飛機(jī)機(jī)身壁板的模塊化制造技術(shù)

【摘要】文章在分析飛機(jī)壁板的常規(guī)制造工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機(jī)壁板組合件模塊化裝配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，論述了作為模塊接口的飛機(jī)機(jī)加零件的制造特點(diǎn)、飛機(jī)鈑金件的制造特點(diǎn)以及飛機(jī)機(jī)身壁板零件的模塊化制造特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)；機(jī)身壁板；組合件；模塊化制造

飛機(jī)模塊化制造裝配是飛機(jī)模擬量制造向數(shù)字量制造過渡的一個新平臺，它可以使飛機(jī)的組、部件由協(xié)調(diào)式裝配進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)化裝配，從而使飛機(jī)制造從質(zhì)量、成本、周期三大要素得到較大的改善。 隨著鈦合金、輕金屬基復(fù)合材料等先進(jìn)航空工程材料在飛機(jī)制造過程中應(yīng)用的增多，飛機(jī)制造要消耗大量的資源和能源[1，2]。飛機(jī)壁板等零件的模塊化制造技術(shù)有利于飛機(jī)制造過程中實(shí)現(xiàn)批量大、質(zhì)量高、互換協(xié)調(diào)性好的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到集成化、并行化和產(chǎn)業(yè)化的要求，改善設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)材料利用的高效率，減少能源消耗，節(jié)約資源，提升制造飛機(jī)的質(zhì)量和效益[3]。有利于積極發(fā)揮模塊化制造在飛機(jī)材料節(jié)能降耗中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的綠色生產(chǎn)工藝及管理[4]。

1.飛機(jī)壁板的常規(guī)制造簡述

長期以來，飛機(jī)圖紙從設(shè)計到工裝制造、零件生產(chǎn)、協(xié)調(diào)裝配這一系列環(huán)節(jié)中采用的是傳統(tǒng)的模擬量制造體系，每一環(huán)節(jié)中都很難用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定義產(chǎn)品的形狀、尺寸以及裝配質(zhì)量。采用的制造方法也多為相互聯(lián)系制造或修配制造來達(dá)到以較低的成本換取飛機(jī)裝配的協(xié)調(diào)。壁板蒙皮都是帶有余量裝配，型架（或夾具）就作為飛機(jī)裝配準(zhǔn)確度的單一標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壁板組合件裝配下架后，即使變形或有不協(xié)調(diào)現(xiàn)象也很難說清楚，與其他組部件裝配時根據(jù)對接情況去除余量。要想使產(chǎn)品達(dá)到批量大、質(zhì)量高、互換協(xié)調(diào)性好的諸多要求，就非常困難。近年來，飛機(jī)數(shù)字化裝配步入主流，但要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配，其首要條件就是要做到滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，以及盡可能達(dá)到零、組、部件的互換協(xié)調(diào)。所謂零組部件要達(dá)到互換協(xié)調(diào)，就是對結(jié)構(gòu)零件之間要求的配合準(zhǔn)確程度，組件與組件對接面的相對位置準(zhǔn)確程度、氣動力外形準(zhǔn)確程度、間隙符合設(shè)計要求等。要達(dá)到上述要求，飛機(jī)模塊化制造是一個最好的選擇。飛機(jī)模塊化制造是考慮飛機(jī)產(chǎn)品研制的全生命周期過程中的所有要素，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化的原理，針對系列飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，將飛機(jī)產(chǎn)品分解為一個個具有獨(dú)立特性和接口的邏輯對象。并對其零件的設(shè)計、工藝計劃、工藝裝備和支持文檔進(jìn)行系統(tǒng)性處理的工作。

2.飛機(jī)壁板模塊化裝配技術(shù)

中型以上運(yùn)輸機(jī)的壁板組成主要由蒙皮、長桁、框緣、接頭、角片等鈑金零件組成。由于鈑金零件剛性差、變形大，不能靠制造準(zhǔn)確度達(dá)到裝配準(zhǔn)確度，只能靠裝配型架來彌補(bǔ)這種缺陷的存在。但是依賴于型架達(dá)到裝配準(zhǔn)確度僅限于架上裝配狀態(tài)時的檢驗(yàn)，一旦組合件下架后測量基準(zhǔn)消失，組合件是否變形或變形量有多大難于查證。另外，由于鈑金材料的特殊性，從目前來看要做到鈑金零件完全數(shù)字化制造還有一段距離。只能達(dá)到鈑金零件的部分?jǐn)?shù)字化制造和制造依據(jù)（各種制造工裝）數(shù)字化制造以此提高鈑金零件的加工精度，減少誤差，減少飛機(jī)裝配時的強(qiáng)迫裝配。

