飛機(jī)蒙皮制造中約束與定位問(wèn)題研究

文/王飛·沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司有色金屬制造廠

導(dǎo) 語(yǔ)

航空制造中蒙皮屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品，一件蒙皮產(chǎn)品的完成需要多個(gè)工種來(lái)協(xié)同。而各工種工序的銜接則需要孔來(lái)定位協(xié)調(diào)解決。J16項(xiàng)目案例、AUK項(xiàng)目案例以及ARJ項(xiàng)目案例都是我們工作中能見(jiàn)得到的由錯(cuò)誤定位問(wèn)題導(dǎo)致的工裝不協(xié)調(diào)影響生產(chǎn)的典型案例。這些問(wèn)題出現(xiàn)后，往往都會(huì)形成糾纏不清、久拖不決、費(fèi)工費(fèi)時(shí)的局面。此文通過(guò)基本概念及3個(gè)實(shí)例分析來(lái)理清技術(shù)人員頭腦中的定位概念，提高對(duì)約束及定位的認(rèn)知，促進(jìn)生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在飛機(jī)蒙皮制造、裝配中都會(huì)涉及定位與約束問(wèn)題，定位是實(shí)現(xiàn)約束的手段。在實(shí)踐中往往因定位數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致過(guò)定位問(wèn)題，在工裝上的過(guò)定位現(xiàn)象比較普遍。無(wú)論是蒙皮拉深工裝、銑切工裝、裝配工裝或者其他工裝，都存在許多過(guò)定位現(xiàn)象。透過(guò)這個(gè)現(xiàn)象看其本質(zhì)，根源在于我們頭腦中對(duì)于定位概念沒(méi)有充分正確的認(rèn)知。而蒙皮制造中因定位多而不協(xié)調(diào)的問(wèn)題出現(xiàn)后，往往會(huì)形成糾纏不清、反復(fù)返修、費(fèi)工費(fèi)時(shí)的局面。

理論定義

機(jī)械專(zhuān)業(yè)中將一個(gè)物體在空間準(zhǔn)確定位需要6 個(gè)空間自由度，即3 個(gè)平移自由度，3 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，如圖1 所示。

圖1 6 個(gè)空間自由度

空間：飛機(jī)設(shè)計(jì)在3 維空間進(jìn)行，而3 維空間是由三維坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)描述的空間，具有長(zhǎng)寬高等物理特性。

定位：在飛機(jī)設(shè)計(jì)的空間里或在自設(shè)的工裝設(shè)計(jì)空間里，一個(gè)自由度對(duì)應(yīng)一個(gè)約束把飛機(jī)零件固定在正確的位置上。

過(guò)定位：在空間里定位飛機(jī)零件的約束超過(guò)了6 個(gè)。

想要一個(gè)物體在空間有一個(gè)確定的位置，就必須在任意一個(gè)自由度上設(shè)置一個(gè)約束，即要有6 個(gè)約束。如果一個(gè)物體的約束少于6 個(gè)，這個(gè)物體在空間的位置就是不確定的。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中的靜不定結(jié)構(gòu)就屬于約束不夠的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，等于或大于6個(gè)約束的，叫靜定結(jié)構(gòu)。在機(jī)械制造行業(yè)中，零件在工裝上的定位約束不能少于6 個(gè)，但也不能大于6 個(gè)。零件的組裝約束也是不能超過(guò)6 個(gè)的。如果大于6 個(gè)，就會(huì)造成“公差干涉”、“尺寸鏈封閉”的現(xiàn)象，少于6 個(gè)約束，零件顯然沒(méi)完全定住。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的約束必須少于6 個(gè)，否則機(jī)構(gòu)動(dòng)不了。所有要求強(qiáng)度、剛度的不可拆靜定結(jié)構(gòu)，其約束都是可以超過(guò)6 個(gè)的，像飛機(jī)蒙皮的鉚接、裝配夾具上的構(gòu)架都是這樣的。

