客改貨貨艙口框裝配容差分析

徐煥， 薛蛟

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110013）

0 引 言

在飛機(jī)零部件裝配過程中，由于制造誤差和裝配誤差都會(huì)累積，可能造成飛機(jī)裝配困難、幾何超差、不滿足設(shè)計(jì)要求等問題，經(jīng)常導(dǎo)致飛機(jī)裝配工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，降低了裝配質(zhì)量，甚至嚴(yán)重影響飛機(jī)的最終性能[1-2]。在民用客機(jī)改貨機(jī)（客改貨）工作中，需將全新設(shè)計(jì)的貨艙口框裝配到客機(jī)桶段上，在裝配過程中，會(huì)形成誤差積累，對裝配精度要求較高[3-5]。其中貨艙口框外蒙皮與客機(jī)桶段外蒙皮之間的裝配誤差累積情況比較嚴(yán)重，且此處的容差控制要求高，導(dǎo)致裝配難度和風(fēng)險(xiǎn)增加。

本文提出容差分析基本方法，基于貨艙口框與原客機(jī)的裝配方案，對貨艙口框外蒙皮與客機(jī)桶段外蒙皮航向階差進(jìn)行分析，并采用百分比構(gòu)成法分析容差累積環(huán)節(jié)中影響裝配的容差環(huán)節(jié)[6-7]。通過容差分析方法，可以計(jì)算分析預(yù)測出裝配質(zhì)量，結(jié)合百分比構(gòu)成法，分析出容差環(huán)節(jié)中影響裝配較大的容差環(huán)節(jié)，針對該容差環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和裝配改進(jìn)，使其能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)降低裝配風(fēng)險(xiǎn)。

1 容差分析基本工具

容差分析工具有WC（極限法）與RSS（平方根法）的容差分析方法，容差分析必須經(jīng)過以下步驟：

1）基于裝配方案，獲得要分析的組件裝配容差尺寸鏈，并取得尺寸鏈上相關(guān)零件的容差制造數(shù)據(jù)；

2）獲取所分析組件的裝配容差目標(biāo)值；

3）基于WC與RSS方法，采用上述獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出裝配誤差值，與目標(biāo)值相比較，分析裝配質(zhì)量，再結(jié)合百分比構(gòu)成方法，分析出引起超差的容差項(xiàng)。

1.1 常規(guī)的兩種容差分析方法

按計(jì)算模型對容差累積計(jì)算方法進(jìn)行分類，目前，最常用的容差累積計(jì)算方法有兩種：WC與RSS，簡單對比見表1。

表1 計(jì)算方法的對比

表中，TASM代表整個(gè)容差鏈的容差，Ti代表第i個(gè)容差鏈子環(huán)節(jié)的容差。WC方法的優(yōu)點(diǎn)是可以保證裝配件不出現(xiàn)超差品，缺點(diǎn)是過于保守，生產(chǎn)難度大，成本較高。RSS方法相比于WC方法，在整個(gè)容差鏈的容差要求一定時(shí)，RSS方法要求的子環(huán)節(jié)容差較寬松，成本較低，缺點(diǎn)是允許出現(xiàn)一定百分比的超差品。統(tǒng)計(jì)法比極值法更接近于實(shí)際，因?yàn)楣铈溨械墓钔瑫r(shí)達(dá)到它們的極限值的概率非常小。按照經(jīng)驗(yàn)，本文對尺寸鏈環(huán)節(jié)少于5個(gè)的案例使用極值法進(jìn)行估算；大于等于5個(gè)的案例使用均方根法乘以1.5倍安全系數(shù)的方法進(jìn)行估算。

1.2 百分比構(gòu)成

通過計(jì)算造成裝配件偏差的每個(gè)偏差的百分比，設(shè)計(jì)員和制造部門確定應(yīng)該在哪個(gè)環(huán)節(jié)集中改進(jìn)零件制造質(zhì)量。百分比構(gòu)成就是一個(gè)部件標(biāo)準(zhǔn)偏差和總裝配標(biāo)準(zhǔn)偏差的比率：

2 貨艙口框與客機(jī)桶段裝配容差理論設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)

在基準(zhǔn)體系中，主邊框采用一面兩孔進(jìn)行基準(zhǔn)定位，其中腹板面為A基準(zhǔn)，腹板面上的2個(gè)定位孔分別為B，C基準(zhǔn)，如圖1所示。

口框主邊框基準(zhǔn)為關(guān)鍵基準(zhǔn)，不僅用于口框骨架裝配，也用于口框組件裝配，還用于其與客機(jī)機(jī)身的對接裝配，口框組件基準(zhǔn)及工裝定位原理如圖2所示。

使用框腹板面A基準(zhǔn)定位航向，定位孔B即B1、B2定位側(cè)向和升力方向，工裝孔C即C基準(zhǔn)限制周向面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)完全定位。

圖1 主邊框零件基準(zhǔn)體系示意圖

圖2 口框組件基準(zhǔn)及工裝定位原理示意圖

2.2 裝配流程

裝配方案如圖3所示。其中，口框組件裝配包含骨架裝配和壁板裝配。骨架裝配采用上述一面兩孔的基準(zhǔn)體系，工裝定位實(shí)現(xiàn)主框、輔框?qū)樱鏖沽骸⒅鳈懥旱亩ㄎ缓皖A(yù)裝配，形成門框門梁組件。壁板裝配實(shí)現(xiàn)頂部壁板、上壁板、側(cè)壁板、下壁板組件的裝配及對接。然后利用口框組件型架實(shí)現(xiàn)骨架和壁板的對接，通過工裝定位主框?qū)崿F(xiàn)骨架定位，然后貼合壁板，最后完成其它散件的定位和裝配。

