復(fù)材壁板裝配變形和應(yīng)力控制研究

徐智峰 溫愷 黃寧

摘要：各飛機(jī)制造企業(yè)，逐漸采用復(fù)材整體壁板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬組裝壁板。但由于飛機(jī)壁板輪廓曲面復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的綜合誤差十分繁復(fù)，尤其復(fù)材整體壁板本身剛度不足，在裝配中其必然存在一定的變形。通過裝配型架定位元件、先進(jìn)的補(bǔ)償加工工藝、限制壁板變形、合理規(guī)劃緊固件連接方案等控制措施，基本可以實(shí)現(xiàn)對于復(fù)材整體壁板的應(yīng)力控制與變形校正。

關(guān)鍵詞：復(fù)材壁板;裝配變形;應(yīng)力控制

1 壁板裝配應(yīng)力的成因

裝配應(yīng)力是飛機(jī)制造中各環(huán)節(jié)誤差累積的結(jié)果。對于復(fù)材整體壁板來說，通常在其裝配階段的定位、補(bǔ)償、保（校）形、連接等四種操作過程中，不易控制裝配應(yīng)力的產(chǎn)生。

1.1 定位

定位是產(chǎn)品裝配的初始操作，也是產(chǎn)生誤差和應(yīng)力的重要來源。對于剛性體零件，一般采用傳統(tǒng)的“3-2-1”定位原則，準(zhǔn)確約束零件的六向自由度，定位誤差相對較小，但對于壁板類零件，由于零件本身難以維持理論形狀，必須以“過定位”的形式，強(qiáng)行限制變形，采用“N-2-1”定位原則（在壁板易變形方向設(shè)置N處定位點(diǎn)）。雖然“過定位”方式能夠?qū)崿F(xiàn)壁板類零件的定位，但方法本身便不可避免地產(chǎn)生了一定的裝配應(yīng)力。

1.2 補(bǔ)償

復(fù)材整體壁板很難與骨架完全貼合，通常要對骨架與壁板之間的間隙進(jìn)行測量采集，進(jìn)而采用打磨零件或加墊補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)調(diào)，否則會導(dǎo)致壁板強(qiáng)迫裝配產(chǎn)生嚴(yán)重的裝配應(yīng)力。傳統(tǒng)裝配補(bǔ)償工藝的操作過程繁瑣、耗時，存在較大資源浪費(fèi)，降低連接部位的疲勞壽命，壁板裝配應(yīng)力的控制效果較差。

1.3 保（校）形

裝配變形指的是產(chǎn)品在裝配過程中，由于受各種工藝因素的綜合影響，其尺寸偏差不斷地產(chǎn)生、累積和傳遞，最終形成實(shí)際尺寸相對于設(shè)計(jì)尺寸的差值。復(fù)材整體壁板自身剛度較弱，在裝配過程中往往存在不同程度的變形。目前，國內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)的做法，多是利用型架卡板或繃帶施加外力，產(chǎn)生保（校）形的效果，來完成壁板的裝配。這種完全依賴經(jīng)驗(yàn)的方法，缺乏理論依據(jù)和量化指標(biāo)，使得壁板裝配應(yīng)力未得到有效地抑制。

1.4 連接

連接是裝配的重要環(huán)節(jié)之一。對于大型壁板的緊固件連接工作，由于緊固件數(shù)量多，壁板與骨架配合間隙情況復(fù)雜，以往規(guī)劃緊固件的連接順序，完全依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，始終難以避免裝配應(yīng)力的產(chǎn)生，壁板整體安裝質(zhì)量的穩(wěn)定性差，存在返工和超差的隱患。

2. 裝配應(yīng)力的有效控制方法

2.1 裝配型架定位、夾緊元件

主動控制復(fù)材整體壁板的協(xié)調(diào)變形和裝配應(yīng)力情況，大多需要依靠裝配型架來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整裝配型架上的定位器、夾持單元，可以優(yōu)化配置夾緊力的作用點(diǎn)、大小、方向和操作順序。對于復(fù)材整體壁板，裝配定位器的數(shù)量與位置，對于其定位效果，影響非常明顯，而提供夾緊力的工裝組件除考慮防止復(fù)材損傷外，更要合理控制夾緊力的大小。當(dāng)前最優(yōu)的裝配定位、夾緊方式，是基于力控制的零件柔性定位方法，即在工裝的定位、夾緊元件上，設(shè)置傳感器和控制器，實(shí)時反饋裝配應(yīng)力情況。裝配應(yīng)力超過許用數(shù)值時，控制器通過多步迭代，可將工裝定位、夾緊元件即時調(diào)整到最優(yōu)裝配位置。

