關于飛機空間異面桁架類焊接件制造技術的研究

李曉寧，肖望東，王　聲，黃　蓉，張大均

(中航飛機股份有限公司 漢中飛機分公司 工程技術部，陜西 漢中 723213)

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關于飛機空間異面桁架類焊接件制造技術的研究

李曉寧，肖望東，王聲，黃蓉，張大均

(中航飛機股份有限公司 漢中飛機分公司 工程技術部，陜西 漢中 723213)

以某型機小翼掛架為例，研究了一種典型的空間異面桁架類焊接件制造方法與途徑。通過對某型機小翼掛架結構特點的描述，詳細介紹了某型機小翼掛架的工藝方法、工裝設計思路，以及如何利用逆向測量技術解決研制過程中的難點，最終實現某型機小翼掛架的交付與裝配。它的成功研制為空間異面類桁架結構焊組件的制造提供了寶貴的經驗，對空間異面桁架類焊接件的研制具有借鑒與指導意義。

掛架；交點；焊接；變形；逆向測量；夾具

根據軍方需求，對某系統進行摸底和驗證，在滿足戰技指標和確保飛機安全的前提下，為盡量減少改裝設計工作量，設計人員以某型機為平臺，在機翼14-15肋左、右兩側對稱位置布置2個模擬小翼。模擬小翼與機翼之間通過掛架進行連接，掛架與模擬小翼通過4個插耳連接，掛架為雙插耳，小翼自帶單插耳。4個對接交點(上交點)位于雙曲度的機翼下壁板上，掛架自身成空間異面分布，因此，對掛架組合制造準確度的要求很高，這對于焊接件來說是個極大的挑戰。

1　小翼掛架簡介

某型機小翼掛架為空間異面桁架梁式結構，由32根撐桿(其中4根為主撐桿、28根為斜撐桿)和8個接頭(其中4個接頭為雙叉耳接頭，另外4個接頭為法蘭盤接頭)焊接而成。組件外形尺寸為750mm×1 200mm×2 800mm，結構形式如圖1所示，裝配關系如圖2所示。

圖1小翼掛架示意圖

圖2小翼掛架裝配關系示意圖

由于模擬小翼在飛機機翼上的掛點位置緊靠機翼前部，需要吊掛的模擬小翼質量又高達400kg，因而在設計掛架時，不但需要增加其長度，而且對掛架的剛度設計要求也較高，這樣必然會導致掛架質量的增加。經分析發現，管桁具有結構外形美觀，整體性能好，起吊較易，質量較輕，剛度較好，以及能節省鋼材等優點[1]，因此，小翼掛架設計采用桁架式結構，其材料選用30CrMnSiA的鋼管。

2　工藝研制

2.1難點分析

由于產品設計員僅僅給出小翼掛架的結構形式及裝配要求，沒有準確可用的三維模型，缺乏所必需的數字量信息，所以只能采用傳統的模擬量制造技術。小翼掛架為焊接件，具有外形尺寸大、結構復雜、剛度強、質量大以及精度要求高等特點[2]，在制造完成后，如何保證小翼掛架上4個上交點接頭與機翼4個交點接頭能夠同時對合成功，小翼掛架上4個下交點法蘭盤接頭與小翼4個法蘭盤接頭在同一平面內(該平面與飛機水平基準面和對稱面有角度偏差要求，以保證小翼的懸掛姿態)，同時小翼掛架與小翼的法蘭盤上所對應的連接孔同軸，成為小翼掛架的工藝研制難點。經分析，在加工過程中，主要存在焊接變形和焊后機械加工問題。

1)焊接變形。小翼掛架采用多管子、多接頭的組合桿系桁架式焊接結構，各零件的材料均選用30CrMnSiA，經過淬火后實施焊接。目前采取的焊接方式無法保證焊接質量一次成功；而焊接部位的多次返工，必然會直接影響到小翼掛架的變形程度，這將給后續的焊接校正、機械加工和部件裝配等帶來困難，同時也給部件裝配帶來嚴重隱患[3]。

2)焊后機械加工。為保證產品最終的裝配要求，焊接后必須精加工。而如何滿足小翼掛架的4個上交點接頭耳片、交點孔的精度和4個下交點接頭法蘭盤的端面、交點孔的精度，保證大尺寸零件在夾具上合理裝夾、定位和加工等，成為焊后機械加工的難點。

2.2解決方案

針對上述問題，解決方案如下。

1)為盡量減小小翼掛架焊接后的變形，且避免焊接缺陷的產生，以確保焊接質量，應采用定位焊夾具來進行總體控制。定位焊夾具既是小翼掛架組焊時的定位依據，又是焊后校正變形和檢驗的依據；因此，小翼掛架的定位焊應在定位焊夾具上進行。

