飛機(jī)門框裝配工藝優(yōu)化與研究

郭宏偉，馮重陽(yáng)，堯智，鄧伯孟

（中航成飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

隨著全球電子商務(wù)的發(fā)展，貨運(yùn)飛機(jī)的需求不斷增加，老齡客機(jī)改裝成貨機(jī)以其優(yōu)越的性價(jià)比備受全球快遞貨運(yùn)公司的青睞。隨著新冠疫情的影響，在后疫情時(shí)代，全球貨運(yùn)市場(chǎng)需求大增，為解決貨機(jī)運(yùn)力不足的現(xiàn)狀，客機(jī)改裝貨機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“客改貨”）成為當(dāng)前航空業(yè)的主流[1]。

在將B767客機(jī)改裝為B767客改貨飛機(jī)的項(xiàng)目中，需對(duì)原B767客機(jī)前機(jī)身壁板左側(cè)，即需要安裝前主貨艙門的壁板區(qū)域做加強(qiáng)改造，制造全新的貨艙門框加強(qiáng)壁板結(jié)構(gòu)組件，以替代客機(jī)原有機(jī)身結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)貨物裝載，滿足結(jié)構(gòu)傳力的要求，改裝貨機(jī)貨艙門開口的布置應(yīng)避免與原底部貨艙門相鄰或環(huán)向重疊，通常在飛機(jī)順航向左側(cè)機(jī)身段或機(jī)頭設(shè)計(jì)貨艙門的開口門框。此貨機(jī)門框組件是貨機(jī)機(jī)身的組成部分之一，位于貨機(jī)貨艙門周圍，是客改貨類飛機(jī)為加強(qiáng)貨艙門周圍的結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)制造的飛機(jī)組件，用于安裝主貨艙門[2]。

1 主貨艙門框組件的裝配工藝分析

B767客改貨飛機(jī)主貨艙門框組件的裝配工藝，屬于典型的飛機(jī)機(jī)身壁板裝配工藝，其外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。按照客改貨飛機(jī)裝配要求，主門框組件要求其鉸鏈機(jī)構(gòu)具有互換性，蒙皮氣動(dòng)外形要求高，機(jī)加框?qū)诱`差小，門框組件體積大，存在下架及其翻轉(zhuǎn)吊裝困難等一系列工藝難度。因而在門框組件的裝配過(guò)程中，對(duì)這些工藝難點(diǎn)提出針對(duì)性的工藝解決措施，在下文中將對(duì)這些工藝難點(diǎn)及其解決措施進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1.1 主貨艙門框組件介紹

B767客改貨飛機(jī)主貨艙門門框組件主要由上部壁板組件、中部門框組件、下部壁板組件裝配而成。門框組件（如圖1）是B767客改貨飛機(jī)前機(jī)身的組成部分之一，位于貨機(jī)前主貨艙門周圍，是客改貨機(jī)類飛機(jī)為加強(qiáng)貨艙門周圍的結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)制造的飛機(jī)組件，用于安裝貨機(jī)主貨艙門。

圖1 門框組件

1.2 主貨艙門框組件互換協(xié)調(diào)原則及其定位基準(zhǔn)

在飛機(jī)裝配工藝學(xué)中，產(chǎn)品的互換是指成批或大量生產(chǎn)中，同一產(chǎn)品中任取其一，其幾何形狀及物理力學(xué)性能在一定的誤差范圍內(nèi)，并在裝配和安裝過(guò)程中，不需要任何修配和補(bǔ)充加工就能在裝配完成以后完全滿足設(shè)計(jì)所規(guī)定的技術(shù)要求；而協(xié)調(diào)是指兩個(gè)相互配合的工件之間或工件與工裝之間的對(duì)應(yīng)尺寸和幾何形狀的一致性。顯然，協(xié)調(diào)與互換是兩個(gè)不同的概念，互換是針對(duì)同一類產(chǎn)品而言的，協(xié)調(diào)是針對(duì)兩個(gè)具有裝配關(guān)系的工件或者工件與工裝而言的[3]。

