飛機(jī)水平安定面整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配關(guān)鍵技術(shù)研究

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 卜 泳 肖慶東 黃 春 韓 潔

隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，先進(jìn)復(fù)合材料在軍、民用飛機(jī)上的用量不斷擴(kuò)大。目前，復(fù)合材料和鋁、鋼、鈦一起，已發(fā)展成為4大航空結(jié)構(gòu)材料[1]。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的民用客機(jī)市場(chǎng)，越來越突出強(qiáng)調(diào)安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性，這些性能的高要求決定了對(duì)復(fù)合材料需求的迫切性和必然性，復(fù)合材料用量已是飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志[2]?？湛统笮涂蜋C(jī)A380復(fù)合材料用量達(dá)到25%，波音的B787飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到50%左右?？湛蜑閼?yīng)對(duì)B787的挑戰(zhàn)，在研的A350復(fù)合材料用量達(dá)到52%[3]。我國(guó)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上復(fù)合材料的應(yīng)用與國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距，最新研制的ARJ21-700支線客機(jī)復(fù)合材料用量不足2%[4]。為此，某型支線客機(jī)水平安定面采用了與以往不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即結(jié)構(gòu)復(fù)合材料整體化。將原有鋁合金材料的左、中、右3段分體式結(jié)構(gòu)改為整體復(fù)合材料一段式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。一段式整體結(jié)構(gòu)在減少裝配工作量的同時(shí)，也增加了新的問題。整體復(fù)合材料壁板造成無法形成整體骨架，常規(guī)的以骨架為基準(zhǔn)的裝配方法需要重新選擇基準(zhǔn)；整體結(jié)構(gòu)化取消了對(duì)合工序和工藝補(bǔ)償，如何保證水平安定面對(duì)稱度成為難題，同時(shí)整體結(jié)構(gòu)帶來了超乎想象的盲區(qū)制孔，如何保證制孔位置成為難題。為解決上述難題，必須開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，從而迎接水平安定面復(fù)合材料整體化給裝配帶來的巨大挑戰(zhàn)。

圖1 結(jié)構(gòu)變化對(duì)比Fig.1 Comparation of structure change

1 裝配難點(diǎn)分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

水平安定面由整體上下壁板、中央翼盒骨架、前后梁、肋及懸掛接頭等組成，展向長(zhǎng)9880mm，弦向?qū)捈s3751mm，如圖2所示。整體上壁板由復(fù)合材料蒙皮與π型材膠接而成；下壁板由復(fù)合材料蒙皮、π型材及墻腹板共同膠接而成；中央翼盒骨架由前后鋁合金交點(diǎn)接頭、復(fù)合材料側(cè)肋組件及鈦合金上下緣條鉚接而成；前后梁均由復(fù)合材料整體梁與加強(qiáng)筋膠接而成；肋包含1、2、3、4號(hào)肋及封端肋，其中1號(hào)肋和封端肋為鋁合金結(jié)構(gòu)件，2、3、4號(hào)肋為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件；懸掛接頭包含1～5號(hào)懸掛接頭。

圖2 水平安定面工藝分離面劃分Fig.2 Division of horizontal stabilizer process split surface

1.2 裝配難點(diǎn)

（1）整體化造成裝配基準(zhǔn)的變化。

飛機(jī)翼面類部件的裝配主要以骨架為基準(zhǔn)進(jìn)行。但是水平安定面的墻腹板與蒙皮形成整體，無法在裝配過程中形成整體骨架，傳統(tǒng)的以骨架為基準(zhǔn)的裝配思路不能滿足需要。

（2）整體化造成水平安定面對(duì)稱度難以保證。

水平安定面的整體化，取消了外翼與中央翼的對(duì)接分離面，也取消了工藝補(bǔ)償，使水平安定面的左右對(duì)稱度不易保證。

（3）整體化造成大量的盲區(qū)鉆孔容易出現(xiàn)孔位超差。

水平安定面的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成了大量盲區(qū)制孔，主要集中在水平安定面上壁板與前后梁內(nèi)側(cè)緣條連接處，鉆孔時(shí)無法判斷制孔位置的正確性，容易出現(xiàn)超差。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 裝配基準(zhǔn)的選擇