2)由于掛架的焊縫均為環形焊縫，所以焊接時采用了對稱施焊的工藝方法進行實施操作。整個掛架焊接過程采用分組組焊，并合理安排組焊的步驟和順序，確保小翼掛架焊接過程受控，力求焊后的變形最小，焊組件外形滿足設計要求[4]。

3)正確留取加工工藝容差。工藝容差一般是根據零件的加工余量來確定的。此次小翼掛架4個上交點接頭耳片厚度兩側各預留了2.5mm的余量，用于焊接、校正和銑切補償，對接交點孔初孔則按φ16H9留取，焊接后對接交點孔精加工鏜至φ18H9。小翼掛架4個下交點接頭法蘭盤底板預留了3mm的余量，以用于焊接、校正和銑切補償，各法蘭盤上對接的初孔均按φ5H9留取，焊接后將對接孔φ5H9精加工鏜至φ7.5H9。

4)合理選用加工設備。根據小翼掛架最大外形尺寸2 800mm，選擇用型號為M—ARX的六軸臥式數控銑鏜床進行精加工。

3　工裝設計

由于小翼掛架焊接后會產生變形，工藝上提出了先焊接后整體機械加工的方案，即使用專用工裝定位焊夾具和銑鏜檢夾具來滿足各交點接頭的裝配特性及精度要求。

3.1設計難點

由于小翼掛架自身超重，且待加工的上交點接頭在加工狀態下尺寸超長，焊接工作量大，且焊后易變形，材料強度高，不易切削。為保證小翼掛架的焊接質量和各接頭對接交點的正確位置，在設計定位焊夾具和銑鏜檢夾具時存在如下難點。

1)為滿足小翼與小翼掛架最終的裝配要求，小翼掛架在銑鏜檢夾具上的擺放姿態應與最終的裝配姿態一致，同時為保證定位焊夾具與銑鏜檢夾具基準保持統一，小翼掛架在定位焊夾具上與在銑鏜檢夾具上的擺放姿態和定位方式也應保持一致；因此，定位焊夾具的結構設計有一定的難度。小翼掛架的擺放姿態如圖3所示。

圖3　小翼掛架的擺放姿態

2)小翼掛架為桁架焊接結構，焊接件多達46件，因此在設計焊接夾具時定位和夾緊的位置難度較大，同時由于小翼掛架焊點多，在設計定位焊夾具過程中還應充分考慮如何減小焊接過程中的變形；因此，定位焊夾具的防變形功能設計亦有一定的難度。

3)由于小翼掛架焊接件多，導致焊后變形量較大，且變形量無法預知，在設計銑鏜檢夾具時，應考慮如何準確定位小翼掛架上8個交點接頭的位置，以及由于2個上交點接頭耳片定位距離過長而導致加工精度的影響；因此，銑鏜檢夾具定位器的設計有一定的難度。

4)小翼掛架所選的材料為30CrMnSi鋼管，其熱處理后的強度高，在加工時應保證銑鏜檢夾具自身的強度及夾具的夾緊力[5]。

5)小翼掛架為桁架式結構，在同側加工上交點接頭時，由于上交點上接頭的水平距離較大，應考慮橫向和縱向等2個方向進刀通道，而在加工上交點下接頭時，上交點上接頭的夾緊器會影響上交點下接頭的加工通道；因此，如何合理布置銑鏜檢夾具的夾緊位置與設計夾緊結構成為難題。

6)小翼掛架4個上交點接頭耳片的待加工面在空間既不平行也不共面，4個下交點接頭法蘭盤端面平行但不共面，而工裝的制造協調依據為模擬量，不能按數字量對產品零件進行加工；因此，切削加工找正十分困難。

3.2解決方案

針對上述問題，解決方案如下。

1)在定位焊夾具上設置8個定位器，用以約束4個上交點接頭和4個下交點接頭的空間位置，同時對小翼掛架上、下各4根(共8根)主撐管進行定位，并將定位器及夾緊裝置均設計為可拆卸式結構(見圖4)[6]。

圖4　定位焊夾具的定位器及夾緊裝置示意圖

2)為盡可能減小焊接過程中的變形，在定位焊夾具上設計了一套移動式防變形裝置(見圖5)。在焊接過程中，其支撐管子接頭安裝邊緣和其他需要限制變形的地方。

圖5　定位焊夾具防變形裝置

3)針對小翼掛架焊后變形及難以保證8個交點接頭的位置，設計銑鏜檢夾具時，4個上交點接頭耳片采用耳片側面和耳片上的孔定位，根據工藝容差和焊接后所產生的變形量，設計耳片側面定位時，定位面與耳片兩側面各保留7.5mm間隙；4個下交點接頭法蘭盤采用法蘭盤端面和端面上的孔定位，根據工藝容差和焊接后所產生的變形量，設計法蘭盤端面定位時，定位面與法蘭盤端面保留3mm間隙，并在小翼掛架4個上下交點接頭法蘭盤端面定位面上再設計10mm厚的工藝墊板，用于銑切前對小翼掛架的校形和控制零件總長，以保證產品零件在切削時有足夠的切削余量。

