基于不同定位基準(zhǔn)的復(fù)合材料護(hù)板容差分析研究

劉彥汝，周 大，楊 超，馮紹紅，周欣康，謝 輝

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司復(fù)合材料加工廠，成都 610092）

先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced composite materials，ACM）主要指高性能纖維（如硼纖維、碳纖維和芳綸）等增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料[1-2]，隨著材料工藝的成熟及產(chǎn)品質(zhì)量的提高，高性能復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用比例大幅度提升[3-4]，以其耐高溫、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好、性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)[5-6]，在現(xiàn)代飛行器小翼面部件（鴨翼、垂尾、方向舵、內(nèi)側(cè)副翼、外側(cè)副翼、襟翼、腹鰭等）和艙門類部件（艙門、護(hù)板等）上取得重要應(yīng)用。復(fù)合材料零件熱成型過程中的變形和厚度控制困難，部件定位方式和容差分配的合理性在很大程度上影響著飛機(jī)部件裝配質(zhì)量和效率[7-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在航空裝配、容差分析方面進(jìn)行了多樣化的深入研究。Hillyard 利用計(jì)算機(jī)輔助軟件對(duì)飛機(jī)制造過程中的容差分配進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化[9]；呂瑞強(qiáng)[7]、王新[10]等借助軟件建立三維容差分析模型，對(duì)飛機(jī)部件裝配的誤差累計(jì)、容差分配、工藝流程進(jìn)行研究；檀甜甜等[11]從容差建模、容差設(shè)計(jì)、容差分析、容差優(yōu)化4 個(gè)方面，介紹了容差分配技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域的研究、實(shí)踐和應(yīng)用情況；王學(xué)剛等[12]采用極限法分析多項(xiàng)環(huán)節(jié)誤差，提出了協(xié)調(diào)孔及測(cè)量銷工藝容差分配方法；趙建國(guó)等[13]介紹了面向飛機(jī)數(shù)字化裝配的測(cè)量基準(zhǔn)標(biāo)定、測(cè)量設(shè)備協(xié)同工作模式等方法；李玉山[14]、欒新慧等[15]結(jié)合A380 復(fù)材翼肋、車門偏差關(guān)系模型、自動(dòng)裝配線等具體案例，提出針對(duì)具體模型的優(yōu)化裝配及智能監(jiān)測(cè)方法。

本文結(jié)合某復(fù)合材料護(hù)板（以下簡(jiǎn)稱“護(hù)板”）的實(shí)際制造狀態(tài)，研究采用兩種不同的數(shù)控銑切定位方式對(duì)該部件整個(gè)制造過程中容差分配的影響，使用MATLAB 軟件編程計(jì)算模擬各制造公差獨(dú)立狀態(tài)下最終裝配容差的分布式，為該部件數(shù)控銑切的定位方式、工序設(shè)置、夾具設(shè)計(jì)和外形檢測(cè)提供依據(jù)。

1 某復(fù)合材料護(hù)板制造過程誤差積累

1.1 復(fù)合材料護(hù)板制造過程簡(jiǎn)介

本文選用的復(fù)合材料護(hù)板主要由樹脂基碳纖維復(fù)合材料內(nèi)蒙皮、樹脂基碳纖維復(fù)合材料外蒙皮、泡沫夾芯和3 個(gè)金屬接頭組成，如圖1 所示。該復(fù)材護(hù)板采用手工鋪疊、陽(yáng)模成型的方式成型，即先在成型模具上以手工鋪疊的方式鋪疊外蒙皮，再鋪疊外蒙皮與夾芯之間的膠膜，然后依照激光投影儀的投影線或定位工裝定位夾芯，再鋪疊夾芯與外蒙皮之間的膠膜，最后鋪疊內(nèi)蒙皮。鋪疊內(nèi)蒙皮的過程中，受到手工鋪疊作業(yè)不規(guī)則壓力的作用，夾芯易在XY 平面滑移。鋪疊完成后，將護(hù)板抽真空后連同模具送入熱壓罐固化。固化成型后，數(shù)控銑切去除外蒙皮邊的余量。最后在裝配工序中安裝3個(gè)金屬接頭，將復(fù)材護(hù)板安裝到機(jī)身上。

護(hù)板類部件與機(jī)身協(xié)調(diào)和配合要求高，以本文的護(hù)板部件為例，護(hù)板的4 條邊與機(jī)身存在對(duì)縫配合關(guān)系，采用數(shù)控銑切蒙皮4 條邊外形余量的工序，護(hù)板的定位方式及定位基準(zhǔn)均對(duì)后續(xù)交點(diǎn)接頭安裝、裝機(jī)后對(duì)縫間隙有直接影響，進(jìn)而影響飛機(jī)的表面質(zhì)量及隱身等性能。

1.2 護(hù)板制造過程中的制造公差

護(hù)板安裝在機(jī)身上的間隙設(shè)為Δ，在護(hù)板未裝機(jī)之前，Δ 無法被測(cè)量，故在制造過程中引入一個(gè)工藝參數(shù)，即護(hù)板相對(duì)于理論數(shù)模的相對(duì)間隙公差，設(shè)為T。

