飛機結構鉚接裝配中機械加工零件的公差確定

李科，縣喜龍

（中航天水飛機工業(yè)有限責任公司，甘肅天水，741025）

引言

由于飛機是通過空氣動力學原理進行飛行，飛機外形直接影響到整個飛機的性能［1］。上個世紀由于機械加工行業(yè)整體水平較低，飛機所有零件只能通過車鉗銑等普通工序完成加工，由于飛機結構的特殊性許多結構復雜尤其是帶有曲面外形的零件通過普通的工序難以達到設計要求的外形參數(shù)，鈑金零件是組成飛機機體的主要部分，尤其是二代機以前的飛機多采用鈑金零件，整個飛機中鈑金零件數(shù)量占到整機零件的70%左右。進入二十一世紀隨著加工設備的變革，出現(xiàn)了加工中心，五軸加工中心等先進的加工設備，通過先進的加工設備可以實現(xiàn)在線加工進而解決了復雜薄壁類零件的加工問題［2-4］，且由于技術的成熟，通過銑削加工的薄壁類零件已應用到工程實際［5-7］。在一些重要的關鍵承力結構中采用機械加工零件代替了傳統(tǒng)的鈑金零件，這樣大大提高了關鍵零件的強度和剛度，提高了飛機的結構強度，而且重量上機械加工零件并不比鈑金零件重，且較好的制造精度減少了裝配鉚接的難度，有效保證了飛機的外形曲面尺寸。

1 飛機裝配質量要求

在飛機制造領域，為了保證飛機的飛行性能，設計時對零部件間的間隙和階差都提出了具體要求［8］。由于飛機零部件尺寸大，鈑金件和符合材料零件易變形，結構形狀和裝配關系復雜，導致由多個零件裝配而成的部件之間的間隙和階差經(jīng)常超出設計容限，影響飛機質量和生產(chǎn)效率［9］。本文以某型飛機的一橫梁在U型框的裝配為例，如圖1。通過對典型的間隙、階差超差進行分析，總結造成間隙、階差超差的主要原因，并提出解決間隙及階差問題的系統(tǒng)思路及指導方法。

圖1 橫梁裝配圖Fig.1 Crossbeam Assembly Drawing

2 裝配方法

零件在二代機中多采用鈑金零件通過在鉚接過程中的校形可以很好的保證飛機理論外形，如圖2。此部件為飛機主要部位，承受一定的壓力，將鈑金零件改為機械加工零件可增加部件整體的強度。零件外表面為曲面時，通過設計下陷與框進行鉚接可保證飛機理論外形。裝配過程中橫梁和帶板與框的內(nèi)表面貼合鉚接到一起，如圖3，橫梁的非下陷區(qū)和框外表面形成一個曲面，飛機蒙皮與該面貼合鉚接，其中要求橫梁非下陷區(qū)域與框外表面保持在一個面內(nèi)，這樣才能保證蒙皮與橫梁和框鉚接的過程中保證蒙皮理論外形，并且使外蒙皮表面光滑無下陷地方。

圖2 橫梁裝配零件Fig.2 Beam Assembly Parts

圖3 橫梁與框連接示意圖Fig.3 Sketch of Connection Between Beam and Frame

3 機械加工零件在裝配過程中的問題

在設計過程中對下陷區(qū)域沒有公差規(guī)定，所以裝配過程中很容易出現(xiàn)間隙和階差超差現(xiàn)象。

由于該零件較為復雜，且為薄壁零件，檢驗人員檢測的尺寸如圖4所示壁厚（2mm）和寬度（90mm和96mm），設計規(guī)定壁厚和寬度公差按照HB5800-1999執(zhí)行，通過查閱標準可知2mm的公差為±0.12 mm，90mm和96mm的公差為±0.43mm。在零件生產(chǎn)過程中工人為了保證零件合格率防止出現(xiàn)失誤造成零件報廢，在加工過程中始終按照上差進行加工，即寬度為90.47mm和96.47mm壁厚為2.12mm。采用這種方法當寬度超差時可以通過挫修壁厚而且還能保證寬度尺寸在公差范圍內(nèi)，同樣當壁厚超差時可以挫修壁厚來保證零件的合格。這種方法在現(xiàn)在的航空制造業(yè)中普遍存在，單純對于零件加工而言這樣的加工方法沒有錯誤，通過這樣的方法生產(chǎn)的零件都能符合設計要求。

