機(jī)翼翼盒立式裝配與臥式裝配對(duì)比淺析

郭云 郭文娟 王浩宇

摘 要：機(jī)翼翼盒通常采用立式姿態(tài)進(jìn)行裝配。近年來(lái)隨著全復(fù)合材料機(jī)翼的誕生，翼盒臥式裝配生產(chǎn)線(xiàn)也應(yīng)運(yùn)而生。本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外大型飛機(jī)的機(jī)翼翼盒制造方案，從裝配流程、裝配工裝設(shè)計(jì)、自動(dòng)化設(shè)備需求和工作平臺(tái)設(shè)計(jì)等方面著手，對(duì)傳統(tǒng)的翼盒立式裝配與新興的翼盒臥式裝配進(jìn)行詳細(xì)闡述，并進(jìn)一步分析立式裝配與臥式裝配的優(yōu)缺點(diǎn)，為未來(lái)國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料機(jī)翼研制積累技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：金屬材料機(jī)翼;復(fù)合材料機(jī)翼;立式裝配;臥式裝配

中圖分類(lèi)號(hào)：V224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）02-0058-02

1 現(xiàn)狀分析

1.1翼盒立式裝配

傳統(tǒng)的機(jī)翼翼盒為金屬材料雙梁式結(jié)構(gòu)，主要由前緣、后緣、鋁合金翼肋和上、下壁板等零組件組成，典型翼盒結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。目前金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)翼翼盒，如空客的A320系列、A340和A380，波音的737、767，以及國(guó)產(chǎn)的ARJ21、C919等，都采用了立式姿態(tài)進(jìn)行裝配。

近些年隨著自動(dòng)化技術(shù)在飛機(jī)裝配方面的逐步應(yīng)用，各大飛機(jī)制造商與航空裝備制造商相互合作，對(duì)翼盒立式裝配方案進(jìn)一步修改完善，將柔性調(diào)姿定位和自動(dòng)化制孔等技術(shù)與裝配工裝相結(jié)合，制定了相對(duì)成熟的機(jī)翼翼盒立式裝配方案。

1.2翼盒臥式裝配

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和阻尼性強(qiáng)，以及結(jié)構(gòu)與材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于整體成型等諸多特點(diǎn)受到了飛機(jī)制造商的青睞。因此復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)體上的應(yīng)用比重不斷增大，逐步取代了傳統(tǒng)的鋁合金金屬材料，成為了新一代飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料。廣義上的全復(fù)合材料機(jī)翼是指除翼肋采用金屬結(jié)構(gòu)外，翼盒的前梁、后梁、上壁板和下壁板均采用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料?？湛偷腁350XWB，波音的787和777X等，都采用了全復(fù)合材料機(jī)翼[1]。

針對(duì)大尺寸復(fù)合材料機(jī)翼翼盒的裝配特點(diǎn)，國(guó)外航空裝備制造商提出了臥式裝配的理念。最新研制的空客A350XWB和波音的777X等飛機(jī)，其機(jī)翼制造都采用了由美國(guó)Electroimpact公司設(shè)計(jì)的翼盒臥式裝配生產(chǎn)線(xiàn)。

以空客A350XWB機(jī)翼臥式裝配生產(chǎn)線(xiàn)為例，該生產(chǎn)線(xiàn)包含了若干站位。在第一站位，采用飛行姿態(tài)完成產(chǎn)品定位。操作工人手工完成前緣組件、后緣組件、翼肋和上、下壁板等主要零組件的定位，并采用自動(dòng)制孔設(shè)備制定位孔、安裝臨時(shí)緊固件;在第二站位，采用大型龍門(mén)制孔設(shè)備完成翼盒上翼面連接孔的制取，采用移動(dòng)制孔設(shè)備完成翼盒下翼面連接孔的制取;第三站位設(shè)置有大型工作平臺(tái)，主要用于輔助工人手工完成翼盒緊固件的安裝;在第四站位，工人借助三維輔助投影設(shè)備完成后緣系統(tǒng)支架的安裝。在交付前，機(jī)翼還需運(yùn)輸至位于布勞頓的另外一個(gè)廠(chǎng)房，完成前緣口蓋、燃油系統(tǒng)和線(xiàn)束支架等的安裝工作。