對(duì)于采用手工鋪疊、陽(yáng)模成型的制造方式制造該護(hù)板，每個(gè)制造環(huán)節(jié)都存在公差，其參數(shù)設(shè)為μ。

（1）外蒙皮的厚度公差為μ1。當(dāng)外蒙皮厚度為1.5mm，厚度公差允許值為零件厚度的5% 時(shí)μ1=±0.075mm；（2） 膠膜單層厚度公差為μ2，設(shè)：μ2=0.2±0.05mm；（3） 夾芯邊緣輪廓數(shù)控銑切外形公差為μ3，設(shè)：μ3=±0.2mm；（4） 夾芯數(shù)控銑切厚度公差為μ4，按航標(biāo)HB5800—1999：μ4=±0.26mm；（5） 內(nèi)蒙皮的厚度公差為μ5，當(dāng)內(nèi)蒙皮厚度為1.5mm，厚度公差允許值為零件厚度的5%時(shí)μ5=±0.075mm；（6） 按照型架制工藝耳片，孔位偏差為μ6，設(shè)：μ6=±0.02mm；（7） 按照激光投影儀鋪疊夾芯，鋪疊定位位置公差為μ7，設(shè)：μ7=±1mm；（8） 數(shù)控銑切復(fù)材零件外輪廓的外形公差為μ8，設(shè)：μ8=±0.2mm。

2 容差分配

2.1 護(hù)板主體區(qū)域的厚度公差

復(fù)材護(hù)板主體區(qū)域指如圖1 所示的Z 方向上包含內(nèi)蒙皮、外蒙皮和夾芯的區(qū)域，設(shè)該區(qū)域制造過程中厚度公差T1，包含內(nèi)蒙皮、外蒙皮、夾芯和上下各一層膠膜的公差積累：

T1=μ1+2μ2+μ4+μ5

若零件尺寸在公差范圍呈現(xiàn)均勻分布，設(shè)總公差為T1，代入數(shù)據(jù)得：

T1=（0.4±0.51）mm

若零件尺寸在公差范圍呈現(xiàn)正態(tài)分布，設(shè)某公差Y=T1±α，若該公差滿足Y～N(μ，σ2)正態(tài)分布，根據(jù)正態(tài)分布的“3σ”原則，σ=α/3。若μ1、μ2、μ4、μ5均滿足正態(tài)分布，使用MATLAB 編程模擬計(jì)算總公差T1的值，樣本容量為10000，即進(jìn)行10000 次隨機(jī)取值計(jì)算，每一項(xiàng)獨(dú)立公差都在概率上滿足正態(tài)分布。得到最終厚度公差頻率分布直方圖如圖2 所示，擬合得到公差的正態(tài)分布式和最終公差表達(dá)式為：

T1～N（0.4，0.09632）

T1=（0.4±0.2888）mm

生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，使用正態(tài)分布來評(píng)估制造裝配誤差比均勻分布更具準(zhǔn)確性。下文的計(jì)算中，如無特別說明，設(shè)獨(dú)立公差參數(shù)μ均服從正態(tài)分布。無論后續(xù)采用蒙皮工藝耳片定位方案還是內(nèi)型面凸緣定位方案，該厚度公差主要影響護(hù)板裝機(jī)后護(hù)板外蒙皮與機(jī)身外蒙皮之間對(duì)縫的階差，因?yàn)樵撾A差可以通過動(dòng)力拉桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，故本文不作深入探討。

2.2 蒙皮工藝耳片定位方案的外形容差分析

蒙皮工藝耳片定位方案是一種優(yōu)先保證外蒙皮絕對(duì)位置準(zhǔn)確性的定位方案。具體裝配方案是在鋪疊外蒙皮時(shí)，在零件邊緣留有足夠的余量，并在外蒙皮余量上保留工藝耳片，如圖3 所示。通過成型模具上的制孔工裝，在工藝耳片上制出定位孔。數(shù)控加工時(shí)，以工藝耳片上的定位孔進(jìn)行定位，銑切余量。然后再切除工藝耳片。在裝配型架上裝配3 個(gè)金屬接頭時(shí)，因?yàn)橥饷善み吘壩恢脺?zhǔn)確性高，故以外蒙皮兩條外形邊（如圖3 藍(lán)色直線所示）為基準(zhǔn)進(jìn)行凈邊定位。故兩條定位邊的相對(duì)余量為0。設(shè)另外兩條外形邊的余量公差為T2，T2取該外形邊處公差的最大值T2=2μ8。

圖1 復(fù)合材料護(hù)板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Composite material shield structure diagram

各獨(dú)立公差滿足正態(tài)分布，代入數(shù)據(jù)，使用MATLAB 編程模擬計(jì)算，得到T2服從正態(tài)分布的公差表達(dá)式為T2=±0.2820mm。