1.2.1 主貨艙門框組件互換協(xié)調(diào)原則

在門框組件工藝準(zhǔn)備策劃階段提出了如下兩種不同的方案，并制定不同的裝配工藝流程方案。

需要空運(yùn)交付門框時(shí)，分別以次級(jí)上部壁板組件和次級(jí)下部壁板組件的形式交付門框組件，其中次級(jí)上部壁板組件由上部壁板組成，次級(jí)下部壁板組件由下部壁板組件和中部壁板組成。門框需要海運(yùn)交付時(shí)，門框組件以總體裝配組件形式交付，分別由上部壁板組件、中部門框組件、下部壁板組件組成。

在門框組件中，其上、中、下門框組件主要結(jié)構(gòu)類同，均主要由蒙皮、加強(qiáng)板、長(zhǎng)桁、框、梁、肋及其承剪帶、角片組成門框組件工作包，采用了數(shù)字量傳遞與模擬量傳遞相結(jié)合的綜合協(xié)調(diào)工作法，同時(shí)采用三維數(shù)模、模線、樣板、工藝孔等，在上部壁板頂部需與主貨艙門配合安裝處有互換協(xié)調(diào)的部位及其交點(diǎn)（即需與主貨艙門上鉸鏈配合安裝的鉸鏈處），采用了標(biāo)工實(shí)物來(lái)控制[4]。

1.2.2 主貨艙門框組件定位基準(zhǔn)

門框組件中，以STA492/STA632站位處機(jī)加框上工藝孔相關(guān)基準(zhǔn)點(diǎn)和以蒙皮/加強(qiáng)板內(nèi)表面外形作為定位基準(zhǔn)；對(duì)于其余框、梁、肋、長(zhǎng)桁及其承剪帶、角片優(yōu)先采用工藝孔和交點(diǎn)孔定位；對(duì)于門框組件在裝配型架上的定位檢測(cè)，利用激光三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x軟件來(lái)檢查門框組件的定位，在測(cè)量后采用基于壁板產(chǎn)品的三維數(shù)模進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)量數(shù)據(jù)能精確到萬(wàn)分之一，以此方式得出了各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3 主貨艙門框次級(jí)組件的裝配工藝特點(diǎn)

1.3.1 主貨艙門框次級(jí)組件的組成

門框次級(jí)上中下部壁板組件均屬于典型的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)加框/鈑金框、蒙皮、加強(qiáng)板、長(zhǎng)桁、承剪帶和角片組成。

其中門框中部門框組件蒙皮/加強(qiáng)板利用內(nèi)形卡板及其蒙皮耳片定位孔定位，其中中部壁板蒙皮與加強(qiáng)板在航向前后方向均留有一定余量。

門框上部壁板組件蒙皮/加強(qiáng)板利用內(nèi)形卡板及其蒙皮耳片定位孔定位，上部壁板蒙皮與加強(qiáng)板在與貨艙門配合四周區(qū)域方向均留有余量，蒙皮/加強(qiáng)板在航向前后方向?yàn)閮暨叀?/p>

1.3.2 主貨艙門框下部壁板組件中的裝配工藝特點(diǎn)

門框下部壁板組件主要特點(diǎn)是采用了加強(qiáng)的門檻組件結(jié)構(gòu)，多根加強(qiáng)的機(jī)加框與主/輔助門檻組件裝配連接，機(jī)加框在X、Y、Z方向上均有關(guān)鍵特性控制要求，尺寸公差控制精度要求高；蒙皮/加強(qiáng)板利用內(nèi)形卡板及其蒙皮耳片定位孔定位，下部壁板蒙皮與加強(qiáng)板在與貨艙門配合四周區(qū)域方向均留有一定的余量，蒙皮/加強(qiáng)板在航向前后方向?yàn)閮暨叀?/p>