典型案例分析

在我們的日常工作中經(jīng)常會(huì)接觸到零件定位方式不準(zhǔn)確，比如曲面蒙皮定位多達(dá)5、6 個(gè)，定位面過(guò)大等問(wèn)題，導(dǎo)致零件加工裝配不協(xié)調(diào)，故障反復(fù)出現(xiàn)，疲于應(yīng)付，久拖不決，影響生產(chǎn)、裝配進(jìn)度與質(zhì)量。

在介紹這幾個(gè)案例之前需要介紹一下常見(jiàn)曲面的約束定位方式，曲度較小的曲面，可以將其按平面理解和處理。曲度較大的曲面（如馬鞍形），可以這樣來(lái)理解：當(dāng)零件放到定位器上時(shí)，就已經(jīng)形成了5 個(gè)約束，約束了3 個(gè)旋轉(zhuǎn)、2 個(gè)平移，只剩下一個(gè)平移，再加一個(gè)長(zhǎng)圓孔（長(zhǎng)圓方向垂直于可移動(dòng)方向），定位就已經(jīng)完全了。

軍機(jī)機(jī)型蒙皮零件

軍機(jī)機(jī)型蒙皮零件16.1100.A.801.xxx.為拉深化銑蒙皮，零件上2 個(gè)直徑8mm 的裝配定位孔和3 個(gè)直徑5.2mm 的化銑定位孔，如圖2 所示。最初，我們使用3 個(gè)5.2mm 的定位孔作為切邊定位與化銑定位來(lái)使用，由零件制造廠在模胎上制出零件上的3 個(gè)5.2mm 定位孔，后續(xù)化銑廠化銑中共同使用這3 個(gè)孔。但在實(shí)際使用中3 個(gè)定位孔經(jīng)常不協(xié)調(diào)，需要反復(fù)返修工裝或者銼修定位孔來(lái)解決此問(wèn)題。

圖2 改造前

技術(shù)人員為了從根本上解決此問(wèn)題，取消了3 個(gè)5.2mm 定位孔作為前后工序傳承定位的方案，改用零件上2 個(gè)直徑8mm 的裝配孔來(lái)定位。這一方案技術(shù)人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到原來(lái)方案定位多的弊端，但還是沒(méi)有將定位多即過(guò)定位的問(wèn)題從根本上解決。并且此方案統(tǒng)一了零件制造廠、化銑廠、裝配廠的定位問(wèn)題，3 家統(tǒng)一使用2 個(gè)8mm 的裝配孔來(lái)定位，減少了累計(jì)誤差、降低了協(xié)調(diào)難度。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，零件制造協(xié)調(diào)問(wèn)題較之前有所減少。而冬季來(lái)臨后我們使用的工裝因?yàn)椴馁|(zhì)原因以及存放溫度低等綜合因素，導(dǎo)致不同工序使用的制造工裝之間定位孔再次協(xié)調(diào)不上，工裝大量返修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)周期。

最終，我們按照零件空間自由度的思路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。零件在工裝上定位，在一個(gè) 8mm 孔定位后，加上工裝型面的約束零件就只剩下半個(gè)自由度了，零件只能在工裝型面上繞 8mm 的銷(xiāo)做微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。我們的做法是在零件上制2個(gè) 8mm孔，后續(xù)工序工裝上我們將其中一個(gè)孔做成長(zhǎng)圓孔形式。具體是兩孔中心連線，長(zhǎng)圓孔長(zhǎng)軸與連線重合。此方法解決了過(guò)定位問(wèn)題，各工裝之間不協(xié)調(diào)問(wèn)題徹底解決，如圖3 所示。

圖3 改造后

AUK 機(jī)翼前緣項(xiàng)目

AUK 機(jī)翼前緣項(xiàng)目的鈑金零件D574-49200-200/201（俗稱(chēng)小背心），外形如圖4 示。8 廠拉深成形后，由11 廠進(jìn)行外形銑切工序。之前11 廠在銑切夾具上的定位是：將零件置于全型面定位胎上，然后插上兩個(gè)圓柱銷(xiāo)，結(jié)果經(jīng)常發(fā)生銷(xiāo)子插不進(jìn)去的現(xiàn)象。核查8 廠零件的形狀、孔位均無(wú)問(wèn)題，符合8 廠的工裝。

