無余量裝配技術(shù)在復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)部段上的應(yīng)用*

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

先進復(fù)合材料由于比強度高、比剛度大、可設(shè)計性強等優(yōu)點，在飛機產(chǎn)品研制中日益受到青睞；同時，復(fù)合材料的大量應(yīng)用不僅可以明顯減重，提高飛機性能，而且大大減少了零部件數(shù)量，利于大部件組裝，不易產(chǎn)生腐蝕及疲勞[1-4]。近些年來，國內(nèi)部分無人機項目甚至采用了全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，先進復(fù)合材料在整機中的比重達到60%以上。傳統(tǒng)飛機裝配時，若零部件間相互具有協(xié)調(diào)關(guān)系，通常在零件制造時在配合區(qū)域留出足夠余量，或加工后留出一定余量用于試配，某些重要零件最終還需通過補加工的方式以滿足裝配精度要求[5]。隨著整機中采用復(fù)合材料的部位越來越多，零件配合面關(guān)系復(fù)雜、加工難度大等特點導(dǎo)致傳統(tǒng)方法已不再適合復(fù)合材料部段的裝配。數(shù)字化裝配技術(shù)近幾十年得到了長足發(fā)展，尤以MBD（Model Based Definition）技術(shù)、數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)、數(shù)字化測量及檢測技術(shù)、數(shù)字標(biāo)工及協(xié)調(diào)技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用為代表[6-11]。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展促進了零件加工無余量、裝配精確定位無余量裝配方法的提出和應(yīng)用，提高了復(fù)合材料部段裝配效率和質(zhì)量。無余量裝配是一種數(shù)字化精確裝配技術(shù)，是將數(shù)字化協(xié)調(diào)、裝配工藝設(shè)計、容差分配和數(shù)字化裝配等技術(shù)集成的融合技術(shù)[12]。通過數(shù)字化協(xié)調(diào)及特定工藝處理措施，可實現(xiàn)無反復(fù)裝配、裝配后無需補加工等操作。本文結(jié)合全復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)部段的特點，研究并詳細(xì)描述了無余量裝配技術(shù)在其裝配中的應(yīng)用情況。

1 全復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)部段及其特點

某型號全復(fù)合材料機身所有蒙皮、框梁等骨架結(jié)構(gòu)均采用先進復(fù)合材料，在整機中的比重約60%。整機蒙皮為上下半殼的雙曲型面半封閉結(jié)構(gòu)（3件），采用一體化成型工藝制造，并與關(guān)鍵承力框梁結(jié)構(gòu)進行機械連接，因此需在上下蒙皮半殼內(nèi)部的關(guān)鍵承力框及蒙皮上安裝金屬或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鉸鏈接頭、控制接頭及其他安裝接口零件。

蒙皮結(jié)構(gòu)的外形、框梁和蒙皮的配合面型面復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，而復(fù)合材料蒙皮采用了先進工藝技術(shù)，將原有若干件蒙皮整合為一體結(jié)構(gòu)，因此蒙皮之間的對接工作量大大減少，但對接質(zhì)量難以保證。機身部段具有以下典型的關(guān)鍵裝配協(xié)調(diào)特征：復(fù)合材料蒙皮間對縫間隙要求為2±0.5mm；蒙皮在航向方向的位置精度要求不大于0.5mm；關(guān)鍵接頭（如左右起落架艙門鉸鏈接頭）的位置精度要求較高。

目前，復(fù)合材料整體蒙皮通過反復(fù)修配的方法實現(xiàn)蒙皮間的對縫間隙大小，蒙皮航向位置也是通過劃線的方式確定其邊界，裝配質(zhì)量和工人的操作水平有著較大的關(guān)系，而這種高標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝很難保證裝配精度要求。同時，鉸鏈接頭等零件裝配精度控制通過傳統(tǒng)型架定位，由于制造和調(diào)整誤差積累，裝配后無法達到精度要求，最終還需進行補加工工序。另外，由于全復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)限制，很多情況下無法給補加工提供足夠的操作空間。

