關(guān)于飛機(jī)空間異面桁架類焊接件制造技術(shù)的研究

李曉寧，肖望東，王　聲，黃　蓉，張大均

(中航飛機(jī)股份有限公司 漢中飛機(jī)分公司 工程技術(shù)部，陜西 漢中 723213)

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關(guān)于飛機(jī)空間異面桁架類焊接件制造技術(shù)的研究

李曉寧，肖望東，王聲，黃蓉，張大均

(中航飛機(jī)股份有限公司 漢中飛機(jī)分公司 工程技術(shù)部，陜西 漢中 723213)

以某型機(jī)小翼掛架為例，研究了一種典型的空間異面桁架類焊接件制造方法與途徑。通過對某型機(jī)小翼掛架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的描述，詳細(xì)介紹了某型機(jī)小翼掛架的工藝方法、工裝設(shè)計(jì)思路，以及如何利用逆向測量技術(shù)解決研制過程中的難點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)某型機(jī)小翼掛架的交付與裝配。它的成功研制為空間異面類桁架結(jié)構(gòu)焊組件的制造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對空間異面桁架類焊接件的研制具有借鑒與指導(dǎo)意義。

掛架；交點(diǎn)；焊接；變形；逆向測量；夾具

根據(jù)軍方需求，對某系統(tǒng)進(jìn)行摸底和驗(yàn)證，在滿足戰(zhàn)技指標(biāo)和確保飛機(jī)安全的前提下，為盡量減少改裝設(shè)計(jì)工作量，設(shè)計(jì)人員以某型機(jī)為平臺，在機(jī)翼14-15肋左、右兩側(cè)對稱位置布置2個(gè)模擬小翼。模擬小翼與機(jī)翼之間通過掛架進(jìn)行連接，掛架與模擬小翼通過4個(gè)插耳連接，掛架為雙插耳，小翼自帶單插耳。4個(gè)對接交點(diǎn)(上交點(diǎn))位于雙曲度的機(jī)翼下壁板上，掛架自身成空間異面分布，因此，對掛架組合制造準(zhǔn)確度的要求很高，這對于焊接件來說是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

1　小翼掛架簡介

某型機(jī)小翼掛架為空間異面桁架梁式結(jié)構(gòu)，由32根撐桿(其中4根為主撐桿、28根為斜撐桿)和8個(gè)接頭(其中4個(gè)接頭為雙叉耳接頭，另外4個(gè)接頭為法蘭盤接頭)焊接而成。組件外形尺寸為750mm×1 200mm×2 800mm，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，裝配關(guān)系如圖2所示。

圖1小翼掛架示意圖

圖2小翼掛架裝配關(guān)系示意圖

由于模擬小翼在飛機(jī)機(jī)翼上的掛點(diǎn)位置緊靠機(jī)翼前部，需要吊掛的模擬小翼質(zhì)量又高達(dá)400kg，因而在設(shè)計(jì)掛架時(shí)，不但需要增加其長度，而且對掛架的剛度設(shè)計(jì)要求也較高，這樣必然會(huì)導(dǎo)致掛架質(zhì)量的增加。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，管桁具有結(jié)構(gòu)外形美觀，整體性能好，起吊較易，質(zhì)量較輕，剛度較好，以及能節(jié)省鋼材等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此，小翼掛架設(shè)計(jì)采用桁架式結(jié)構(gòu)，其材料選用30CrMnSiA的鋼管。

2　工藝研制

2.1難點(diǎn)分析

由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)員僅僅給出小翼掛架的結(jié)構(gòu)形式及裝配要求，沒有準(zhǔn)確可用的三維模型，缺乏所必需的數(shù)字量信息，所以只能采用傳統(tǒng)的模擬量制造技術(shù)。小翼掛架為焊接件，具有外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度強(qiáng)、質(zhì)量大以及精度要求高等特點(diǎn)[2]，在制造完成后，如何保證小翼掛架上4個(gè)上交點(diǎn)接頭與機(jī)翼4個(gè)交點(diǎn)接頭能夠同時(shí)對合成功，小翼掛架上4個(gè)下交點(diǎn)法蘭盤接頭與小翼4個(gè)法蘭盤接頭在同一平面內(nèi)(該平面與飛機(jī)水平基準(zhǔn)面和對稱面有角度偏差要求，以保證小翼的懸掛姿態(tài))，同時(shí)小翼掛架與小翼的法蘭盤上所對應(yīng)的連接孔同軸，成為小翼掛架的工藝研制難點(diǎn)。經(jīng)分析，在加工過程中，主要存在焊接變形和焊后機(jī)械加工問題。