上中下部壁板組件中長(zhǎng)桁均主要有兩種形式，一種是Ω型的鈑金長(zhǎng)桁，另一種是L/T型的機(jī)加長(zhǎng)桁，這兩種長(zhǎng)桁在門框組件中均利用S-L軸線定位器定位；其中主要利用框上腹板K孔、框站位面定位鈑金框，利用框自身K孔及框站位面定位機(jī)加框；承剪帶和角片主要采用手工劃線排出導(dǎo)孔位置后手工定位的方式；上、中、下部壁板在工裝型架上的定位示意圖如圖2所示。

圖2 門框上門框組件定位示意圖

在門框下部壁板組件裝配中，多根加強(qiáng)的機(jī)加框在與主/輔助門檻組件裝配后，其X、Y、Z方向在飛機(jī)坐標(biāo)系中的站位面的控制是裝配難點(diǎn)。

在客戶要求的關(guān)鍵特性檢測(cè)中，需要將框站位面控制在STA492到STA632之間的每一個(gè)短框：多處短框腹板的位置偏離所要求的位置精度要求較大，在工藝策劃時(shí)，在工裝上增加了多處定位器，并通過(guò)激光三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在裝配前后進(jìn)行關(guān)鍵特性測(cè)量，比對(duì)誤差值，將框定位面偏差值控制在客戶要求范圍內(nèi)。

1.4 主貨艙門框鉸鏈機(jī)構(gòu)的裝配工藝特點(diǎn)

門框組件鉸鏈機(jī)構(gòu)的定位安裝主要是在上部壁板上進(jìn)行，該組鉸鏈機(jī)構(gòu)含12組鉸鏈零件。鉸鏈安裝時(shí)特點(diǎn)：1）在鉸鏈安裝時(shí)主要涉及工裝鉸鏈定位器，按照設(shè)計(jì)要求必須用標(biāo)工實(shí)物進(jìn)行調(diào)試，采用模擬量傳遞調(diào)試?yán)щy[5]。2）鉸鏈定位時(shí)，需在不同的鉸鏈零件與蒙皮之間制造/打磨不同厚度固體墊片，如果手工打磨后墊片厚度控制不好就容易造成定位銷撥出后鉸鏈回彈壓力大，無(wú)法保證所有鉸鏈中心孔的同軸度。3）鉸鏈定義為互換件，安裝精度要求非常高。對(duì)于上大梁和蒙皮上的安裝孔的鉆制過(guò)程精度要求高。

針對(duì)鉸鏈的上述安裝操作特點(diǎn)，提出了針對(duì)性的工藝措施：1）在鉸鏈定位器的檢測(cè)及其調(diào)試時(shí)，每次定檢均采用標(biāo)工實(shí)物進(jìn)行模擬量的傳遞檢測(cè)，按照標(biāo)工實(shí)物上的多處OTP點(diǎn)定位標(biāo)工實(shí)物，并手工調(diào)試，確保了鉸鏈定位器的定位精度。2）針對(duì)鉸鏈墊片的制造困難，在工藝上采用機(jī)械加工+手工打磨的方式進(jìn)行；在制造墊片前，將墊片統(tǒng)一加工成具有一定角度的斜墊片，再根據(jù)間隙手工打磨。3）對(duì)于鉸鏈的安裝孔，從鉸鏈上的孔進(jìn)行引制，并采用分級(jí)鉆套與分級(jí)鉆頭/鉸刀進(jìn)行鉆制；最后一級(jí)鉸制時(shí)，將鉸鏈從蒙皮上取下，對(duì)蒙皮/上梁孔進(jìn)行單獨(dú)鉸制。

1.5 主貨艙門框組件總裝裝配工藝特點(diǎn)

1.5.1 主貨艙門框組件總裝對(duì)接工藝特點(diǎn)

門框壁板在總裝工裝上定位時(shí)，主要采用框站位面加上多處框K孔定位方式進(jìn)行；定位時(shí)，依次以下部壁板組件、左右中部壁板、上部壁板組件定位于總裝定位卡板上。門框總裝時(shí)3段壁板的框定位面均以STA492站位面統(tǒng)一作為定位基準(zhǔn)，上、中、下蒙皮采用搭接方式進(jìn)行。

