基于MBD的公務機機頭孔系定位裝配技術應用與研究

王 焰，郭宏偉，鄧伯孟，堯 智

（中航成飛民用飛機有限責任公司，四川 成都 610092）

0 引言

機頭部件是構成飛機機體結構最重要大部段之一，其結構外形復雜、精度要求高。傳統(tǒng)機頭結構組件裝配時工裝定位器多，大量結構零件采用手工劃線、裝夾定位，工序繁瑣、效率低，導致定位精度低安裝難[1]。

隨著全球航空制造業(yè)飛機裝備技術的不斷發(fā)展，飛機機頭數(shù)字化制造技術得以廣泛應用和深入發(fā)展，其主要包含了飛機機頭結構數(shù)字化設計技術、裝配協(xié)調與容差分配分析技術、飛機機頭數(shù)字化虛擬裝配工藝規(guī)劃與仿真技術、自動化精確制孔技術、大尺寸精密測量技術等關鍵基礎技術及應用技術[2]?；贛BD的孔系定位裝配技術是在上述機頭數(shù)字化裝配技術基礎上發(fā)展而來，近十年以來在國內外得到廣泛研究與應用。隨著航空工業(yè)規(guī)劃和發(fā)展要求，孔系定位裝配技術作為先進制造技術急需得到廣泛應用推廣。

1 MBD孔系定位裝配技術發(fā)展介紹

1.1 MBD孔系定位裝配技術概述

1.1.1 MBD孔系定位裝配技術的主要含義

MBD（Model Based Definition）是指基于模型的數(shù)字化定義[3]，基于MBD的孔系定位裝配技術是指在飛機零件制造階段，通過基于MBD數(shù)字化設計技術、數(shù)字化裝配協(xié)調與容差分配技術、蒙皮數(shù)字化精密成形、數(shù)字化精密制孔技術等應用技術，將零件(組件）數(shù)模已標注的各類定位孔、導孔及噴點孔全部或大部分通過數(shù)控加工方式制出,此類孔呈孔系分布；在飛機部件裝配階段，通過裝配協(xié)調孔（C/H協(xié)調孔）或定位孔（T/H工具孔、K/H關鍵孔）確定零件（組件）與零件（組件）之間的相互位置或零件（組件）在工裝上的安裝位置，來實現(xiàn)對飛機零部件的精確定位裝配技術。

1.1.2 MBD孔系定位裝配技術與傳統(tǒng)裝配協(xié)調孔定位法的區(qū)別

基于MBD的孔系定位裝配技術與傳統(tǒng)裝配協(xié)調孔定位法存在共同性和差異性。傳統(tǒng)飛機裝配協(xié)調孔定位是指在飛機裝配中，在相互連接的零件（組件）上，按一定的協(xié)調路線分別以工裝或樣板制出零件（組件）上的裝配協(xié)調孔（C/H協(xié)調孔），裝配時零件/組件以對應的孔定位來確定零件（組件）的相互位置。

基于MBD的孔系定位裝配技術除了具有傳統(tǒng)裝配協(xié)調孔定位法的基本特性，孔系定位裝配技術主要特點在于要求零件（包含蒙皮）所屬各類定位孔、導孔及噴點孔均在零件制造階段制出導孔或者次級終孔，且要求零件制造均基于MBD三維數(shù)模采用數(shù)控加工；組件裝配時對工裝定位器、工裝鉆模/手工劃線樣板的使用降低至最低，這是MBD孔系定位裝配技術最明顯的特性，孔系定位原理如圖1所示。

圖1 孔系定位原理圖

孔系定位裝配技術能減少誤差累積，最大限度保證制造基準、裝配基準和測量基準的統(tǒng)一，保證高精度裝配質量，具有定位方法快捷簡單的特點。

MBD孔系定位裝配技術中所涉及各類孔名詞解釋：

（1）T/H工具孔（Tooling Hole）屬于定位孔，用于零件與零件工裝之間定位；

（2）K/H關鍵孔（Key Hole）屬于定位孔，用于零件與裝配工裝之間定位；

（3）C/H協(xié)調孔（Coordination Hole）屬于定位孔，用于零件與零件之間的定位孔；

（4）P/H導孔（Paint Hole）屬于導孔，單層零件的導孔，用于連接件的制孔；

（5）P/P噴點（Paint Point）僅蒙皮類零件噴點，用于安裝連接件的參考孔位，同時可用于自動鉆鉚時的校正孔位。

1.2 MBD孔系定位裝配技術的主要特點

MBD孔系定位裝配技術除了具有上述裝配協(xié)調孔定位法的主要特點，還擁有如下6個原則：

（1）蒙皮、腹板類零件連接件集成定義標注原則。機頭壁板結構組件中，蒙皮、腹板所需T/H工具孔、K/H關鍵孔、C/H協(xié)調孔直接標注在蒙皮、腹板數(shù)模連接件標注集中。與蒙皮、腹板類搭接區(qū)域的連接件孔位（P/H導孔和P/P噴點孔），其連接件數(shù)據集按零件分類進行標注，如圖2和圖3所示。鈑金類零件均在蒙皮、腹板零件數(shù)模中集中標注，機加類零件均在機加件數(shù)模中集中標注。