1)焊接變形。小翼掛架采用多管子、多接頭的組合桿系桁架式焊接結(jié)構(gòu)，各零件的材料均選用30CrMnSiA，經(jīng)過淬火后實(shí)施焊接。目前采取的焊接方式無法保證焊接質(zhì)量一次成功；而焊接部位的多次返工，必然會(huì)直接影響到小翼掛架的變形程度，這將給后續(xù)的焊接校正、機(jī)械加工和部件裝配等帶來困難，同時(shí)也給部件裝配帶來嚴(yán)重隱患[3]。

2)焊后機(jī)械加工。為保證產(chǎn)品最終的裝配要求，焊接后必須精加工。而如何滿足小翼掛架的4個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片、交點(diǎn)孔的精度和4個(gè)下交點(diǎn)接頭法蘭盤的端面、交點(diǎn)孔的精度，保證大尺寸零件在夾具上合理裝夾、定位和加工等，成為焊后機(jī)械加工的難點(diǎn)。

2.2解決方案

針對上述問題，解決方案如下。

1)為盡量減小小翼掛架焊接后的變形，且避免焊接缺陷的產(chǎn)生，以確保焊接質(zhì)量，應(yīng)采用定位焊夾具來進(jìn)行總體控制。定位焊夾具既是小翼掛架組焊時(shí)的定位依據(jù)，又是焊后校正變形和檢驗(yàn)的依據(jù)；因此，小翼掛架的定位焊應(yīng)在定位焊夾具上進(jìn)行。

2)由于掛架的焊縫均為環(huán)形焊縫，所以焊接時(shí)采用了對稱施焊的工藝方法進(jìn)行實(shí)施操作。整個(gè)掛架焊接過程采用分組組焊，并合理安排組焊的步驟和順序，確保小翼掛架焊接過程受控，力求焊后的變形最小，焊組件外形滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

3)正確留取加工工藝容差。工藝容差一般是根據(jù)零件的加工余量來確定的。此次小翼掛架4個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片厚度兩側(cè)各預(yù)留了2.5mm的余量，用于焊接、校正和銑切補(bǔ)償，對接交點(diǎn)孔初孔則按φ16H9留取，焊接后對接交點(diǎn)孔精加工鏜至φ18H9。小翼掛架4個(gè)下交點(diǎn)接頭法蘭盤底板預(yù)留了3mm的余量，以用于焊接、校正和銑切補(bǔ)償，各法蘭盤上對接的初孔均按φ5H9留取，焊接后將對接孔φ5H9精加工鏜至φ7.5H9。

4)合理選用加工設(shè)備。根據(jù)小翼掛架最大外形尺寸2 800mm，選擇用型號為M—ARX的六軸臥式數(shù)控銑鏜床進(jìn)行精加工。

3　工裝設(shè)計(jì)

由于小翼掛架焊接后會(huì)產(chǎn)生變形，工藝上提出了先焊接后整體機(jī)械加工的方案，即使用專用工裝定位焊夾具和銑鏜檢夾具來滿足各交點(diǎn)接頭的裝配特性及精度要求。

3.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由于小翼掛架自身超重，且待加工的上交點(diǎn)接頭在加工狀態(tài)下尺寸超長，焊接工作量大，且焊后易變形，材料強(qiáng)度高，不易切削。為保證小翼掛架的焊接質(zhì)量和各接頭對接交點(diǎn)的正確位置，在設(shè)計(jì)定位焊夾具和銑鏜檢夾具時(shí)存在如下難點(diǎn)。

1)為滿足小翼與小翼掛架最終的裝配要求，小翼掛架在銑鏜檢夾具上的擺放姿態(tài)應(yīng)與最終的裝配姿態(tài)一致，同時(shí)為保證定位焊夾具與銑鏜檢夾具基準(zhǔn)保持統(tǒng)一，小翼掛架在定位焊夾具上與在銑鏜檢夾具上的擺放姿態(tài)和定位方式也應(yīng)保持一致；因此，定位焊夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的難度。小翼掛架的擺放姿態(tài)如圖3所示。

圖3　小翼掛架的擺放姿態(tài)