2.2 先進(jìn)的補(bǔ)償加工工藝

近十年來，歐美國家的軍民機(jī)都逐漸探索高效、精準(zhǔn)、自動化的工藝補(bǔ)償技術(shù)。如F35戰(zhàn)機(jī)和A350客機(jī)，采用了獨(dú)特的裝配加工補(bǔ)償系統(tǒng)：對機(jī)體骨架外形進(jìn)行數(shù)字化測量，擬合出配合面間隙和干涉的三維形狀數(shù)據(jù)，生成柔性機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，利用裝有增材制造功能的末端執(zhí)行器在零件表面對應(yīng)間隙處自動精確地施加墊片，同時用裝有銑刀的執(zhí)行器在零件表面對應(yīng)干涉處進(jìn)行自動銑削。通過這種補(bǔ)償工藝，顯著地縮減了飛機(jī)制造周期，良好地保證了裝配應(yīng)力的控制效果。

2.3 限制裝配變形

一些先進(jìn)的航空制造企業(yè)，高度重視飛機(jī)壁板的變形控制與安全校正問題，但由于涉及核心關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)的工藝技術(shù)資料很難搜集。顯而易見，增強(qiáng)壁板自身剛度，控制壁板裝配變形是保證壁板外形準(zhǔn)確度，減少裝配應(yīng)力的研究方向。通過現(xiàn)場調(diào)研了解到：在壁板上安裝數(shù)字化工藝控制接頭，能夠有效抑制壁板裝配變形量。根據(jù)實(shí)時觀測布置在壁板上的若干組檢測點(diǎn)，采用點(diǎn)動控制的方式，驅(qū)動相關(guān)數(shù)控定位器移動牽引壁板，可使壁板變形得到有效校正。工藝接頭可對壁板局部剛度進(jìn)行加強(qiáng)，能夠?qū)Ρ诎逭w變形起到一定程度的調(diào)控作用，進(jìn)而通過數(shù)控定位器移動牽引，還能一定程度上校正壁板形狀。

2.4 壁板緊固件的連接工藝規(guī)劃

使用緊固件對復(fù)材整體壁板進(jìn)行連接時，依照合理有效的工藝原則，可以顯著減少裝配應(yīng)力的產(chǎn)生。通過裝配型架的卡板或繃帶，可將壁板劃分為若干個獨(dú)立單元。卡板處，壁板與骨架基本貼合，非卡板處，壁板與骨架之間存在一定的貼合間隙。緊固件的連接，可以減少壁板與骨架之間的貼合間隙，但會導(dǎo)致機(jī)體材料出現(xiàn)向遠(yuǎn)端延展的變形趨勢：

若機(jī)體材料的延展趨勢存在于單元內(nèi)，則會導(dǎo)致單元內(nèi)出現(xiàn)裝配應(yīng)力，這種情況必須避免。

若機(jī)體材料的延展趨勢傳遞到單元外，鄰近單元壁板與骨架之間的貼合間隙會增加，則鄰近單元也應(yīng)通過卡板和緊固件，消除或減小貼合間隙。進(jìn)一步分析，延展趨勢會繼續(xù)傳導(dǎo)到其他方向上，未進(jìn)行緊固的鄰近單元，以此類推，應(yīng)該確保每個獨(dú)立單元內(nèi)，都不因積累材料變形而出現(xiàn)明顯裝配應(yīng)力。

3.結(jié)論

由于缺乏對復(fù)材整體壁板協(xié)調(diào)形變和裝配應(yīng)力的深入認(rèn)知與研究，導(dǎo)致國內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)始終沿用一些低質(zhì)量、低效率、高風(fēng)險的壁板裝配工藝方法，嚴(yán)重削弱了復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比模量的優(yōu)點(diǎn)。無論是限制壁板變形、補(bǔ)償加工等國內(nèi)企業(yè)可以成熟運(yùn)用的裝配工藝，還是復(fù)材增韌、自適應(yīng)力控裝配等仍尚待開發(fā)推廣的先進(jìn)技術(shù)，都是實(shí)現(xiàn)復(fù)材整體壁板應(yīng)力控制與變形校正的有效方式。掌握裝配應(yīng)力控制方法，是航空制造業(yè)發(fā)展大勢所趨，需要更多專業(yè)者進(jìn)一步地完善應(yīng)用，繼續(xù)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭恩明.國外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2005，（9）：28.32.

[2] 郭洪杰.淺談數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].2011，（21）：26.29.

[3] 劉善國.先進(jìn)飛機(jī)裝配技術(shù)及其發(fā)展 [J].航空制造技術(shù)，2006 （10）： 38-41.