圖2 孔系零件（腹板）標注集示意圖

圖3 孔系零件（蒙皮）標注集示意圖

（2）在飛機坐標系下，孔系零件各孔設計基準、協(xié)調基準及定位基準統(tǒng)一原則，零件與零件之間協(xié)調度高。

（3）數(shù)控加工制孔優(yōu)先的原則。MBD孔系定位裝配技術要求零件制造優(yōu)先采用采用數(shù)控加工；組件裝配時對工裝定位器、工裝鉆模/手工劃線樣板的使用降低至最低。

（4）蒙皮、腹板類零件所屬孔系應開盡開原則。在孔系定位裝配技術中，蒙皮、腹板類所屬T/H工具孔、K/H關鍵孔、C/H協(xié)調孔以及大量P/H導孔和P/P噴點孔均在蒙皮、腹板零件制造階段數(shù)控開出孔徑，堅持應開盡開原則。

（5）裝配工藝裝備（工裝）數(shù)字化制造原則。MBD孔系定位裝配技術要求裝配工藝裝備(工裝）以數(shù)字化制造并涉及交點互換時以數(shù)字量協(xié)調為主。

（6）組件裝配盡可能實現(xiàn)“無型架”裝配原則。MBD孔系定位裝配要求飛機部件裝配基于零件孔系定位方式裝配，在避免組件裝配應力變形的情況下，簡化工裝型架結構、減少工裝定位器的采用。

MBD孔系定位裝配技術要求在飛機零件制造階段，按照MBD數(shù)模要求及其標注集孔徑公差要求，制造出零件所有定位孔及其連接件安裝孔，如圖4所示；飛機部件裝配階段，按照已開制出的定位孔系進行零件之間的定位裝配。

圖4 典型MBD孔系鈑金零件模型示意圖

1.3 MBD孔系定位裝配技術的發(fā)展現(xiàn)狀

在國內航空領域，最早的MBD孔系定位裝配技術從國際轉包生產開始應用。國外，以波音、空客公司、以色列IAI為代表的國際飛機制造企業(yè)在數(shù)字化技術應用領域取得了巨大的成功，其中MBD孔系定位裝配技術得到了廣泛應用，比如在波音787、A380、灣流G280、灣流G650等飛機裝配中，MBD孔系定位裝配技術得到了廣泛的應用[4]。

2 MBD孔系定位裝配技術研究工作

2.1 MBD孔系定位裝配總體方案要求

MBD孔系定位裝配技術要求蒙皮類零件必須在數(shù)控加工中心上完成，蒙皮數(shù)字化制造是影響孔系定位裝配技術的關鍵因素之一。

其中要求蒙皮類零件必須滿足精密拉形制造、蒙皮數(shù)字化銑切和蒙皮無余量交付；腹板類和機加框零件還要求數(shù)控精密銑切加工。MBD孔系定位裝配技術要求飛機壁板部件整個裝配盡量要求控制無應力裝配。裝配定位方式主要是以卡板內定位主壁板，以主壁板上的協(xié)調配合孔來定位裝配其余零件，因此要求零件的C/H協(xié)調孔和外形輪廓度要求非常高，尤其是蒙皮上大量的C/H協(xié)調定位孔的位置度公差要求非常嚴格。

基于MBD的孔系定位裝配技術具體精準、高效、簡單特點，定位實現(xiàn)“積木式”裝配，減少了工裝定位器數(shù)量，簡化了工裝的結構。大型鈑金零件（蒙皮、腹板類零件）主要采用精確拉伸成型和精確數(shù)控銑切加工而成，其分布的各類孔系孔位由于采用數(shù)控加工，各類零件之間的修配和定位工作量大大減少，裝配效率隨之提高。

2.2 MBD孔系定位零件協(xié)調制造原則

組件裝配原則上均采用工程圖上的K/H孔、裝配工裝及C/H孔作為裝配協(xié)調依據。

零件制造原則上均以零件數(shù)模上的K/H孔，C/H孔作為裝配協(xié)調依據，在零件制造階段依據數(shù)字化設計的CATIA數(shù)模制造和驗收，研究制定了孔系定位裝配技術的協(xié)調制造原則，有以下6點：

（1）孔系定位零件（機加件）采用數(shù)控加工制出各K/H孔、C/H孔、T/H孔等孔系孔徑。

（2）孔系定位零件（鈑金件）采用數(shù)控加工或采用數(shù)控加工的模具制造；大型蒙皮類零件的制造精度要求，零件的外形銑切和C/H孔、K/H孔的鉆制原則上必須使用數(shù)控加工或者鉆孔工裝完成，P/H孔的開制既可優(yōu)先使用數(shù)控加工，也可以使用鉆孔樣板制孔。