口框組件與客機(jī)機(jī)身對接時(shí)，先用預(yù)裝的測量點(diǎn)調(diào)整客機(jī)機(jī)身姿態(tài)完成定位，然后口框組件進(jìn)入對接工裝，沿用主框基準(zhǔn)進(jìn)行定位，完成前后框段的環(huán)向?qū)印⑸舷虏勘诎宓目v向?qū)右约翱团摰匕逄幍倪B接等，實(shí)現(xiàn)與客機(jī)機(jī)身的協(xié)調(diào)裝配。

圖3 貨艙口框裝配件與機(jī)身對接裝配流程圖

圖4 貨艙口框外蒙皮與客機(jī)桶段外蒙皮航向階差尺寸鏈

表2 貨艙口框蒙皮與客機(jī)蒙皮對接階差容差

2.3 尺寸鏈

依據(jù)上述裝配方案，可以得出貨艙口框外蒙皮與客機(jī)桶段外蒙皮階差的尺寸鏈如圖4所示。以通用制造水平為參考，初步確定尺寸鏈上各環(huán)節(jié)的容差如表2所示。

3 貨艙口框與客機(jī)桶段裝配容差分析

借鑒于某機(jī)型機(jī)身蒙皮對接容差控制要求，貨艙口框外蒙皮與客機(jī)外蒙皮的航向階差目標(biāo)值U為±0.8 mm，如圖5所示。貨艙口框外蒙皮與客機(jī)蒙皮的裝配容差尺寸鏈為一維閉環(huán)鏈，如圖4所示，從貨艙口框外蒙皮開始，止于客機(jī)外蒙皮。容差鏈制造數(shù)據(jù)見表2。

圖5 貨機(jī)口框外蒙皮與客機(jī)外蒙皮的航向階差

基于上述條件，得出WC偏差：

對于全部的9個(gè)尺寸按WC和RSS分別計(jì)算百分比構(gòu)成，百分比構(gòu)成如圖6所示，其中RSS比較高的原因是其為偏差率的平方值。

圖6 百分比構(gòu)成圖

通過上述計(jì)算，WC偏差值、RSS偏差值已經(jīng)超差。結(jié)合圖6中的百分比構(gòu)成圖，可知第2環(huán)節(jié)及第9環(huán)節(jié)容差是整個(gè)裝配環(huán)節(jié)中影響較大的容差環(huán)節(jié)，須對其嚴(yán)格控制。針對裝配超差，我們將在設(shè)計(jì)和裝配方面進(jìn)行優(yōu)化，從而保證更好的裝配質(zhì)量。

4 設(shè)計(jì)和裝配優(yōu)化

設(shè)計(jì)和裝配方案優(yōu)化可以通過以下手段實(shí)現(xiàn)：

1）口框組件設(shè)計(jì)和制造過程中，應(yīng)在對裝配界面零件進(jìn)行嚴(yán)格的公差控制，如零件配合面輪廓度、基準(zhǔn)孔精度等，制造中通過精加工達(dá)到這些要求。如改進(jìn)主框的制造精度，使其緣條面輪廓度由0.3提高到0.2，基準(zhǔn)孔精度由±0.15提高到±0.08；

2）提高對接區(qū)零件的制造精度，如將對接區(qū)蒙皮的局部輪廓度由0.40改進(jìn)為0.20；

3）口框組件裝配時(shí)，框、蒙皮均通過工裝定位，并按需加墊或打磨框緣條，保證蒙皮外形精確度，提高對接質(zhì)量；

4）以機(jī)身蒙皮外形及口框蒙皮外形為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)對接工裝，對接時(shí)，優(yōu)先保證氣動(dòng)外形，機(jī)身內(nèi)部零件裝配時(shí)按需打磨或者加墊；此時(shí)文中尺寸鏈將發(fā)生改變，公差累計(jì)環(huán)節(jié)減少，如表3。

5）對接完成后，執(zhí)行氣動(dòng)密封，沿氣流方向平滑過渡，覆蓋區(qū)域≥5倍階差值如，圖7所示。

6）寬松設(shè)計(jì)要求，如將航向階差要求由±0.8降低為±1.2；

圖7 氣動(dòng)密封

表3 裝配優(yōu)化后容差尺寸鏈

值得注意的是，執(zhí)行上述優(yōu)化方案后，可以提高零件制造精度，減少裝配公差累積環(huán)節(jié)，提高裝配質(zhì)量；但其劣勢也很明顯，如增加零件制造成本，增加工裝的復(fù)雜性和成本，增加裝配工作量和工時(shí)，必須與制造裝配部門溝通確定。

從可操作性和經(jīng)濟(jì)性考慮還是應(yīng)當(dāng)適當(dāng)放松設(shè)計(jì)要求，并嚴(yán)格執(zhí)行氣動(dòng)密封，減少制造和裝配難度，同時(shí)最小化外形階差對氣流的影響。

5 結(jié)論

本文使用容差分析方法，基于貨艙口框與原客機(jī)裝配方案，對貨艙口框外蒙皮和客機(jī)外蒙皮階差進(jìn)行了裝配容差估算和分析，實(shí)現(xiàn)了對裝配質(zhì)量的預(yù)估，并分析出嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量的容差環(huán)節(jié)。針對裝配超差，提出了設(shè)計(jì)和裝配優(yōu)化方案。本文對貨艙口框外蒙皮和客機(jī)外蒙皮階差裝配質(zhì)量具有預(yù)測作用和指導(dǎo)作用。總的來說，本文對客改貨裝配質(zhì)量控制具有一定的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

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