飛機口框梁變形原因與解決方案

張海鵬，曹 碩，劉 鶴，趙 毅，張律師

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

某型飛機的口框梁是結構中一個較大的零件，其安裝位置貫穿了整個座艙段，是構成座艙段骨架的重要組成部分。座艙蓋系統安裝于口框梁上，在安裝艙蓋時，常常出現艙蓋與口框梁之間的間隙值超差的問題。通過原因排查，發現口框梁存在不同程度的向下凹陷變形問題。因口框梁位于艙蓋下部，當口框梁向下凹陷時，就會導致艙蓋與口框梁表面的間隙變大，根據前期的容差分配，口框梁向下彎曲的變形量不能超過1.5mm，當變形量超過1.5mm時，艙蓋與口框梁的間隙值就會超差。因此，為了艙蓋的正常安裝，必須對口框梁的變形量進行有效控制。

1 口框梁變形問題描述及原因分析

1.1 口框梁簡介

口框梁位于機身座艙段的上部，前后兩端分別和6框及18斜框連接。各框的框緣位于口框梁與前、后座艙地板之間，分別與口框梁筋條及座艙地板用螺栓連接，框緣下部有一顆螺栓與座艙地板相連，上部有4顆螺栓與口框梁筋條相連，如圖1所示。

圖1 口框梁與艙蓋安裝圖

口框梁上表面為平面，其上開有3個Φ8mm的內定位孔（見圖2中序號處），①號定位孔距口框梁最前端（6框處）約700mm，②號定位孔距①號定位孔距離約850mm，③號定位孔距②號定位孔距離約1610mm。裝配時，采用與上述內定位孔配合的3個定位銷將口框梁固定于型架定位器上。

圖2 口框梁安裝示意圖

1.2 變形問題描述

口框梁外形及其變形情況如圖3所示。用長板尺放置于口框梁上表面，測量口框梁與長板尺之間的間隙值，可以得出口框梁整體的變形趨勢。經過測量發現，口框梁的變形主要集中在后部，圖2中最前面的①號定位孔至6框這一區間沒有發生變形。為便于表示變形情況，在口框梁靠近后部按圖3取8個點進行測量，8個點的位置相對口框梁前端的距離如表1所示。

圖3 口框梁變形示意圖

表1 測量點距口框梁前端距離

選取三架飛機作為被測樣本，對測量數據進行匯總得出曲線圖（圖4）。由圖4可以看出，口框梁后部的變形量遠大于前部的變形量，且變形最為嚴重的部位主要位于口框梁后部靠近艙蓋第三鉸鏈位置附近，且變形量已經超出了口框梁的最大允許量1.5mm，最大達到了2.1mm。

圖4 口框梁變形曲線圖

1.3 原因分析

針對口框梁變形問題，從人、機、料、法、環、測等方面進行了分析，初步排除了人、環、測等因素，并得出了可能造成口框梁變形問題的主要原因：（1）零件自身變形；（2）工裝定位器位置偏離導致口框梁變形；（3）裝配過程中操作方法出現問題。下面需要對前述所列的3個可能原因逐一進行分析，找出造成口框梁變形的主要原因，才能找到解決口框梁變形問題的方法。

1.3.1 零件自身變形分析

口框梁為數控機加件，零件制造完成后均需進行外形檢測，理論上來說零件交付時基本不存在太大的變形。為驗證口框梁零件狀態時的平面度，從庫房中取出3件口框梁零件，采用長板尺對其進行測量，測量數據顯示，口框梁零件自身變形量相對最終變形量較小，且測量出的變形趨勢與口框梁的實際變形趨勢并沒有較大的關系，如圖5所示。另外，考慮到測量誤差等因素，最終判定，零件狀態的變形不是造成口框梁最終變形的主要原因。

圖5 口框梁零件變形曲線

1.3.2 工裝定位器偏差分析

工裝定位器的準確度對零件的定位安裝有著極大的影響，如果定位器出現較大偏差，裝配出的飛機狀態將會出現批次性的偏差。

口框梁在工裝上的定位狀態如圖6所示，工裝上在每個口框梁安裝位置各有3個定位板，定位板上開有定位孔，定位孔位置與口框梁的3個定位孔的理論位置相配合，且定位板的平面與口框梁上表面的理論位置相貼合；定位時采用3個帶螺紋的定位銷將口框梁固定在型架上。如果定位板平面與口框梁上平面的理論位置出現偏離，可能就會引起口框梁的變形。