2 無余量裝配技術(shù)的應(yīng)用

無余量裝配技術(shù)的基礎(chǔ)是設(shè)計和制造過程的數(shù)字化，即采用數(shù)字量傳遞的方式減少誤差積累，提高協(xié)調(diào)精度。全復(fù)合材料機身采用全三維數(shù)字化設(shè)計，在產(chǎn)品設(shè)計-工藝設(shè)計-工裝設(shè)計-產(chǎn)品零件加工-工裝制造及裝配等環(huán)節(jié)無任何二維圖紙下發(fā)。整個制造流程采用了數(shù)字量傳遞，大大減少了由于傳統(tǒng)模擬量傳遞帶來的誤差積累和其他因素造成的協(xié)調(diào)裝配問題。各種零件以數(shù)控機床進行加工，用來保證零件協(xié)調(diào)孔等其他尺寸精度，并使零件完全按照設(shè)計公差要求加工至凈邊尺寸；協(xié)調(diào)孔位置盡量選取連接孔或采用工藝耳片孔等，孔徑較連接孔小，連接孔數(shù)量及布局能夠?qū)⒘慵蚨ㄎ黄魍耆ㄎ?；裝配型架的制造、裝配以激光跟蹤儀等數(shù)字設(shè)備確保定位器精確性，并在裝配型架設(shè)計階段就考慮定位器之間的協(xié)調(diào)安裝精度及安裝要求。下面以復(fù)合材料蒙皮及起落架鉸鏈臂無余量裝配為例進行闡述。

2.1 機身復(fù)合材料蒙皮無余量裝配工藝

2.1.1 復(fù)合材料蒙皮凈邊修切傳統(tǒng)問題及難點

作為構(gòu)成氣動外形的關(guān)鍵零件，復(fù)合材料蒙皮外形復(fù)雜，尺寸范圍變化大，剛度較高。由于其材料特性，復(fù)合材料蒙皮無法使用先前的金屬材料蒙皮凈邊的加工方法?，F(xiàn)有技術(shù)存在如下問題：第一，由于復(fù)合材料蒙皮為一體化整體成型，因此零件外形精度很大程度上決定了飛機氣動外形精度，但現(xiàn)有的復(fù)合材料蒙皮成型后會產(chǎn)生一定的變形量，因此無法在零件狀態(tài)下準(zhǔn)確確定凈邊精度。第二，復(fù)合材料屬于難加工材料，對于有相互對接要求的蒙皮，傳統(tǒng)的凈邊修配方法以外形卡板確定外形精度，采用相互反復(fù)試配來確定每件蒙皮的凈邊精度，費時費力，裝配效率較低。第三，反復(fù)修配對于工人的技術(shù)水平要求較高，得到的結(jié)果因人而異，修配后的蒙皮間隙往往產(chǎn)生大小不均勻、局部超差嚴(yán)重等質(zhì)量缺陷。第四，蒙皮最終的總裝對接過程中研制了大量的外形卡板用于外形精度的控制，從而導(dǎo)致型架結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而且蒙皮的試配過程也需不斷拆卸和安裝卡板，操作不便，難以縮短裝配周期。

2.1.2 復(fù)合材料蒙皮凈邊無余量修切及無余量裝配方法

機身部段復(fù)合材料蒙皮裝配時采用協(xié)調(diào)孔定位，通過協(xié)調(diào)孔的精度間接保證蒙皮相對于整機的位置精度以及對縫間隙大小，通過蒙皮凈邊定位板協(xié)調(diào)不同蒙皮凈邊邊界。協(xié)調(diào)孔在工藝設(shè)計過程中和產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計共同進行確認(rèn)。協(xié)調(diào)孔和蒙皮凈邊定位板設(shè)計時需考慮以下因素：協(xié)調(diào)孔在不同蒙皮的分布位置及結(jié)構(gòu)形式；定位板在不同裝配型架上的定位結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)精度等。

復(fù)合材料蒙皮在成型制造過程中易產(chǎn)生變形，因此協(xié)調(diào)孔位置應(yīng)處于蒙皮中心對稱線上，沿飛機航向共設(shè)置兩處，其中一處應(yīng)設(shè)計為長圓孔以避免蒙皮變形或誤差積累。根據(jù)蒙皮外形面及結(jié)構(gòu)尺寸大小，可以設(shè)置輔助定位孔，并設(shè)置在蒙皮和框梁等結(jié)構(gòu)的連接孔處。

