大部件對(duì)接裝配容差分析

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王 姮 李光麗

裝配容差包括容差分析與容差綜合兩大部分。容差分析通過(guò)選用合適的方法對(duì)包含零件誤差與裝配容差的產(chǎn)品裝配模型進(jìn)行分析，檢驗(yàn)容差設(shè)計(jì)的合理性。目前，容差分析方法主要是統(tǒng)計(jì)容差分析方法和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法等。如Skowronski于1997年提出的蒙特卡羅模擬方法，Bjorke和Shui-Shun Lin等提出的基于β分布的容差分析模型等，Leo Joskowicz等提出一種基于構(gòu)型空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)容差分析方法，探索了面向裝配和其他功能要求的容差設(shè)計(jì)；Jeffrey G.Dabling研究了集成幾何變動(dòng)的三維裝配體運(yùn)動(dòng)學(xué)容差分析方法，Elisha Sack和Min-Ho Kyung等針對(duì)具有高運(yùn)動(dòng)副的平面機(jī)械系統(tǒng)提出了參數(shù)化運(yùn)動(dòng)學(xué)容差分析算法、非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)容差分析算法。這些容差分析方法沒(méi)有考慮在裝配過(guò)程中零部件的變形對(duì)最終裝配精度的影響，因此一般只適用于剛性體，對(duì)于柔性件裝配的容差分析并不適用。大部件柔性裝配需要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）機(jī)身對(duì)接過(guò)程要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。對(duì)接自動(dòng)化包括測(cè)量和定位器的驅(qū)動(dòng)。對(duì)接要求快速、準(zhǔn)確、安全。

（2）要求考慮自動(dòng)制孔。對(duì)接面是重要受力部位，自動(dòng)制孔能提高制孔質(zhì)量；另外，由于對(duì)接面孔的數(shù)量很多，緊固件規(guī)格比較統(tǒng)一，自動(dòng)制孔能極大地提高裝配效率，提升對(duì)接面的制孔精度，從而保證對(duì)接區(qū)的結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度。

（3）協(xié)調(diào)要求。機(jī)身對(duì)接除了需要完成機(jī)身前后段蒙皮的對(duì)接外，還有前后段地板的連接（如地板縱梁），以及前后段長(zhǎng)桁的連接。需要重點(diǎn)保證機(jī)身蒙皮的階差和對(duì)縫間隙的公差、地板滑軌對(duì)接精度、長(zhǎng)桁的對(duì)接精度、梁的對(duì)接精度以及龍骨梁的安裝精度等。

（4）容差要求。機(jī)身結(jié)構(gòu)大部件對(duì)接主要完成機(jī)身五段的自動(dòng)對(duì)接，即機(jī)頭與前機(jī)身對(duì)接、前機(jī)身與中機(jī)身對(duì)接、中機(jī)身與中后機(jī)身對(duì)接、中后機(jī)身與后機(jī)身對(duì)接。隨著對(duì)飛機(jī)性能要求的提高，對(duì)機(jī)身各段對(duì)接階差與對(duì)接間隙等裝配精度的要求也越來(lái)越高。

1 制造工藝容差分配

在確定公差（容差）時(shí)，盡可能選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（如《公差與配合》、《形狀和位置公差》等）和航空工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)所推薦的公差（容差），但我國(guó)航空工業(yè)部的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)公差標(biāo)準(zhǔn)目前尚不完善，僅有《一般公差》、《飛機(jī)氣動(dòng)力外緣公差》、《飛機(jī)水平測(cè)量公差》等。

1.1 裝配公差要求

制造工藝容差分配，不僅要在給定的結(jié)構(gòu)和工藝條件下合理分配有關(guān)基本的工藝容差，保證產(chǎn)品所要求的質(zhì)量，而且可根據(jù)生產(chǎn)條件檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝路線設(shè)計(jì)的合理性。

在分析制造、協(xié)調(diào)過(guò)程中由于溫度變化和變形將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，從而對(duì)對(duì)接裝配產(chǎn)生影響，例如某型機(jī)機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接時(shí)，機(jī)身裝配時(shí)和機(jī)翼裝配時(shí)有溫度差，該機(jī)的機(jī)翼前接頭孔中有帶凸緣的可換襯套，凸緣的厚度留余量，可用最后精加工其端面或更換襯套的方法來(lái)補(bǔ)償溫度協(xié)調(diào)誤差，并允許在前接頭配合面之間加厚度不超過(guò)0.2mm的墊片。

在各種情況下，對(duì)大尺寸的協(xié)調(diào)，熱膨脹對(duì)尺寸協(xié)調(diào)的影響一般是嚴(yán)重的。因此，用圍框式接頭對(duì)接的大型飛機(jī)部件，對(duì)接孔的公稱直徑尺寸一般比連接螺栓的公稱直徑尺寸大0.2～0.8mm。用叉耳接頭對(duì)接的小型飛機(jī)主要部件，對(duì)接孔和連接螺栓的直徑采用無(wú)公稱間隙的H8/f7/H8（或H9/f7/H9）配合，一般允許進(jìn)行有限制的強(qiáng)迫對(duì)接。即使如此，還要同時(shí)進(jìn)行溫差控制，才能保證協(xié)調(diào)。機(jī)械加工工序的工藝容差如表1所示[1]。