在裝配總裝型架工裝上主要完成對(duì)壁板組件中蒙皮、加強(qiáng)板的搭接，上、中、下框的對(duì)接工作；要求門框3段對(duì)接壁板蒙皮邊緣在對(duì)合后直線度控制在圖樣要求范圍內(nèi)，門框?qū)泳纫蟾摺?/p>

1.5.2 主貨艙門框組件總裝下架工藝特點(diǎn)

B767飛機(jī)系大型寬體飛機(jī)，其機(jī)身壁板的整體出架及其吊裝方式是整個(gè)裝配工藝中重要環(huán)節(jié)之一，貨艙門處壁板組件的裝配、下架、吊運(yùn)等工藝環(huán)節(jié)同樣如此。

由于門框壁板組件是由2塊彎曲弧度較小的壁板件組成的橫截面呈“C”字形的特殊蒙皮結(jié)構(gòu)，在工裝型架上的安裝姿態(tài)如下：門框壁板組件下架過(guò)程中，容易造成壁板組件變形，直接起吊使起吊點(diǎn)負(fù)載過(guò)大，易拉傷壁板組件或使起吊螺栓斷裂。通過(guò)保形工裝安裝固定在壁板組件上，且對(duì)保形工裝與壁板組件及門框組件上的4個(gè)不同部位進(jìn)行連接固定。

整體門框組件下架的方法, 包括以下步驟：1）裝配。將完成裝配定位、制孔后的壁板件在裝配工裝上組裝成門框組件。2）安裝。將保形工裝安裝固定在門框組件上，且對(duì)保形工裝與門框組件上的多個(gè)不同部位進(jìn)行連接固定。3）連接。通過(guò)吊繩將起吊工具與保形工裝連接。4）下架。先豎直提升起吊工具使吊繩處于受力拉緊狀態(tài)，其次取出定位銷使門框組件與裝配工裝處于分離狀態(tài)，接著水平移動(dòng)起吊工具使與起吊工具相連的保形工裝帶動(dòng)門框組件從裝配工裝上移出下架。5）起吊工具通過(guò)3根吊繩與保形工裝上多個(gè)不同的位置連接，且吊繩的長(zhǎng)度是可調(diào)的；調(diào)整3根吊繩的長(zhǎng)度控制門框組件姿態(tài)，再將門框組件吊運(yùn)放置到托架上。

門框組件下架如圖3所示。該方法步驟簡(jiǎn)捷，工作效率高，避免了門框組件整體下架會(huì)產(chǎn)生的形變、拉傷或是起吊螺栓斷裂等問(wèn)題。

圖3 門框組件下架示意圖

裝配工藝方案的確定和優(yōu)化是一個(gè)反復(fù)迭代、逐步完善的過(guò)程，經(jīng)過(guò)目前門框壁板組件小批量的試制驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)每架次工裝、工具，以及裝配順序、裝配方法的不斷完善，現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定、客戶評(píng)價(jià)較高，這充分說(shuō)明了關(guān)于門框組件的裝配方案是成功的。

2 存在的不足與展望

2.1 存在的不足

2.1.1 現(xiàn)有裝配工藝的不足

裝配工藝方案的確定和優(yōu)化是一個(gè)反復(fù)迭代、逐步完善的過(guò)程，經(jīng)過(guò)小批量的試制驗(yàn)證[6]，說(shuō)明了關(guān)于門框組件的裝配方案是成功的。產(chǎn)品的質(zhì)量需要持續(xù)改進(jìn)，其優(yōu)化后的裝配工藝方案應(yīng)該具有可持續(xù)性改進(jìn)的特點(diǎn)[7]。

B767客改貨飛機(jī)主貨艙門門框組件由于采用二維裝配圖樣，產(chǎn)品在數(shù)字化裝配過(guò)程中仍然面臨著諸多不足之處。這些不足之處，在后續(xù)生產(chǎn)架次中急需得到持續(xù)改進(jìn)，以便于產(chǎn)品生產(chǎn)提速，確保質(zhì)量可靠。對(duì)翻轉(zhuǎn)下架工藝方法的大批量生產(chǎn)驗(yàn)證及設(shè)備的可靠性方面還需要持續(xù)進(jìn)行和改善優(yōu)化[8]。