如上所述，采用協(xié)調(diào)孔裝配是解決復(fù)合材料蒙皮無余量裝配的關(guān)鍵。雖然目前裝配過程大量采用數(shù)字化裝配，但由于成型技術(shù)的局限性，復(fù)合材料蒙皮成型后產(chǎn)生的變形導(dǎo)致協(xié)調(diào)孔制孔難度較大，所以協(xié)調(diào)孔若按照理論位置加工，會導(dǎo)致蒙皮外形精度或?qū)p間隙超差。因此，復(fù)合材料蒙皮上的協(xié)調(diào)孔制孔方法不同于金屬材料蒙皮，有兩種方法可以實現(xiàn)協(xié)調(diào)孔的加工：一種是在復(fù)合材料蒙皮模具數(shù)字化設(shè)計時，首先在復(fù)合材料蒙皮的成型模具上給每個協(xié)調(diào)孔單獨設(shè)置一個可拆卸的協(xié)調(diào)孔鉆模，該鉆模在成型模具上能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度定位?？刹鹦躲@模在復(fù)合材料蒙皮固化成型并完全冷卻后，被安裝至成型模具，同時在復(fù)合材料蒙皮不脫離模具的情況下鉆制協(xié)調(diào)孔，鉆制完成后取下復(fù)合材料蒙皮。另外一種方法是研制專用蒙皮試配修切型架，該型架上具備蒙皮定位的關(guān)鍵部件，如外形卡板、蒙皮凈邊修切樣板等。復(fù)材蒙皮以外形卡板作為主定位方式，蒙皮上理論刻線作為輔助定位基準(zhǔn)，定位、固定后按照在型架上設(shè)置的協(xié)調(diào)孔鉆模加工協(xié)調(diào)孔。在修切型架上通過協(xié)調(diào)孔定位復(fù)材蒙皮的位置之后，將凈邊一次加工到位。

將具有相互配合要求的復(fù)材蒙皮分別進行凈邊協(xié)調(diào)孔和凈邊的加工之后，在總裝型架上同樣依靠協(xié)調(diào)孔定位蒙皮位置，可以實現(xiàn)一次性無反復(fù)裝配。由于采用協(xié)調(diào)孔進行定位對接，蒙皮在凈邊修切時就保證了外形面在飛機坐標(biāo)系下的精確度，而在總裝時無需采用外形卡板來保證，簡化了總裝裝配型架的結(jié)構(gòu)，減少了定位操作步驟，提高了裝配效率，其中蒙皮對縫間隙精度可保證在±0.3mm，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料蒙皮無余量裝配方法Fig.1 Net assmbly processing of composites aircraft skin

2.2 具有高精度協(xié)調(diào)要求的起落架艙門鉸鏈接頭裝配

艙門結(jié)構(gòu)主要由復(fù)合材料艙門壁板、金屬材料的主動和從動鉸鏈臂等零組件組成。艙門和機身裝配時，要保證鉸鏈臂定位位置準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)，艙門壁板和機身壁板對縫間隙大小均勻。艙門壁板為復(fù)合材料成型制造，在外形輪廓方向留有加工余量，用來保證它和機身開口之間的間隙和階差。由于艙門外形曲率變化較小，在模具設(shè)計時，將理論凈邊輪廓標(biāo)記在模具上作為后續(xù)工作的參考。傳統(tǒng)的艙門裝配方法是將機身接頭用型架定位裝配，之后將鉸鏈臂安裝至機身對應(yīng)接頭交點中，然后將艙門壁板和機身開口和鉸鏈臂反復(fù)試配，確保其間隙、階差等表面質(zhì)量；若表面質(zhì)量出現(xiàn)問題，還需對鉸鏈孔進行補加工。無余量裝配方法是將艙門壁板、鉸鏈臂等零件一次性裝配完成，并將艙門壁板凈邊一次性加工到位，裝配時無需進行再試配。