表1 機(jī)械加工工序的工藝容差

1.2 裝配公差綜合與分析

裝配公差綜合與分析，建立在飛機(jī)裝配模型的基礎(chǔ)上，以控制飛機(jī)最后裝配形位精度為目標(biāo)，通過(guò)人機(jī)交互確定裝配公差封閉環(huán)后，通過(guò)約束圖求解，可確定裝配公差的組成環(huán)，并生成尺寸鏈，提取尺寸及公差信息。在此基礎(chǔ)上，用最優(yōu)化方法對(duì)裝配尺寸公差進(jìn)行綜合與分析，使裝配公差能合理地分配，以便提高其裝配性能，從而降低裝配成本。

此外，還可以通過(guò)一些方法減少誤差積累，增加裝配精度：

（1）增加“補(bǔ)償環(huán)”設(shè)計(jì)。在裝配性能分析中考慮到可能產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)，在每一個(gè)環(huán)節(jié)提出誤差補(bǔ)償方法，盡可能減少誤差積累。

（2）在裝配中盡可能統(tǒng)一狀態(tài)控制和測(cè)量的方法。由于不同的控制和測(cè)量方法引起的誤差形式和誤差大小不同，設(shè)計(jì)中應(yīng)該進(jìn)行考慮和協(xié)調(diào)，使公差產(chǎn)生和消除的形式簡(jiǎn)單而統(tǒng)一。

2 飛機(jī)制造的準(zhǔn)確度要求

飛機(jī)機(jī)體制造準(zhǔn)確度的技術(shù)要求一般包括:部件氣動(dòng)力外形準(zhǔn)確度要求、部件相對(duì)位置的準(zhǔn)確度要求、部件內(nèi)部組合件和零件位置的準(zhǔn)確度要求、零件或裝配件間的配合準(zhǔn)確度要求等。

2.1 部件氣動(dòng)力外形準(zhǔn)確度要求

部件表面的實(shí)際外形相對(duì)于理論外形存在著誤差，對(duì)機(jī)身類部件，大型飛機(jī)與小型飛機(jī)的氣動(dòng)外緣型公差要求如表2所示[2]。

表2 氣動(dòng)外緣型值公差mm

2.2 部件內(nèi)部組合件和零件位置的準(zhǔn)確度要求

在飛機(jī)部件裝配中，大梁軸線、翼肋軸線、隔框軸線、長(zhǎng)桁軸線等的實(shí)際裝配位置相對(duì)于理論軸線位置均有一定的準(zhǔn)確度要求。它們的位置準(zhǔn)確度不僅對(duì)部件外形、接頭位置和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有影響，而且對(duì)裝配協(xié)調(diào)常常有明顯的直接影響。因此，一般規(guī)定梁軸線位置誤差和直線度誤差不超過(guò)±0.5～±1.0mm，普通肋軸線的位置誤差和肋的平面度誤差不超過(guò)±1～±2mm，長(zhǎng)桁位置誤差不超過(guò)±2mm等。

2.3 零件或裝配件間的配合準(zhǔn)確度要求

機(jī)身大部件對(duì)接通常采用圍框式對(duì)接接頭，它的技術(shù)要求如下：

（1）孔與螺栓的配合，為了補(bǔ)償溫差影響和裝配變形，常采用帶公稱間隙的間隙配合。孔和螺栓直徑的精度一般為IT9～I(xiàn)T13級(jí)。公稱間隙0.2～0.8mm，視結(jié)合面尺寸大小等因素而定。也有不給定公稱間隙的，采用H9/f7～f9的配合，主要用于外廓尺寸較小，接頭受力嚴(yán)重的部位。

（2）對(duì)接面之間的間隙。對(duì)于裝配后不進(jìn)行對(duì)接面精加工的情況，允許在對(duì)接時(shí)于對(duì)接面之間的間隙中加一定厚度的斜墊片。對(duì)于裝配后進(jìn)行精加工的對(duì)接面，允許局部存在0.1～0.2mm的間隙。

零件和構(gòu)件上的螺栓孔應(yīng)保證一定的垂直度，對(duì)IT7～I(xiàn)T8級(jí)精度的螺栓孔，其垂直度不超出0.06/25～60、0.08/60～160、0.12/160～400；對(duì) IT9～I(xiàn)T11 級(jí)精度的螺栓 孔，其 垂 直 度 應(yīng) 不 超 出 0.10/25～60、0.16/60～160、0.25/160～400；對(duì)IT12～I(xiàn)T14級(jí)精度的螺栓孔，其垂直度不超出 0.16/25～60、0.25/60～160、0.40/160～400。