如何將壁板裝配成具有互換性要求的組合件，并與其它組件進(jìn)行數(shù)字化裝配，這是模擬量裝配向數(shù)字化裝配過渡時必然要遇到的問題。對于這種情況我們的解決思路是將組合件看成是一個“具有較強(qiáng)剛性的模塊化”結(jié)構(gòu)件，用加工精度高、變形量小的機(jī)加數(shù)控件作為組合件框架支撐件和對接件，使組合件具有較強(qiáng)的剛性和準(zhǔn)確度較高的外形，將鈑金零件的制造誤差控制在組合件框架內(nèi)通過設(shè)計補(bǔ)償和工藝補(bǔ)償?shù)靡韵?，由“軟殼”飛機(jī)的板件式裝配改為飛機(jī)的模塊化裝配。這種裝配結(jié)構(gòu)最核心的問題就是保證模塊化組合件的支撐件和對接件具有準(zhǔn)確的相對位置。一方面裝配夾具作為鈑金零件的裝配定位基準(zhǔn)（外定位）同時起著限制鈑金零件變形的作用，另一方面可以用框架對接件的特征位置作定位基準(zhǔn)（內(nèi)定位）。通過保證支撐件、對接件的裝配公差（位置公差）和控制支撐件對接件的制造公差（尺寸精度、形狀公差）來達(dá)到組合件的互換協(xié)調(diào)。組合件裝配下架后在自然狀態(tài)下通過數(shù)字化測量就可以很容易的檢驗(yàn)出組合件裝配的變形程度和變形位置，并采取相應(yīng)措施減小變形量。

無余量厚蒙皮的裝配定位主要以定位孔為主，而型架定位孔與蒙皮零件上的定位孔其相對位置準(zhǔn)確與否，決定氣動力外形是否準(zhǔn)確。所以在制定裝配方案時，必須有協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)對型架定位孔和蒙皮制造工裝定位孔同時進(jìn)行制造控制?！翱蚓墬l”作為壁板的橫向主要支撐件和裝配件，影響著氣動力外形準(zhǔn)確度和基準(zhǔn)軸線位置準(zhǔn)確度，可以考慮在壁板的前后兩端采用一定數(shù)量的機(jī)加數(shù)控件，這些機(jī)加件采用定位孔與型架定位，由于型架和零件均采用數(shù)控加工，外形和定位孔可以達(dá)到很高的形狀準(zhǔn)確度和孔的相對位置準(zhǔn)確度。同時定位孔或數(shù)控零件的特征位置又可以作為相對于飛機(jī)水平基準(zhǔn)線和對稱軸線的測量基準(zhǔn)或其它零件的定位和測量基準(zhǔn)，還可用于測量組合件下架后的變形狀態(tài)。長桁零件作為飛機(jī)機(jī)身的縱向支撐，具有結(jié)構(gòu)重量輕、縱向曲率小、數(shù)量多、細(xì)而長的特點(diǎn)，很難使用數(shù)控加工，而采用鈑金零件制造。我們可以將壁板上下兩側(cè)的長桁定義為重要件，重點(diǎn)保證其加工質(zhì)量和使用剛性好的材料加工，同時給出兩端的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配控制。

飛機(jī)壁板模塊化裝配最大好處是：（1）壁板組合件下架后，可以用測量數(shù)據(jù)比對分析，比較組合件的變形量和誤差值（量化）。（2）對變形量的分析可以起到對零件的加工過程進(jìn)行有方向性的過程控制。（3）這些測量基準(zhǔn)可以作為部件的基準(zhǔn)元素進(jìn)行組件裝配控制還可以在加工過程中作為關(guān)鍵（或主要）表面進(jìn)行過程制造。（4）對這些基準(zhǔn)測量部位作為技術(shù)要求，使結(jié)構(gòu)設(shè)計給予協(xié)作，為工藝制造提供幫助。

3.作為模塊接口的飛機(jī)機(jī)加零件的制造特點(diǎn)