波音公司的B777X飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼翼盒也采用了臥式裝配生產(chǎn)線(xiàn)，在裝配站位劃分與裝配工裝設(shè)計(jì)等方面與A350XWB存在微小差異。

2 立式裝配與臥式裝配方案對(duì)比

2.1裝配工裝設(shè)計(jì)

翼盒裝配工裝應(yīng)包含前緣組件定位器、后緣組件定位器、翼肋定位器、壁板保型裝置、自動(dòng)制孔設(shè)備、多功能工作平臺(tái)等多項(xiàng)子工裝，用來(lái)完成翼盒裝配過(guò)程中零組件的姿態(tài)調(diào)整、定位和保型等。各項(xiàng)子工裝需協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，在使用過(guò)程中互不干涉。

翼盒立式裝配時(shí)通常采用前緣組件向上、后緣組件向下的放置姿態(tài)，翼肋以豎直姿態(tài)吊裝上架定位。立式裝配姿態(tài)便于翼盒零組件定位器的布置，便于產(chǎn)品零組件的上架。同時(shí)，采用立式裝配姿態(tài)時(shí)，通過(guò)合理配置多層工作平臺(tái)，可更好的滿(mǎn)足工人施工的空間需求。

翼盒采用臥式裝配姿態(tài)時(shí)，前緣、后緣組件采用保型吊掛或保型運(yùn)輸車(chē)進(jìn)入翼盒裝配工裝定位，翼肋采用吊裝方式入位，上壁板采用保型裝置吊裝上架，下壁板采用保型裝置通過(guò)AGV地面運(yùn)輸上架。

翼盒在采用臥式裝配時(shí)，應(yīng)特別注意大尺寸復(fù)合材料壁板的保型問(wèn)題。由于復(fù)合材料存在各向異性的特點(diǎn)，復(fù)材壁板成型后易產(chǎn)生翹曲變形等問(wèn)題。因此，根據(jù)復(fù)材壁板的材料特性可設(shè)計(jì)一套低應(yīng)力保型裝置，減少壁板在運(yùn)輸、吊裝和定位等過(guò)程的變形。參考A350XWB機(jī)翼的裝配方案，壁板保型機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)為點(diǎn)陣式真空吸盤(pán)保型裝置（圖2），在吸盤(pán)內(nèi)設(shè)置有剛性限位機(jī)構(gòu)，可準(zhǔn)確控制壁板在運(yùn)輸、吊裝和定位過(guò)程中始終處于理論位置[2]。

2.2工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

工作平臺(tái)設(shè)計(jì)是機(jī)翼翼盒工裝設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在翼盒裝配過(guò)程中，操作工人需要借助工作平臺(tái)完成零組件定位、制孔、涂膠和連接等繁多工序。工作平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)需具有氣源、電源、液壓控制等功能。當(dāng)裝配對(duì)象為復(fù)合材料機(jī)翼時(shí)，工作平臺(tái)還需設(shè)置與廠(chǎng)房吸塵系統(tǒng)的接口。

翼盒立式裝配的工作平臺(tái)主要分布于翼盒上、下翼面兩側(cè)，根據(jù)翼盒產(chǎn)品尺寸及裝配型架尺寸的大小，工作平臺(tái)通常設(shè)置2層-3層，在每層平臺(tái)上同時(shí)配置有小型工作梯，從而實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域的全覆蓋。

翼盒臥式裝配工作平臺(tái)則分為內(nèi)、外工作平臺(tái)兩部分。內(nèi)部工作平臺(tái)指翼盒下翼面可移動(dòng)工作平臺(tái)，操作工人可通過(guò)該移動(dòng)平臺(tái)完成下壁板的制孔、連接等工序。內(nèi)部工作平臺(tái)還應(yīng)具有快速撤出工作區(qū)域的功能，不影響機(jī)翼翼盒下架運(yùn)輸?shù)奈锪魍?。外部工作平臺(tái)指翼盒裝配工裝兩側(cè)的工作臺(tái)，工人可通過(guò)外部工作平臺(tái)到達(dá)翼盒上表面，完成翼盒上翼面的制孔、連接等工序。