為了保證鉚裝件的連接質(zhì)量，鉚釘孔的垂直度國(guó)外也有規(guī)定。如普通實(shí)心鉚釘?shù)尼斂状怪倍裙顬椤?°（相當(dāng)于5.2/100）；無(wú)頭鉚釘及干涉配合的鉚釘，其釘孔垂直度公差為±0.5°（相當(dāng)于 0.87/100）[3]。

3 影響準(zhǔn)確度的因素

以下主要分析制造、協(xié)調(diào)過(guò)程中由于溫度變化和變形產(chǎn)生的兩類系統(tǒng)誤差及其對(duì)準(zhǔn)確度的影響。

3.1 由溫度變化產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差

表3 幾種材料和空氣的物理性質(zhì)

某大型飛機(jī)大部件制造裝配中，在廠房車間溫度變化大的情況下，由于產(chǎn)品、工裝和設(shè)備的材料不同，其熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和比重等均不同如表3所示[4]，各有關(guān)部分的吸熱、傳熱、散熱性和熱容量差別也很大。這樣，所產(chǎn)生的尺寸變化量不同，從而產(chǎn)生部件對(duì)接協(xié)調(diào)問(wèn)題、工件與工藝裝備之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題、工藝裝備之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題以及同一工藝裝備上構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。同時(shí)，由于地溫與室溫變化的差別也會(huì)產(chǎn)生設(shè)備和工藝裝備的變形等。所以裝配廠房應(yīng)控制溫度的變化，溫度變化梯度不能過(guò)大。

3.2 制造過(guò)程中產(chǎn)生的變形

在制造過(guò)程和協(xié)調(diào)路線中的工件和工藝裝備，由于種種原因總會(huì)伴隨產(chǎn)生一定的不希望有的變形。當(dāng)變形比較顯著時(shí)，會(huì)影響裝配協(xié)調(diào)和裝配質(zhì)量，應(yīng)該予以重視，對(duì)它們進(jìn)行必要的控制。變形主要包括工藝裝備的變形、零件制造過(guò)程中的變形、裝配變形和殘余應(yīng)力。

4 飛機(jī)制造中外形工藝容差分配方法的特點(diǎn)

在飛機(jī)制造中，無(wú)論飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外形制造誤差或外形協(xié)調(diào)誤差，都將產(chǎn)生誤差累積。對(duì)某高速飛機(jī)，進(jìn)行外形工藝容差分配，如表4所示。

表4 高速飛機(jī)外形工藝容差分配表

5 問(wèn)題與建議

目前，國(guó)內(nèi)的飛機(jī)制造處于數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)和模擬量傳遞協(xié)調(diào)的混合狀態(tài)，全數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)體系和規(guī)范的建立正處于起步階段。數(shù)字量傳遞、協(xié)調(diào)方法的引入，有效地縮短了某些飛機(jī)零部件的尺寸傳遞路線、減少了專用工裝、降低了制造成本、提高了飛機(jī)制造準(zhǔn)確度和效率。我國(guó)飛機(jī)制造業(yè)雖然已經(jīng)大規(guī)模采用數(shù)字化制造技術(shù)，但是相對(duì)于波音、空客等國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，我們的數(shù)字化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

美國(guó)和西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家的飛機(jī)制造公司在具體的型號(hào)研制中，已經(jīng)形成了一套行之有效的數(shù)字量傳遞協(xié)調(diào)方法，但由于技術(shù)封鎖和體系差異等因素，我國(guó)各主機(jī)廠還只能通過(guò)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)過(guò)程中外商對(duì)于產(chǎn)品加工及裝配的特定要求，間接地了解數(shù)字量尺寸傳遞的具體實(shí)現(xiàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)。盡管各主機(jī)廠所借鑒相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，在型號(hào)的研制中開(kāi)展了局部的試驗(yàn)和探索，但依然缺乏對(duì)飛機(jī)數(shù)字量尺寸傳遞、協(xié)調(diào)與容差分配技術(shù)的系統(tǒng)性研究。

容差設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)部門(mén)和制造部門(mén)之間起著不可缺少的橋梁作用，所以容差的合理選擇、分配與優(yōu)化是相當(dāng)關(guān)鍵的，它控制著產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)成本。

國(guó)內(nèi)外圍繞容差分配所做的大量研究，還主要集中在零件裝配容差的表示、分析與綜合上，即只是面向設(shè)計(jì)層面的容差分配，還沒(méi)有見(jiàn)到有研究將整個(gè)容差方案同尺寸傳遞與協(xié)調(diào)路線結(jié)合起來(lái)。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)制造裝配過(guò)程的真正支持，還需要在協(xié)調(diào)路線中的容差分配方面進(jìn)行深入的研究。

[1] 程寶蕖.飛機(jī)制造協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度與容差分配. 北京:航空工業(yè)出版社, 1987.

[2] 王海宇.飛機(jī)裝配工藝學(xué). 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[3] 程寶蕖,崔贊斌,等.飛機(jī)制造互換協(xié)調(diào)技術(shù). 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1990.

[4] 范玉青. 現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.