為確定定位器是否出現偏差，采用激光跟蹤儀對定位器的定位平面及定位孔位置進行了檢測，并將測量點與機身理論位置進行比對，結果如表2所示。

圖6 口框梁在工裝上的定位狀態

表2 型架定位器相對理論位置偏離值（mm）

根據型架定位器測量結果，作出如下假設：口框梁在型架上與定位器平面嚴密貼合；口框梁在型架上定位后跟隨型架的變形為樣條曲線；口框梁最前端因與框板貼合，因此假定最前端處于理論位置。經測量第一個定位孔距口框梁最前端約700mm，第二個定位孔距口框梁最前端約1550mm，第三個定位孔距口框梁最前端約3160mm。根據口框梁定位孔的位置，可以作出口框梁隨定位器的變形曲線圖，見圖7。

圖7 口框梁隨型架變形曲線

因為口框梁在型架上定位時存在整體向某個方向偏移的情況，因此觀察各點相對理論位置的偏移距離并不能實際反映出口框梁內部變形情況。而在圖6中，若將某條曲線的前后端點用直線相連，可以認為口框梁實際定位時，若不存在變形情況，連接兩個端點的直線即可認為是口框梁的定位位置，口框梁的平面理論上應與此直線重合。而口框梁變形后，其他部位相對口框梁理論平面的變化情況即可由曲線相對直線的偏離情況直觀的反映出來。從圖中可以發現，若不考慮其他因素，口框梁在型架上定位后，其變形最大部位就位于工裝定位器偏移最大部位，從所測數據中可以推測出口框梁在型架上定位后，其變形最大處相對口框梁理論平面的距離不超過0.3mm，由此可以說明工裝定位器的偏差仍不足以造成口框梁太大的變形。

但在檢查過程中發現，工裝按照口框梁上的3個內定位孔設置了定位器，但由于口框梁后部兩個定位孔的距離比前部的兩個定位孔距離要長近2倍（圖6），在約1610mm的范圍內，口框梁無定位支撐，而口框梁最終變形最大的部位就位于這一區間。通過現場試驗，將口框梁按定位器定位后，用手拉動第三鉸鏈處，發現用較小的力便可以使口框梁產生1mm以上的變形，因此可以確定，工裝缺少定位基準是引起口框梁變形的潛在因素。

1.3.3 裝配過程分析

根據前面所作的分析，因為零件及工裝的影響對口框梁變形的影響有限，而實際裝配時產生的變形比較大，所以口框梁變形的最大可能原因就是裝配時的操作方法出現問題。飛機裝配時與口框梁相關的流程如下：6-18框下壁部件由前后艙地板的4個定位孔定位，口框梁由型架上的定位器定位；框緣定位時分別與座艙地板及口框梁筋條貼合，工藝夾緊；然后開出框緣與地板連接的螺栓孔，鋪設膠膜后再安裝框緣與地板連接的螺栓；再安裝框緣與口框梁筋條連接的螺栓；最后再安裝蒙皮與口框梁連接的鉚釘。

因口框梁的變形主要是向下彎曲變形，針對現場操作時可能會造成口框梁向下變形的因素，可以列出兩個可能造成口框梁變形的原因：（1）安裝框緣與座艙地板連接的螺栓時，因框緣向下移動造成口框梁隨框緣向下變形；（2）鉚接口框梁與側上方的蒙皮連接的鉚釘時，因鉚接沖擊力造成口框梁變形。

對于上述變形原因，最直接的方法就是在裝配時進行跟蹤觀察，記錄裝配過程中口框梁的變形數據，這樣就能找出是在哪一個裝配步驟造成的口框梁變形。最準確的方法就是在型架上定位口框梁后，采用激光跟蹤儀對口框梁的平面數據進行掃描，將掃描出的數據與口框梁的理論位置數據進行比對。但是因為有型架其他部位的遮擋，激光跟蹤儀不能測量到全部的關鍵跟蹤點，且測量周期較長，耗時費力，故需找到一種簡便易行且直觀的檢測方法。

1.3.3.1 裝配過程的跟蹤方案

針對口框梁的變形情況主要為內部整體向下凹陷變形，而在裝配過程中口框梁被定位器固定，可用空間有限，制定了用細棉線跟蹤測量的方案。

在本方案中，在口框梁上平面部位拉一根棉線，棉線避開工裝定位器，細棉線兩端用膠帶固定在口框梁上，中間部位保持繃緊，如圖8所示。這樣在裝配過程中，當口框梁變形后，棉線與口框梁平面間的間隙就會變大，從而找出導致口框梁變形的主要原因。此方法因棉線有彈性，繃緊程度不同，在同一狀態下測量出的間隙值也會出現較大偏差，測量數據不能作為口框梁的實際變形量。但通過對棉線與口框梁的間隙值進行跟蹤，當測量值發生較大變化時，還是可以確定出是哪一個環節導致的口框梁變形。