設(shè)A1、A2等4 條內(nèi)型面邊公差為T3：

T3=μ2+μ3+μ5+μ6+μ7

各獨(dú)立公差滿足正態(tài)分布，代入數(shù)據(jù)，使用MATLAB 編程模擬計(jì)算，得到T3服從正態(tài)分布的公差表達(dá)式，計(jì)算10 次取平均值，得到T3=（0.2±1.0189）mm。

如圖3 所示，內(nèi)型面凸緣面B1、B2處公差為T3=（0.2±1.0189）mm，該部位是金屬接頭裝配的重要安裝面、重要承力面，若此處制造公差過大，無論是打磨金屬接頭還是加墊，均極易超出設(shè)計(jì)條件允許范圍，故不建議采用工藝耳片定位的數(shù)控銑邊方案。

2.3 內(nèi)型面凸緣定位方案的外形容差分析

內(nèi)型面凸緣定位方案是一種優(yōu)先保證內(nèi)型面金屬接頭安裝面準(zhǔn)確性的定位方案。具體裝配方案是定制專用數(shù)控銑切夾具，以復(fù)材護(hù)板內(nèi)型面安裝金屬接頭位置的兩個(gè)凸緣面，如圖4 所示，A1、A2兩個(gè)凸緣面為定位面。數(shù)控銑切后，裝配3 個(gè)金屬接頭工序中同樣以如圖4 中A1、A2兩個(gè)凸緣面為定位面，數(shù)控銑切和金屬接頭裝配的定位基準(zhǔn)保持一致。故A1、A2兩個(gè)凸緣面相對(duì)余量為0，4 條外形邊余量公差T4等于數(shù)控銑切復(fù)材零件外輪廓的外形公差μ8，即：

T4=μ8

代入數(shù)據(jù)得：

T4=±0.2mm

設(shè)A3、A4兩個(gè)凸緣面的外形公差為T5，T5取該外形邊處公差的最大值：

T5=2μ2+2μ3+2μ5

各獨(dú)立公差滿足正態(tài)分布，代入數(shù)據(jù)，使用MATLAB 編程模擬計(jì)算，得到T5服從正態(tài)分布的公差表達(dá)式為：

T5=（0.4±0.3114）mm

若采用該定位方式，可以避免按照激光投影儀鋪疊夾芯的鋪疊定位誤差μ7對(duì)復(fù)材護(hù)板xy 平面裝配誤差產(chǎn)生的影響，安裝金屬接頭時(shí)不需要打磨或加墊，且其余各外形邊的誤差也均能達(dá)到裝機(jī)要求。

圖2 復(fù)合材料護(hù)板夾心區(qū)域膠接成形厚度公差模擬計(jì)算頻率分布直方圖Fig.2 Composite material shield sandwich area bonding forming thickness tolerance simulation calculation frequency distribution histogram

圖3 復(fù)合材料護(hù)板工藝耳片定位方案外形公差圖Fig.3 Composite material shield technology ear positioning scheme shape tolerance diagram

圖4 復(fù)合材料護(hù)板內(nèi)型面凸緣定位方案外形公差圖Fig.4 Composite material shield inner profile flange positioning scheme shape tolerance diagram

復(fù)材護(hù)板類部件的膠接成形、數(shù)控銑邊、接頭安裝等工序均必須保證護(hù)板裝機(jī)過程中兩個(gè)最重要的裝配要素：護(hù)板外蒙皮邊緣與機(jī)身口框配合的對(duì)縫間隙及階差；護(hù)板金屬接頭與機(jī)身鉸鏈連接處的配合面及同軸度公差。采用數(shù)控銑邊后，因?yàn)閿?shù)控銑切的高精度（現(xiàn)代數(shù)銑已經(jīng)能將μ8控制在±0.2mm 以內(nèi)），第1 個(gè)要素可以依靠數(shù)控銑邊來保證，第2 個(gè)要素則要通過合理的容差分配，調(diào)整定位及裝配方案，保證各項(xiàng)制造誤差在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

綜上所述，本文分析研究了兩種不同的數(shù)控銑切定位方案對(duì)復(fù)材護(hù)板容差分配及裝配協(xié)調(diào)的影響，得到兩種方案在各制造公差獨(dú)立狀態(tài)下的最終裝配容差分布式，通過對(duì)比論證，內(nèi)型面凸緣定位方案充分利用了數(shù)控銑邊的高精度來保證裝機(jī)后的對(duì)縫間隙公差，又合理、高效地保證了金屬接頭的安裝精度，比蒙皮工藝耳片定位方案的容差分配更合理。

3 結(jié)論

本文研究?jī)煞N不同的數(shù)控銑切定位方案對(duì)復(fù)合材料護(hù)板容差分配及協(xié)調(diào)的影響，使用MATLAB 軟件編程計(jì)算模擬各制造公差獨(dú)立狀態(tài)下最終裝配容差的分布式，證明內(nèi)型面凸緣定位方案比蒙皮工藝耳片定位方案更合理，并為數(shù)控銑切的詳細(xì)定位方式和銑夾設(shè)計(jì)提供依據(jù)。