2.3產(chǎn)品下架運(yùn)輸

采用立式裝配時(shí)，翼盒下架需借助產(chǎn)品吊掛從型架一側(cè)出架，并通過(guò)翻轉(zhuǎn)吊掛或翻轉(zhuǎn)臺(tái)將翼盒翻轉(zhuǎn)至水平姿態(tài)（見(jiàn)圖3、圖4）。采用臥式裝配時(shí)，翼盒可通過(guò)采用AGV運(yùn)輸車(chē)托舉水平出架。

3 立式裝配與臥式裝配優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過(guò)對(duì)翼盒立式裝配方案與臥式裝配方案進(jìn)行對(duì)比，分析得出兩種裝配方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

3.1制造成熟度

近年來(lái)，國(guó)外飛機(jī)制造商通過(guò)在A320系列、B737MAX等大尺寸機(jī)翼制造中，對(duì)翼盒立式裝配方案進(jìn)一步完善，將自動(dòng)化技術(shù)與立式裝配工裝相結(jié)合，形成一套成熟的立式裝配方案。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)C919等大飛機(jī)的研制，在翼盒立式裝配方面也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[3]。

在臥式裝配方面，國(guó)外目前現(xiàn)有三條復(fù)合材料機(jī)翼翼盒臥式裝配生產(chǎn)線(xiàn)，分別為A350XWB、B787和B777X。國(guó)內(nèi)方面，臥式裝配方案僅在某些小型金屬材料部件（例如中央翼翼盒等）裝配中開(kāi)展驗(yàn)證性應(yīng)用。

3.2產(chǎn)品裝配質(zhì)量

翼盒采用立式裝配時(shí)，由于翼根處高度落差較大，廠(chǎng)房?jī)?nèi)溫度因隨高度變化呈垂直分布，進(jìn)而形成溫差，造成裝配工裝的頂部與底部熱膨脹變形不一致，影響飛機(jī)的裝配精度。臥式裝配方案可減小溫差效應(yīng)，從而提高飛機(jī)裝配精度。

同時(shí)，翼盒形成封閉區(qū)后，操作工人需進(jìn)入翼盒內(nèi)部進(jìn)行連接、涂膠等工作。采用立式裝配時(shí)，工人需借助壁板長(zhǎng)桁在翼盒內(nèi)部攀爬施工。但當(dāng)裝配對(duì)象為復(fù)合材料翼盒時(shí)，由于壁板與長(zhǎng)桁采用膠接形式，踩踏長(zhǎng)桁會(huì)造成在膠接處產(chǎn)生缺陷的可能。因此，復(fù)合材料的機(jī)翼翼盒應(yīng)盡可能采用臥式裝配姿態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)翼已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志，國(guó)內(nèi)的航空制造業(yè)由于起步較晚，在復(fù)材裝配方面技術(shù)基礎(chǔ)積累較少，與國(guó)外相比存在不小的差距。針對(duì)國(guó)內(nèi)在大尺寸復(fù)合材料機(jī)翼裝配方面經(jīng)驗(yàn)不足的現(xiàn)狀，需參考國(guó)外復(fù)合材料翼盒裝配案例，對(duì)翼盒立式裝配和臥式裝配作進(jìn)一步分析調(diào)查，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，確定一套適合國(guó)內(nèi)復(fù)合材料機(jī)翼研制的裝配方案，加快復(fù)合材料機(jī)翼翼盒的研制進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪楠楠.先進(jìn)復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用[J].航空材料學(xué)報(bào)，2019（05）：45-60.

[2] 陳雪梅，劉順濤.飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2014，445（z1）：58-65.

[3] 范軍華，楊鋒.國(guó)內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)裝配技術(shù)對(duì)比及思考[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（07）：183-185.