（3）零件制造、裝配工藝裝備的設計均需要以產品三位設計數(shù)模為設計依據進行數(shù)字化設計，工藝裝備各零件采用數(shù)控加工。

（4）為了確保裝配協(xié)調要求，鈑金類零件上的C/H孔、K/H孔，原則上必須在熱處理后（即T狀態(tài)）制出，可以采用數(shù)控加工或者使用鉆孔工裝制出。原則上腹板面上孔盡量在數(shù)控下料時制造出；對于非腹板面上孔，則訂制專用鉆孔夾具鉆制C/H孔、P/H孔、螺釘/銷釘孔等。原則上C/H孔類孔徑公差為±0.10 mm，P/H孔類孔徑公差為±0.20 mm，相關數(shù)據見表1。

表1 孔系零件制孔公差原則表

（5）孔系定位零件的制造精度，孔徑公差必須滿足設計圖紙/數(shù)模要求。

（6）裝配工藝裝備，特別是大型裝配型架的設計基準均在飛機坐標系下，依據產品的三維數(shù)模，及產品中的三維數(shù)字模型中的K/H孔和交點位置進行設計。

2.3 MBD孔系定位典型零件制造流程分析

對于某型公務機機頭蒙皮零件來說，因為在飛機中其安裝位置相當重要與特殊，對于孔系定位裝配技術的要求，如何將蒙皮理論曲面上的點轉換到零件內外緣表面，這是MBD孔系定位零件（蒙皮）的制造難點。

在零件生產準備階段，通過CATIA V5軟件將零件數(shù)模和零件交接單信息中需要開制的孔位沿相應的理論曲面法線投影在蒙皮表面，然后在蒙皮內外表面做出各個孔位的矢量線，并單獨的工藝信息體現(xiàn)，孔位信息與相應的矢量線統(tǒng)一到零件制造數(shù)據集中。典型蒙皮制造數(shù)據集標注如圖5所示。

圖5 孔系定位零件蒙皮制造數(shù)據集

3 基于MBD孔系定位裝配技術的機頭工藝流程設計

3.1 某型公務機機頭工藝分離面的劃分

基于孔系定位技術要求，根據某型公務機機頭項目的生產速率，工藝分離面遵循組件分散裝配，機頭部件集中裝配的原則，并綜合考慮裝配可行性、操作可行性以及裝配周期等要求，采用多線并行、分步集中的裝配方式。零組件根據裝配的順序劃分為零件、次級組件、組件、機頭總裝。其中零件不需要裝配，次級組件采用C/H孔定位，組件及機頭在工裝上主要采用K/H孔和交點位置進行定位。

3.2 某型公務機機頭典型組件的裝配

某型公務機機頭定位基準采用方式：

次級組件采用零件與零件之間的C/H孔作為定位基準。組件裝配采用零件與零件之間C/H孔作為定位基準，零件與工裝之間的定位采用零件的K/H孔與工裝的定位孔定位的方式，如圖6和圖7所示。對于蒙皮類零件輔以卡板定位的定位方式，如圖8所示；對于框緣類零件輔以外形定位器進行定位的定位方式。某型公務機機頭采用孔系定位，形成了鮮明的類似于“搭積木”的裝配方式。

圖6 典型次級組件裝配流程圖

圖7 典型孔系定位次級組件

圖8 典型組件裝配示意圖

4 結語

4.1 應用效果分析

針對某型公務機機頭MBD孔系定位裝配技術的應用分析，經過首架產品、小批量、批量生產裝配驗證，該孔系定位裝配技術在該公務機機頭裝配流程中得到了有效驗證，其技術理念具有前瞻性、可行性。

該工藝方法將會使零件（組件）裝配的安裝精度（孔位公差）提升至±0.14 mm，該工藝方法極大提升了飛機部件裝配制造水平及其制造精度；同時孔系定位裝配技術對蒙皮類零件的制造提出了更高要求，從工藝端提升了對蒙皮精確拉形技術和精確制孔技術的要求。

4.2 存在的問題及下一步采取的措施

機頭蒙皮類零件盡管采用三坐標或者五坐標進行修邊和制孔，但是由于其本身制造特點，外形輪廓及其翻邊角度容易出現(xiàn)偏差，因此導致該區(qū)域的C/H孔、P/H孔、P/P孔容易同時出現(xiàn)偏差，蒙皮邊緣的大量導孔位置與理論位置偏差，需做相應的工藝補償。需要裝配進一步結合蒙皮精密加工技術和視覺開孔技術等先進工藝方法，及時更新零件制造程序及其工藝方法，并按需進行工藝補償加工。

后續(xù)可在機頭壁板結構組件上自動鉆鉚、機器人制孔等制孔和鉚接技術，進一步拓展孔系定位裝配技術的應用，為國產飛機設計制造一體化推進工作提供參考價值。