2)小翼掛架為桁架焊接結(jié)構(gòu)，焊接件多達(dá)46件，因此在設(shè)計(jì)焊接夾具時(shí)定位和夾緊的位置難度較大，同時(shí)由于小翼掛架焊點(diǎn)多，在設(shè)計(jì)定位焊夾具過程中還應(yīng)充分考慮如何減小焊接過程中的變形；因此，定位焊夾具的防變形功能設(shè)計(jì)亦有一定的難度。

3)由于小翼掛架焊接件多，導(dǎo)致焊后變形量較大，且變形量無法預(yù)知，在設(shè)計(jì)銑鏜檢夾具時(shí)，應(yīng)考慮如何準(zhǔn)確定位小翼掛架上8個(gè)交點(diǎn)接頭的位置，以及由于2個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片定位距離過長而導(dǎo)致加工精度的影響；因此，銑鏜檢夾具定位器的設(shè)計(jì)有一定的難度。

4)小翼掛架所選的材料為30CrMnSi鋼管，其熱處理后的強(qiáng)度高，在加工時(shí)應(yīng)保證銑鏜檢夾具自身的強(qiáng)度及夾具的夾緊力[5]。

5)小翼掛架為桁架式結(jié)構(gòu)，在同側(cè)加工上交點(diǎn)接頭時(shí)，由于上交點(diǎn)上接頭的水平距離較大，應(yīng)考慮橫向和縱向等2個(gè)方向進(jìn)刀通道，而在加工上交點(diǎn)下接頭時(shí)，上交點(diǎn)上接頭的夾緊器會(huì)影響上交點(diǎn)下接頭的加工通道；因此，如何合理布置銑鏜檢夾具的夾緊位置與設(shè)計(jì)夾緊結(jié)構(gòu)成為難題。

6)小翼掛架4個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片的待加工面在空間既不平行也不共面，4個(gè)下交點(diǎn)接頭法蘭盤端面平行但不共面，而工裝的制造協(xié)調(diào)依據(jù)為模擬量，不能按數(shù)字量對產(chǎn)品零件進(jìn)行加工；因此，切削加工找正十分困難。

3.2解決方案

針對上述問題，解決方案如下。

1)在定位焊夾具上設(shè)置8個(gè)定位器，用以約束4個(gè)上交點(diǎn)接頭和4個(gè)下交點(diǎn)接頭的空間位置，同時(shí)對小翼掛架上、下各4根(共8根)主撐管進(jìn)行定位，并將定位器及夾緊裝置均設(shè)計(jì)為可拆卸式結(jié)構(gòu)(見圖4)[6]。

圖4　定位焊夾具的定位器及夾緊裝置示意圖

2)為盡可能減小焊接過程中的變形，在定位焊夾具上設(shè)計(jì)了一套移動(dòng)式防變形裝置(見圖5)。在焊接過程中，其支撐管子接頭安裝邊緣和其他需要限制變形的地方。

圖5　定位焊夾具防變形裝置

3)針對小翼掛架焊后變形及難以保證8個(gè)交點(diǎn)接頭的位置，設(shè)計(jì)銑鏜檢夾具時(shí)，4個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片采用耳片側(cè)面和耳片上的孔定位，根據(jù)工藝容差和焊接后所產(chǎn)生的變形量，設(shè)計(jì)耳片側(cè)面定位時(shí)，定位面與耳片兩側(cè)面各保留7.5mm間隙；4個(gè)下交點(diǎn)接頭法蘭盤采用法蘭盤端面和端面上的孔定位，根據(jù)工藝容差和焊接后所產(chǎn)生的變形量，設(shè)計(jì)法蘭盤端面定位時(shí)，定位面與法蘭盤端面保留3mm間隙，并在小翼掛架4個(gè)上下交點(diǎn)接頭法蘭盤端面定位面上再設(shè)計(jì)10mm厚的工藝墊板，用于銑切前對小翼掛架的校形和控制零件總長，以保證產(chǎn)品零件在切削時(shí)有足夠的切削余量。

4)為確保銑鏜檢夾具的自身強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)銑鏜檢夾具的夾具體時(shí)，采用框架式結(jié)構(gòu)，且將定位支架與夾緊裝置相結(jié)合。為保證有足夠的夾緊力，將夾緊器裝置盡量設(shè)置在待加工接頭附近，用型面壓塊、壓板和可調(diào)支承合力夾緊并抱住零件[7]。