4)為確保銑鏜檢夾具的自身強度，在設計銑鏜檢夾具的夾具體時，采用框架式結構，且將定位支架與夾緊裝置相結合。為保證有足夠的夾緊力，將夾緊器裝置盡量設置在待加工接頭附近，用型面壓塊、壓板和可調支承合力夾緊并抱住零件[7]。

5)由于小翼掛架4個上交點接頭耳片水平距離較大，所以在銑削耳片側面時，需要從橫向和縱向等2個進刀方向；因此在設計銑鏜檢夾具時，將2個上交點上接頭耳片處定位支座的支架設計為可拆卸式。當加工2個上交點下接頭時，須拆除2個上交點上接頭耳片處定位支座的支承及其附件，以留出機床主軸空間。

6)由于小翼掛架4個上交點接頭耳片的待加工面在空間既不平行也不共面，因此銑鏜檢夾具的找正基準無法按普通機床加工方法的結構進行設計，可通過逆向工程來進行解決。逆向工程是在沒有設計圖樣或圖樣不完整，而有樣品的情況下，利用三維掃描測量儀，準確、快速地測量樣品表面數據或輪廓外形，加以點數據處理、曲面創建以及三維實體模型重構，然后通過CAM系統進行數控編程，最后利用CNC加工機床或快速成型機制造出產品[8]。具體的實施步驟為：a.銑鏜檢夾具按標工進行制造，確認夾具制造合格后，對該夾具進行數字化檢測；b.檢測前，應在銑鏜檢夾具上設置加工原點，采集該夾具原點及定位器數據，擬合出小翼掛架所需定位部分的數據(逆向測量擬合的數據如圖6所示)；c.根據該數據進行工裝定位器的數學建模，即可對小翼掛架進行數控加工。小翼掛架在銑鏜檢夾具上加工時的姿態如圖7所示。

圖6　小翼掛架逆向測量空間點位示意圖

4　結語

通過對定位焊夾具與銑鏜檢夾具的成功設計與制造，經銑鏜檢夾具精加工后的小翼掛架，同時成功地與飛機機翼和模擬小翼相連。某型機小翼掛架工裝的成功研制，為空間異面類桁架結構焊組件的制造提供了寶貴的經驗，對類似飛機發動機支架等空間異面焊組件的研制具有借鑒與指導意義。

[1] 王楠.管桁結構若干關鍵技術的研究[M].杭州：浙江大學出版社，2014.

[2] 楊玉華.空間管桁結構焊接技術[J]. 鐵道建筑，2006(11)：23-26.

[3] 王紅光.實用焊接工藝手冊[M].2版.北京：化學工業出版社，2015.

[4] 劉俊清.金屬焊接件加工[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 陳煥明.焊接工裝設計[M].北京：航空工業出版社，2006.

[6] 王純祥.焊接工裝夾具設計及應用[M].北京：化學工業出版社，2011.

[7] 李建華.大型結構件鏜孔工裝設計[J].金屬加工，2014(19)：46-47.

[8] 王永信.逆向工程及檢測技術與應用[M].西安：西安交通大學出版社，2014.

責任編輯馬彤

ResearchontheDifferentSurfacesofAircraftSpaceTrussTypeWeldmentManufacturingTechnology

LIXiaoning,XIAOWangdong,WANGSheng,HUANGRong,ZHANGDajun

(AVICAircraftAircraftCo.HanzhongBranchoftheMinistryofMetallurgicalEngineeringandTechnologyDepartment，Hanzhong723213,China)

Thewingletrackofacertaintypeofaircraftisasanexampletopresentatypicalspatialplanetrussweldingmanufacturingmethodandway.Throughthedescriptionofacertaintypeofaircraftwingpylonstructurecharacteristic,introducetheprocessofacertaintypeofaircraftwingpylons,industryandtradedressdesignidea,andhowtousereversemeasurementtechnologytoresolvethedifficultiesintheprocessofdevelopment,andfinallyachieveacertaintypeofaircraftwingpylonsdeliveryandassembly.Itssuccessfuldevelopmentprovidesthevaluableexperienceforthemanufactureofweldedassembliesofspaceplanetrussstructures,whichisofgreatreferencevalueforthedevelopmentofspaceplanetrusstypeweldingparts.

rack，intersection，welding，deformation，reversemeasurement，fixture

2016-02-15

O342；TG4B

李曉寧(1982-)，女，工程師，主要從事焊接、數字化制造以及工裝設計制造等方面的研究。