基準(zhǔn)就是確定結(jié)構(gòu)件之間相對(duì)位置的一些點(diǎn)、線、面。保證飛機(jī)部件外形的裝配基準(zhǔn)是指保證飛機(jī)外形準(zhǔn)確度所采用的外形零件的定位基準(zhǔn)，通常保證部件外形準(zhǔn)確度有兩種裝配基準(zhǔn)，即以骨架為基準(zhǔn)和以蒙皮為基準(zhǔn)[5]。水平安定面以復(fù)合材料整體壁板結(jié)構(gòu)為主，常規(guī)盒段中的墻類零件與下壁板形成整體，無法形成整體骨架，所以水平安定面盒段裝配須以蒙皮為基準(zhǔn)。首先通過卡板確保下壁板外形面；再以下壁板內(nèi)形面為基準(zhǔn)裝配骨架；最后通過卡板確保上壁板外形面，從而將工藝補(bǔ)償設(shè)置在骨架與上壁板的貼合位置。

2.2 下壁板組件的精確定位技術(shù)

水平安定面的裝配以蒙皮為基準(zhǔn)，上下壁板的定位決定了水平安定面的裝配精度，上壁板與下壁板為插合關(guān)系，即下壁板的墻腹板插入上壁板的π型材內(nèi)，如圖3所示。而下壁板組件比上壁板更加復(fù)雜，所以需要先定位下壁板組件，再根據(jù)下壁板的位置定位上壁板，故下壁板組件的定位正確與否成為水平安定面成功的關(guān)鍵。

圖3 上下壁板配合關(guān)系Fig.3 Fit relation between upper panel and lower panel

一般裝配定位方法主要有4種，分別為劃線定位法、基準(zhǔn)件定位法、裝配孔定位法和裝配型架定位法[5]。劃線定位法和基準(zhǔn)件定位法需要基準(zhǔn)零件具有很好的剛性，才能保證裝配的精度，但是下壁板組件為水平安定面的最關(guān)鍵零件，也應(yīng)該是最先確定位置的組件，顯然不能采用劃線定位法和基準(zhǔn)定位法；裝配孔定位方法不僅要求基準(zhǔn)孔具有正確的空間位置，而且要求基準(zhǔn)孔具有相對(duì)零件外形的正確位置，這就需要基準(zhǔn)件和被安裝零件按照一定的協(xié)調(diào)路線分別制出初孔，而下壁板組件為復(fù)合材料零件，通過模具成形得到，后續(xù)加工一般通過人工完成，制孔必須制造標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)或數(shù)控加工，勢(shì)必增加了工作量和成本；裝配型架定位方法限制裝配變形或強(qiáng)迫低剛性結(jié)構(gòu)件符合工作，適用于大型零組件和復(fù)雜構(gòu)件的裝配。

綜合以上4種定位方法，下壁板組件裝配采用裝配型架定位方法。裝配型架上需要設(shè)置下壁板組件外緣輪廓和墻腹板軸線限位機(jī)構(gòu)，同時(shí)需要對(duì)蒙皮外形進(jìn)行定位，如圖4所示。

2.3 激光跟蹤儀測(cè)量輔助定位技術(shù)

激光跟蹤測(cè)量技術(shù)發(fā)展較早，從20世紀(jì)90年代以來，逐漸推廣。激光跟蹤儀是一種具有球坐標(biāo)系的大尺寸坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息的采集，將傳統(tǒng)的卡尺、卡板等測(cè)量方式發(fā)展為三維數(shù)字化測(cè)量方式。跟傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，激光跟蹤儀的測(cè)量精度非常高，目前激光跟蹤儀三維空間點(diǎn)位測(cè)量精度可以達(dá)到約5μm/m。另外，激光跟蹤儀移動(dòng)很方便，使用起來十分便捷。鑒于激光跟蹤儀的高精度和便捷性，目前激光跟蹤儀在航空領(lǐng)域使用十分廣泛，已普遍應(yīng)用于飛機(jī)的大部件對(duì)接定位測(cè)量與反饋、自動(dòng)制孔與安裝的定位測(cè)量、工裝的數(shù)字化測(cè)量與校準(zhǔn)、飛機(jī)水平測(cè)量、基于測(cè)量輔助的機(jī)體骨架裝配數(shù)字化定位等數(shù)字化裝配領(lǐng)域。