2.1.2 主貨艙門框產(chǎn)品數(shù)字化裝配程度不高

在B767客改貨項(xiàng)目中，客戶方面存在著構(gòu)型、圖樣更改頻繁的主要問(wèn)題，加之所發(fā)產(chǎn)品裝配圖樣未能實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化的設(shè)計(jì)，均為二維平面圖紙形式，故客改貨項(xiàng)目在批量生產(chǎn)提速、操作人員的培訓(xùn)方面存在諸多不足。在飛機(jī)裝配制造業(yè)，數(shù)字化裝配制造已是飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一，飛機(jī)機(jī)體裝配數(shù)字化的基礎(chǔ)首先是設(shè)計(jì)數(shù)字化，即必須進(jìn)行飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的數(shù)字產(chǎn)品定義[9]。沒(méi)有數(shù)字產(chǎn)品定義為基礎(chǔ)，飛機(jī)制造的數(shù)字化僅能停留在一些點(diǎn)和局部應(yīng)用上，裝配數(shù)字化就不能充分體現(xiàn)其優(yōu)越性[10]。在飛機(jī)數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)裝配的應(yīng)用上，B767客改貨項(xiàng)目存在著明顯的不足，這將會(huì)影響到批架次產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改善效果[11]。

2.1.3 現(xiàn)有工裝工具影響產(chǎn)品生產(chǎn)提速和質(zhì)量的改善

由于目前B767客改貨門框壁板組件自動(dòng)化制孔程度低，鉚接制孔數(shù)量非常大，單機(jī)連接件數(shù)量達(dá)20 000多顆，僅外蒙皮就有近8000個(gè)孔，而目前整個(gè)門框壁板組件幾乎99%為手工鉚接，僅上部輔助梁組件鉚接時(shí)用到了手動(dòng)壓鉚機(jī)。所以勞動(dòng)量非常大，同時(shí)也嚴(yán)重制約了整個(gè)門框壁板組件的裝配周期的縮短優(yōu)化。鑒于門框組件上連接件孔徑中為大于φ7.5 mm的高鎖螺釘安裝孔達(dá)1000多處，且蒙皮上均需锪窩，工作量大。

B767門框壁板組件現(xiàn)在制孔工具和安裝連接件、拆卸連接件工具還處于邊使用、邊改善階段，特別是下部壁板組件和上部壁板組件鉸鏈處的連接件安裝工具仍有較大的改進(jìn)空間。

門框組件現(xiàn)有的定位工裝及其地面輔助工裝在設(shè)計(jì)初期，主要基于年產(chǎn)量低的生產(chǎn)速率而設(shè)計(jì)；如果后續(xù)批架次生產(chǎn)速率提高，此批工裝存在如下問(wèn)題：1）產(chǎn)品在定位工裝型架上操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；2）總裝對(duì)接工裝和輔助設(shè)備的配合設(shè)計(jì)不合理，特別是上中下壁板蒙皮處的對(duì)接處，供操作人員施工的區(qū)域不夠人性化；3）門框架下輔助補(bǔ)鉚托架不夠人性化，產(chǎn)品在托架上的存放姿態(tài)影響工人的操作。

2.2 對(duì)主貨艙門框組件裝配工藝的后期展望

客改貨行業(yè)最近幾年在全球航空業(yè)中呈井噴式發(fā)展，加之客改貨行業(yè)的訂單發(fā)展具有一定的周期性，不斷提升門框組件生產(chǎn)速率和產(chǎn)品質(zhì)量期間仍需對(duì)裝配工藝方面進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化支持。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)B767客改貨門框組件裝配工藝進(jìn)行分析，其首架試制及其后續(xù)架次中積累的裝配方案策劃、工裝設(shè)計(jì)制造等一系列經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于公司在以后生產(chǎn)制造諸如B777此類大型寬體客機(jī)門框組件方面會(huì)有一定的借鑒意義。