艙門裝配型架和機身裝配型架設(shè)計時，同樣基于同一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，采用數(shù)字化設(shè)計、制造和裝配。針對兩個型架上具有協(xié)調(diào)關(guān)系的定位器，如艙門凈邊定位板和機身艙門開口凈邊定位板、艙門鉸鏈臂交點和機身鉸鏈臂接頭交點定位器等設(shè)計時，均考慮了相互協(xié)調(diào)精度容差設(shè)計和數(shù)字化協(xié)調(diào)裝配，在設(shè)計過程中將具有協(xié)調(diào)關(guān)系的部位的精度公差進行合理分配，使誤差積累降至最低。下面以鉸鏈臂的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系為例，說明其協(xié)調(diào)裝配方法。起落架艙門鉸鏈臂交點激光靶標(biāo)點以交點孔為基準(zhǔn)進行設(shè)計，如圖2所示。

圖2 起落架艙門鉸鏈臂和機身交點定位方式Fig.2 Positioning method for junction of landing gear door and fuselage bay

為協(xié)調(diào)起落架鉸鏈臂等零件在機身上的裝配精度要求，起落架艙門上零件的定位器和機身上零件定位器都通過激光跟蹤儀在線調(diào)整，將兩套型架上的定位器姿態(tài)調(diào)整為一致，如圖3所示。

通常情況下，工具球坐標(biāo)值調(diào)整誤差一般在±0.1mm以內(nèi)，若對此誤差不加控制，很容易造成誤差積累，導(dǎo)致零件協(xié)調(diào)性差。為達到協(xié)調(diào)一致的要求，實際調(diào)整情況如下：機身結(jié)構(gòu)工具球OTP01-9某個坐標(biāo)值若實際偏差范圍落在-0.1～0 mm之間，相應(yīng)起落架艙門上定位器工具球坐標(biāo)值也應(yīng)落在-0.1～0 mm之間，反之亦然；協(xié)調(diào)要求越高，調(diào)整精度值方位要求越小，以此減少安裝誤差。同時，艙門壁板凈邊定位板上工具球相應(yīng)坐標(biāo)值也保證在-0.1～0 mm之間，以保證蒙皮凈邊和艙門鉸鏈交點的協(xié)調(diào)精度。經(jīng)改進后的理論工具球坐標(biāo)點數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 定位精度在線調(diào)整現(xiàn)場Fig.3 Adjustment process scene of positional accuracy

表1 艙門鉸鏈臂交點理論工具球坐標(biāo)點

由于鉸鏈接頭、鉸鏈臂以及其他零件工裝定位件都處在協(xié)調(diào)后的同一坐標(biāo)系下，因此可以間接保證零部件間的位置精度等要求，如艙門蒙皮和鉸鏈臂的相對位置精度、機身艙門開口和鉸鏈接頭的相對位置精度等。裝配后的艙門和機身開口間隙≤1.5mm，階差≤1mm，符合技術(shù)要求。鉸鏈接頭、鉸鏈臂安裝緊固在復(fù)合材料壁板內(nèi)形面上，由于復(fù)合材料的變形等缺陷，零件和蒙皮內(nèi)形面之間存在不均勻間隙，該間隙可通過加液體墊片等方式進行補償，以保證裝配后的精度。為避免裝配時產(chǎn)生應(yīng)力，零件定位時需確保零件間不產(chǎn)生干涉，采用液體墊片時應(yīng)盡量用較小的壓力甚至不加壓裝配進行自然狀態(tài)固化。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)字化方法實現(xiàn)制造過程數(shù)字量傳遞，根據(jù)產(chǎn)品特點進行數(shù)字化裝配工藝/工裝設(shè)計和制造。采用無余量裝配方法制造的全復(fù)合材料飛機部段產(chǎn)品最終完全滿足技術(shù)要求，解決了之前手工修配、裝配后補加工帶來的效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。復(fù)合材料壁板類零件的凈邊可一次實現(xiàn)裝夾和加工，質(zhì)量和效率都得到了大幅度提升，關(guān)鍵零件也實現(xiàn)了無反復(fù)的無余量裝配，裝配后也無需進行補加工?？梢钥闯?，無余量裝配技術(shù)具有高效簡潔的特點，非常適用于復(fù)合材料部段的裝配，其應(yīng)用前景會越來越好。

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