量巨大且繁杂的工作,加之是新技术的第一次尝试,工艺人员顶住压力超常工作,每天都加班到深夜,连续奋战了两个多月,成功实现了管路系统三维模型的数据化处理。

  在组装阶段,操作人员又遇到了麻烦。将二维平面的图纸和数据变成三维空间的管路,需要很强的空间想象力,技术人员必须在车间跟产指导,而且“天宫一号”要求精度很高,每次装配完都需要人工再三调校,这样不但占用了大量人员、场地、设备,而且劳动强度大,装配周期长。为此工艺人员对整个工作流程逐点细化、量化和标准化,添加辅助数据,设计辅助工具,操作人员的读图难度和劳动强度大大降低了,生产效率和产品精度大大提高。

  通过大量的工艺试验对研制方案分别进行验证,技术人员先后突破了导管CAD\CAM一体化成形技术、管接头三维坐标转换技术、管接头五自由度组夹装配技术、管接头跟踪检测技术等关键技术。这些技术的突破标志着管路产品脱离型号舱体仪器设备实物进行独立研制已经成为现实。管路系统的生产过程从“主线”任务中脱离出来,为“天宫一号”的“主线”生产节省了宝贵时间。
(责任编辑:李丹(实习))

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