圖4 橫梁檢測尺寸Fig.4 Inspection Size of Cross Beam

在裝配時，當下陷區(qū)為負差時，會出現(xiàn)蒙皮凸起，一般解決方法是對下陷區(qū)或蒙皮進行搓修，傳統(tǒng)飛機通常都是采用此方法。但隨著現(xiàn)代飛機對零件精度及外形要求越來越嚴格，此方法會帶來以下問題：

（1）對于尺寸要求控制很嚴格機械加工零件挫修很難修到理想狀態(tài)，這種情況不但會降低裝配效率而且還給裝配帶來一定的風險；

（2）通過挫修勢必會使下陷區(qū)域的壁厚減少，同時會增加下陷區(qū)域的下陷深度，在裝配中出現(xiàn)橫梁與蒙皮貼合的形面高于框與蒙皮貼合形面，如圖5所示；

（3）在搓修過多時會嚴重影響零件的強度；

（4）搓修會損害零件的表面處理。

圖5 橫梁與框裝配示意圖Fig.5 Assembly Sketch of Cross Beam and Frame

由機械加工件代替鈑金件進行鉚接裝配，雖然機械加工件提高了整體骨架結構精度與強度，但如果在工藝方面沒有進行協(xié)調(diào)會起到適得其反的效果，最終導致部件超重或階差不能滿足要求而報廢，且這類超差報廢在前期是無法預計的，只有在裝配完工后可能出現(xiàn)，這就會造成生產(chǎn)任務拖期，如果從工藝角度不進行公差分配去消除后期超差報廢的風險，會造成巨大的損失。

4 零件二次公差分配

所以在零件加工之前要從工藝角度進行零件二次公差分配，以保證零件的裝配。如圖6所示，對本文零件進行二次公差分配，首先保證96mm的外形尺寸，該尺寸公差為自由公差（±0.43mm），其次保證下陷尺寸4mm和3mm，由于橫梁和框裝配過程中貼合蒙皮一側的下陷面和框內(nèi)腔完全貼合，另一側貼合面允許留裝配間隙通過添加可薄墊片填充。將89mm尺寸的自由公差（±0.43mm）分配到兩側下陷尺寸中，89mm尺寸可以不做檢測要求。根據(jù)經(jīng)驗確定兩側下陷尺寸公差分配原則為靠近蒙皮一側為4±0.28mm，另一側為3±0.15mm，為避免裝配過程中進行修配，所以下陷區(qū)尺寸全取正差。最后保證壁厚尺寸2mm，壁厚尺寸公差按照自由公差執(zhí)行（±0.13mm）。下陷外形89mm尺寸為封閉環(huán)尺寸。

圖6 橫梁加工示意圖Fig.6 Sketch of Crossbeam Machining

此方法可以嚴格控制下陷尺寸，保證裝配過程中橫梁蒙皮貼合面與框與蒙皮的貼合面在同一個平面內(nèi)，確保外蒙皮裝配質量同時使部件的重量控制在合理的范圍內(nèi)。

5 結束語

通過上述分析，飛機鉚接裝配中機械加工零件尺寸公差分配原則如下：

（1）首先保證理論外形尺寸和壁厚，其中理論外形尺寸和壁厚尺寸公差按照自由公差；

（2）保證下陷尺寸，將下陷外形尺寸公差的自由公差分配到兩側下陷尺寸中，其中將自由公差按照近似2：1的比例進行分配，并取正差以避免搓修；

（3）使下陷外形尺寸作為閉環(huán)尺寸可以不做控制。

通過對機械加工零件尺寸公差的分配，可控制零件質量，保證機身裝配質量，為后續(xù)裝配過程減低難度，保證飛機部件整體的鉚接質量。