圖4 下壁板組件定位Fig.4 Locatin of lower panel component

借助激光跟蹤儀，測(cè)量裝配型架上的OTP點(diǎn)，建立飛機(jī)裝配坐標(biāo)系，在飛機(jī)裝配坐標(biāo)系下對(duì)水平安定面主要零件進(jìn)行測(cè)量，判定零件的正確位置，從而實(shí)現(xiàn)輔助定位功能。

（1）下壁板組件輔助定位。

為了進(jìn)一步判斷通過卡板上的刻線定位的下壁板組件位置是否正確，通過激光跟蹤儀采用間隔掃點(diǎn)的方式測(cè)量墻腹板面，再通過SA軟件生成墻腹板平面，與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，判定位置的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)行對(duì)稱度復(fù)驗(yàn)。

（2）前后梁輔助定位。

前后梁翼展方向通過裝配型架設(shè)置的定位件限位，前后方向通過激光跟蹤儀測(cè)量輔助定位，同樣測(cè)量前后梁腹板面，與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，通過人工調(diào)整，將位置調(diào)到正確位置后定位。下壁板組件和前后梁激光跟蹤儀測(cè)量輔助定位如圖5所示。

圖5 激光跟蹤儀測(cè)量輔助定位Fig.5 Laser tracker measurement aided location

2.4 盲區(qū)精確協(xié)調(diào)鉆孔技術(shù)

水平安定面的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了大量盲區(qū)制孔，進(jìn)行制孔時(shí)無法預(yù)先判定是否滿足邊距的要求，由于骨架裝配過程中誤差的累積，不能按照理論數(shù)模的孔位在型架上設(shè)置鉆模板確定孔位，很容易出現(xiàn)邊距不足的情況，造成緊固件無法安裝。盲孔區(qū)主要為水平安定面上壁板與前后梁內(nèi)側(cè)緣條的連接孔，如圖6所示。

圖6 盲區(qū)鉆孔位置Fig.6 Position of hole in blind zone

為此，通過根據(jù)骨架零件的具體位置制作鉆孔樣板的方法確定正確的孔位，首先在骨架零件上劃線確定連接孔位置，再根據(jù)孔位置制作樣板，并根據(jù)可見特征標(biāo)記出樣板實(shí)際位置，鉆孔時(shí)再將樣板復(fù)位來確定孔位。樣板需要由透明、易彎曲材料制作，保證與骨架和壁板的貼合及易于觀察。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究，順利完成了某型支線客機(jī)整體復(fù)合材料水平安定面的裝配，氣動(dòng)外形、緊固件安裝及裝配質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，順利通過驗(yàn)收；

（2）水平安定面順利通過了后期的靜強(qiáng)度試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求，可為飛機(jī)定型生產(chǎn)提供技術(shù)支持；

（3）新結(jié)構(gòu)對(duì)裝配的影響：

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化型架結(jié)構(gòu)：整體結(jié)構(gòu)大大減少型架定位件數(shù)量；減少型架數(shù)量：常規(guī)至少3個(gè)，目前1個(gè)；減少裝配工序：無需中央翼與左右外翼的對(duì)接；減少制孔數(shù)量：整體結(jié)構(gòu)大量減少緊固件數(shù)量；降低成本，縮短裝配周期。

缺點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)尺寸大精度不易保證，裝配難度大；無對(duì)接，無工藝補(bǔ)償，對(duì)稱度不易保證；二次膠接造成變形，定位困難。

（4）建議批生產(chǎn)采用臥式裝配方式，方便整體壁板的上下架及合攏。目前，下壁板通過外圍螺旋壓緊器壓緊，中間位置處于自由狀態(tài)，容易發(fā)生夾持不到位，建議卡板中間開槽，通過真空手段實(shí)現(xiàn)夾持，消除中間位置與卡板之間的間隙。

[1] 馮軍.復(fù)合材料技術(shù)在當(dāng)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用. 航空制造技術(shù), 2009(22):40-42.

[2] 張佐光.飛機(jī)結(jié)構(gòu)用先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展. 第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上）.北京:中國(guó)宇航學(xué)會(huì), 2006.

[3] 張鵬宇.復(fù)合材料在民用產(chǎn)品上應(yīng)用淺析. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè), 2012(21):99-102.

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[5] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè) -飛機(jī)裝配.北京:航空工業(yè)出版社, 1993.