圖8 棉線位置示意圖

1.3.3.2 變形量跟蹤結果

方案實施時，口框梁在型架上定位后便測量棉線與口框梁平面之間的間隙值，根據裝配步驟，再分別在安裝框緣后及鉚接蒙皮后進行測量間隙值。測量點仍按照圖3所示的位置，對某架飛機跟蹤測量后，列出棉線與口框梁平面的間隙值如表3所示。

表3 棉線與口框梁平面的間隙值（mm）

從表3中的數據可以看出，在框緣安裝后，口框梁發生了較大的變形量，而其他工序產生的變形量相對較小。因此可以確定口框梁的變形主要是在框緣安裝時形成的。

1.3.3.3 口框梁裝配變形分析

框緣的安裝流程如圖9所示：先將框緣定位，并用弓形夾將框緣與口框梁夾緊；然后開出框緣與座艙地板連接的螺栓孔，框緣與座艙地板間鋪設一層約0.5mm的膠膜后再將其夾緊；安裝下部螺栓；然后再開出框緣與口框梁筋條連接的螺栓孔并安裝螺栓。

圖9 框緣安裝流程圖

在這個操作過程中，因為膠膜擠壓后厚度變化較大，所以安裝框緣與座艙地板連接的螺栓時最易發生零件位移。變形過程如下：膠膜被擠壓后厚度變薄（從0.5mm變至約0.1mm），框緣相對定位時的位置向下偏移；雖然此時口框梁與框緣并未連接，但因框緣工藝固定時，弓形夾將口框梁外緣與框緣夾緊，所以框緣向下偏移就會導致口框梁向下彈性變形；而在開出框緣與口框梁筋條連接的螺栓孔時，弓形夾并未松掉，安裝了框緣與口框梁連接的螺栓后，口框梁的彈性變形便被框緣固定下來，即使松掉弓形夾，口框梁也無法回彈至原位置。如此依次安裝各個框緣，最終口框梁的彈性變形被一步步積累下來，最終導致口框梁出現較大的向下變形。因此框緣安裝工序的不合理是導致口框梁變形的直接原因。

2 口框梁變形解決方案

通過上述分析可以得出，導致口框梁變形的主要原因有：（1）工裝缺少定位基準。（2）框緣安裝工序的不合理。這二者使口框梁的彈性變形積累，最終導致了口框梁的變形。

根據上述原因，分別制定了增加工裝定位器和改進裝配流程的方案，以控制口框梁的變形量。

2.1 增加工裝定位器

根據前述分析，口框梁后部的兩個內定位孔的距離較長，而變形最大的部位也位于兩個內定位孔中間區域，因此，在這一部位增設了一個定位器，并帶有夾緊裝置，如圖10所示。有了這一改動，一方面可以在裝配過程中隨時檢查口框梁相對定位面的變形量，及時采取措施；另一方面，通過夾緊裝置，使口框梁平面貼合在理論位置，可以防止裝配過程中的變形，從而預防口框梁的變形。

圖10 口框梁新增定位夾緊器

2.2 改進裝配流程

首先，將各框緣的安裝順序進行了調整，由原來的從后向前依次安裝改為先安裝最易產生變形部位的框緣（口框梁②、③定位孔中間位置，艙蓋第三鉸鏈處），使口框梁易產生變形的部位，再安裝其他位置的框緣。

其次，針對框緣安裝過程中導致口框梁向下變形的問題，對框緣安裝過程進行了調整。當安裝完框緣與地板連接的螺栓后，在制框緣與口框梁連接的螺栓孔前，將固定框緣與口框梁的弓形夾松開，并稍等片刻，待口框梁的彈性變形消失，使其恢復到原位置后，再將框緣與口框梁筋條從側面夾緊，最后再開出框緣與口框梁筋條連接的螺栓孔并安裝螺栓（圖11）。這樣就可以避免框緣安裝過程中造成的口框梁彈性變形。

3 改進后效果

實施上述方案后，對多架飛機的口框梁變形量進行了匯總，如表4所示。可以看出，口框梁變形量已明顯減小，均在允許范圍內，因此可以認定采取的上述措施是有效的。

圖11 框緣安裝工序的改進

表4 改進實施后口框梁的變形數據（mm）

4 結語

口框梁變形問題導致了多架次的不合格審理問題。在這一問題的解決過程中，主要采用了QC攻關的方式，通過一系列的分析及檢查，確認了某型飛機口框梁變形問題的主要原因是工裝定位器的不合理及裝配工序的不合理。并針對主要原因制定了有效措施，解決了口框梁的變形問題。

今后，針對大型部件的工藝策劃，可以利用先進的分析工具如PFMEA等對工藝方案進行分析論證，找出可能出現問題的裝配節點，從最大程度上避免問題。在出現具體問題時，可以采用QC攻關等方式快速有效的找到問題的主要原因并解決問題。