圖4 AUK 機(jī)翼前緣項(xiàng)目鈑金零件外形圖

究其原因是銑切夾具上過(guò)定位導(dǎo)致的。采取的處理辦法是這樣的：取消兩個(gè)定位圓孔中的一個(gè)，把另一個(gè)改為長(zhǎng)圓孔，即采用了上述曲面常見(jiàn)的定位方式，問(wèn)題完全得到解決。其實(shí)還有一個(gè)缺陷，就是銑切夾具上的定位胎不應(yīng)當(dāng)是全型面的，在后續(xù)的改進(jìn)中我們將銑切夾具型面改為點(diǎn)接觸，其余部位做0.5mm 躲避處理。

ARJ 項(xiàng)目的鈑金零件

ARJ 項(xiàng)目的鈑金零件553A6200-020-003 是一個(gè)化銑件，形狀是馬鞍曲面形（圖5），化銑樣板與零件外形相同。在42 廠化銑刻型前要將化銑樣板與零件定位在一起。按目前大家的理解，其需要少則3、4 個(gè)，多則6、7 個(gè)定位孔來(lái)定位。此類(lèi)零件的特殊性就在于零件和樣板定位后的夾緊比較困難，正巧在這個(gè)類(lèi)型零件中，借助于鈑金件可變形性和其彈性，在多個(gè)孔上插銷(xiāo)子可很好地起到夾緊作用，但由于這種鈑金件成形后的狀態(tài)粗糙，其上又有6、7 個(gè)定位孔，所以孔位實(shí)在很難準(zhǔn)確協(xié)調(diào)。在定位時(shí)，往往出現(xiàn)銷(xiāo)釘插不上的現(xiàn)象，或勉強(qiáng)插上之后樣板或零件貼附不好局部起鼓。這是一個(gè)典型的過(guò)定位現(xiàn)象，讓正常誤差積累最終集中在了化銑件定位環(huán)節(jié)。之所以過(guò)定位，是由于化銑定位中存在錯(cuò)誤概念，把起夾緊作用的孔當(dāng)成定位孔，依此概念要求在零件上制出7 個(gè)定位孔。

圖5 馬鞍曲面形

按照理論概念，這種情況下的定位，無(wú)論定位孔設(shè)置在馬鞍頂部，或在馬鞍側(cè)面，只能用一個(gè)長(zhǎng)圓孔來(lái)定位。鑒于中大型蒙皮類(lèi)形狀粗糙，樣板形狀也比較粗糙，勉強(qiáng)在頂部最多只能用兩個(gè)圓孔來(lái)定位，這時(shí)約束已經(jīng)大于6個(gè)了，而其余孔只能用作固定夾緊使用，可以為夾緊作用的孔定制一系列的小銷(xiāo)子，只要能插進(jìn)固定即可。

結(jié) 束 語(yǔ)

蒙皮制造是航空制造中比較復(fù)雜的一類(lèi)制造技術(shù)。因其制造成本高、外形復(fù)雜、工序多，需要協(xié)調(diào)的環(huán)節(jié)就多。目前，我們還沒(méi)有完全普及柔性制造技術(shù)，所以每個(gè)工序環(huán)節(jié)的剛性工裝就需要通過(guò)定位孔來(lái)協(xié)調(diào)零件的型面一致性。在這個(gè)過(guò)程中過(guò)定位問(wèn)題如影隨形，始終困擾著我們。本文通過(guò)基本概念介紹，多個(gè)案例分析，闡述了曲面蒙皮制造中協(xié)調(diào)各制造環(huán)節(jié)的定位形式，為后續(xù)蒙皮的制造提供了借鑒。