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)為飛機(jī)骨架零件制造，帶來的是一場革命。如果說鈑金零件剛性差，變形準(zhǔn)確度低，還可以通過最后的裝配得以補(bǔ)償，修正，而機(jī)加零件如果不能靠制造準(zhǔn)確度來達(dá)到裝配準(zhǔn)確度，其零件的誤差只能帶來的是成品誤差。所以說如果沒有飛機(jī)外形數(shù)字模型，沒有零件數(shù)字模型，沒有數(shù)控加工設(shè)備和先進(jìn)的數(shù)字化檢測手段，數(shù)字化裝配則無從談起。數(shù)字化裝配就是利用機(jī)加數(shù)控件的制造準(zhǔn)確度來達(dá)到組合件裝配準(zhǔn)確度并擴(kuò)展到鍛件、部件裝配準(zhǔn)確度。

飛機(jī)壁板模塊化的根本，就是通過數(shù)控機(jī)加件形成的標(biāo)準(zhǔn)化接口來達(dá)到飛機(jī)壁板的互換性裝配。壁板前后兩端框緣和上下兩側(cè)的長桁作為接口零件應(yīng)具有獨(dú)立和標(biāo)準(zhǔn)的鏈接和定位功能，通過保證裝配準(zhǔn)確度上游的數(shù)控結(jié)構(gòu)件的特征位置的準(zhǔn)確度入手，來達(dá)到控制這些位置并得到機(jī)加結(jié)構(gòu)件的加工制造準(zhǔn)確度和裝配準(zhǔn)確度。如果是純數(shù)字量尺寸傳遞的加工，結(jié)構(gòu)件特征位置尺寸和形狀是不難控制的，零件數(shù)模正確、編程正確、數(shù)控加工誤差小，這些結(jié)構(gòu)特征位置上的測量點(diǎn)與型面的相對位置準(zhǔn)確度可以達(dá)到較高的水平，重要的是在數(shù)控加工之前要保證測量點(diǎn)與飛機(jī)設(shè)計基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。長期以來，由于傳統(tǒng)模擬量制造方式的局限性帶來的習(xí)慣，機(jī)加零件加工基準(zhǔn)的確定只限于機(jī)加零件的形狀表面和樣板位置，很少從裝配的角度考慮加工基準(zhǔn)。所以飛機(jī)數(shù)字化制造更多的是一種觀念的改變。而實(shí)質(zhì)上增加控制這些關(guān)鍵部位的準(zhǔn)確度成本是很低的，只需要增加控制管理環(huán)節(jié)和強(qiáng)化技術(shù)人員從保證裝配準(zhǔn)確度的戰(zhàn)略高度的理念來制造零件。

4.飛機(jī)鈑金件的制造特點(diǎn)

鈑金零件是飛機(jī)壁板模塊的內(nèi)部實(shí)體單元零件，雖沒有接口零件那么關(guān)鍵，但就其本身來講，也是形成飛機(jī)壁板的重要零件，其生產(chǎn)質(zhì)量的好壞直接影響到飛機(jī)壁板模塊的質(zhì)量。鈑金零件數(shù)字化的制造較之從前模擬量的制造準(zhǔn)確度有了很大的提高，但由于鈑金零件材料的特殊性（尺寸大，剛性差）要想保證制造準(zhǔn)確度來達(dá)到裝配準(zhǔn)確度，目前來講還是很難做到，但鈑金零件裝配可以依托裝配工裝和準(zhǔn)確度較高的機(jī)加件，將誤差在組合件內(nèi)部進(jìn)行消化和補(bǔ)償，產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)較從前也減少了許多，同時提高鈑金零件的制造質(zhì)量還有很大空間。鈑金零件的制造工藝裝備采用數(shù)控編程和數(shù)控加工，其誤差僅為與工裝的符合程度及變形所產(chǎn)生，不足以產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力。只要保證鈑金零件的形狀和配合部位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。就可以保證其裝配質(zhì)量。

5.飛機(jī)機(jī)身壁板模塊化制造總結(jié)

飛機(jī)機(jī)身壁板模塊化制造是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化制造的必經(jīng)之路，其最大的好處在于可以實(shí)現(xiàn)大批量的獨(dú)立并行制造，并可以實(shí)現(xiàn)互換協(xié)調(diào)。飛機(jī)的制造質(zhì)量長期以來都是強(qiáng)調(diào)零、組、部件“協(xié)調(diào)互換”，而不是“互換協(xié)調(diào)”二者的區(qū)別就在于前者更多的強(qiáng)調(diào)協(xié)調(diào)性，而很難達(dá)到零、組、部件的互換性。飛機(jī)機(jī)身壁板模塊化制造就是向零、組、部件實(shí)現(xiàn)互換性向前邁進(jìn)了一大步。而飛機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的前提就是零、組、部件達(dá)到互換性。只有這樣企業(yè)才能降低成本產(chǎn)生更大的利潤空間。