5)由于小翼掛架4個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片水平距離較大，所以在銑削耳片側(cè)面時(shí)，需要從橫向和縱向等2個(gè)進(jìn)刀方向；因此在設(shè)計(jì)銑鏜檢夾具時(shí)，將2個(gè)上交點(diǎn)上接頭耳片處定位支座的支架設(shè)計(jì)為可拆卸式。當(dāng)加工2個(gè)上交點(diǎn)下接頭時(shí)，須拆除2個(gè)上交點(diǎn)上接頭耳片處定位支座的支承及其附件，以留出機(jī)床主軸空間。

6)由于小翼掛架4個(gè)上交點(diǎn)接頭耳片的待加工面在空間既不平行也不共面，因此銑鏜檢夾具的找正基準(zhǔn)無法按普通機(jī)床加工方法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可通過逆向工程來進(jìn)行解決。逆向工程是在沒有設(shè)計(jì)圖樣或圖樣不完整，而有樣品的情況下，利用三維掃描測量儀，準(zhǔn)確、快速地測量樣品表面數(shù)據(jù)或輪廓外形，加以點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、曲面創(chuàng)建以及三維實(shí)體模型重構(gòu)，然后通過CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程，最后利用CNC加工機(jī)床或快速成型機(jī)制造出產(chǎn)品[8]。具體的實(shí)施步驟為：a.銑鏜檢夾具按標(biāo)工進(jìn)行制造，確認(rèn)夾具制造合格后，對該夾具進(jìn)行數(shù)字化檢測；b.檢測前，應(yīng)在銑鏜檢夾具上設(shè)置加工原點(diǎn)，采集該夾具原點(diǎn)及定位器數(shù)據(jù)，擬合出小翼掛架所需定位部分的數(shù)據(jù)(逆向測量擬合的數(shù)據(jù)如圖6所示)；c.根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行工裝定位器的數(shù)學(xué)建模，即可對小翼掛架進(jìn)行數(shù)控加工。小翼掛架在銑鏜檢夾具上加工時(shí)的姿態(tài)如圖7所示。

圖6　小翼掛架逆向測量空間點(diǎn)位示意圖

4　結(jié)語

通過對定位焊夾具與銑鏜檢夾具的成功設(shè)計(jì)與制造，經(jīng)銑鏜檢夾具精加工后的小翼掛架，同時(shí)成功地與飛機(jī)機(jī)翼和模擬小翼相連。某型機(jī)小翼掛架工裝的成功研制，為空間異面類桁架結(jié)構(gòu)焊組件的制造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對類似飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架等空間異面焊組件的研制具有借鑒與指導(dǎo)意義。

[1] 王楠.管桁結(jié)構(gòu)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2014.

[2] 楊玉華.空間管桁結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)[J]. 鐵道建筑，2006(11)：23-26.

[3] 王紅光.實(shí)用焊接工藝手冊[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[4] 劉俊清.金屬焊接件加工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 陳煥明.焊接工裝設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[6] 王純祥.焊接工裝夾具設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[7] 李建華.大型結(jié)構(gòu)件鏜孔工裝設(shè)計(jì)[J].金屬加工，2014(19)：46-47.

[8] 王永信.逆向工程及檢測技術(shù)與應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2014.

責(zé)任編輯馬彤

ResearchontheDifferentSurfacesofAircraftSpaceTrussTypeWeldmentManufacturingTechnology

LIXiaoning,XIAOWangdong,WANGSheng,HUANGRong,ZHANGDajun

(AVICAircraftAircraftCo.HanzhongBranchoftheMinistryofMetallurgicalEngineeringandTechnologyDepartment，Hanzhong723213,China)

Thewingletrackofacertaintypeofaircraftisasanexampletopresentatypicalspatialplanetrussweldingmanufacturingmethodandway.Throughthedescriptionofacertaintypeofaircraftwingpylonstructurecharacteristic,introducetheprocessofacertaintypeofaircraftwingpylons,industryandtradedressdesignidea,andhowtousereversemeasurementtechnologytoresolvethedifficultiesintheprocessofdevelopment,andfinallyachieveacertaintypeofaircraftwingpylonsdeliveryandassembly.Itssuccessfuldevelopmentprovidesthevaluableexperienceforthemanufactureofweldedassembliesofspaceplanetrussstructures,whichisofgreatreferencevalueforthedevelopmentofspaceplanetrusstypeweldingparts.

rack，intersection，welding，deformation，reversemeasurement，fixture

2016-02-15

O342；TG4B

李曉寧(1982-)，女，工程師，主要從事焊接、數(shù)字化制造以及工裝設(shè)計(jì)制造等方面的研究。