飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造研究

王海燕

吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022

現(xiàn)階段，通航產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的主要組成部分，是國(guó)土安全和國(guó)防建設(shè)的重要戰(zhàn)略儲(chǔ)備。各地正在積極構(gòu)建與研發(fā)制造和運(yùn)營(yíng)服務(wù)相匹配的通用航空延伸服務(wù)體系。2019年?yáng)|北地區(qū)小型運(yùn)輸航空器數(shù)量增長(zhǎng)307架，主要應(yīng)用于噴灑農(nóng)藥、森林滅火和旅游觀光等，應(yīng)用的領(lǐng)域較多且飛機(jī)的功能各不相同，而對(duì)于飛機(jī)的后期維修保養(yǎng)需求較大，這對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的工裝設(shè)計(jì)提出了較高的要求。中航吉航在飛機(jī)維修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的工裝設(shè)計(jì)決定了飛機(jī)的裝配進(jìn)度，而飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造受諸多條件限制，導(dǎo)致目前的工裝設(shè)計(jì)和研制周期長(zhǎng)，成本居高不下，且占用較大的場(chǎng)地面積及其他資源，無(wú)論是新機(jī)型還是舊機(jī)型都受很大的影響。針對(duì)工裝設(shè)計(jì)制造的問(wèn)題，筆者與吉林航空維修有限責(zé)任公司共同對(duì)飛機(jī)工裝系統(tǒng)中的變徑連接件進(jìn)行研究與優(yōu)化。

1 工裝液壓系統(tǒng)變徑連接件的研究

1.1 工裝液壓系統(tǒng)變徑連接件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

（1）根據(jù)變徑連接件自身特點(diǎn)及相關(guān)理論知識(shí)，采用NX10.0軟件對(duì)變徑連接件進(jìn)行立體建模，通過(guò)模擬仿真對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行處理，這樣可以從設(shè)計(jì)時(shí)間得到顯著的成效，又可為航空專業(yè)的相關(guān)課程提供教學(xué)案例。

（2）根據(jù)變徑連接件的材料、尺寸和形狀，使用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析，在進(jìn)行有限元參數(shù)分析時(shí)，可以通過(guò)施加荷載，及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，這樣求解出產(chǎn)品變徑處所能承受是最大應(yīng)力，得出最合適的參數(shù)值[1]。

（3）根據(jù)模擬仿真實(shí)驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試生產(chǎn)，并進(jìn)行安裝調(diào)試。

1.2 工裝液壓系統(tǒng)變徑連接件的應(yīng)用前景及推廣

民用航空小型飛行器在低空領(lǐng)域會(huì)通過(guò)更快速、高質(zhì)量的服務(wù)，來(lái)改變現(xiàn)有的物流系統(tǒng)，而將飛行器的工裝件標(biāo)準(zhǔn)化、流程化則有利于提高效益。通過(guò)三維建模及有限元分析，模擬仿真并加以驗(yàn)證試驗(yàn)，將縮短周期，同時(shí)能確定工裝各部件的裝配關(guān)系及是否產(chǎn)生干涉。通過(guò)對(duì)飛機(jī)工裝液壓系統(tǒng)變徑連接件的實(shí)施，不僅在教學(xué)中可以作為一個(gè)成熟的案例，而且通過(guò)課題研究的過(guò)程，增強(qiáng)教師“理-實(shí)”一體化中所體現(xiàn)的設(shè)計(jì)水平。

2 國(guó)內(nèi)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造過(guò)程中存在的問(wèn)題

2.1 我國(guó)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)水平有待提高

我國(guó)的航空產(chǎn)業(yè)起步較晚，1961年我國(guó)從蘇聯(lián)購(gòu)買(mǎi)的米格-21戰(zhàn)斗機(jī)，包括生產(chǎn)技術(shù)資料，從此開(kāi)始走上了飛機(jī)制造道路，當(dāng)初制定的目標(biāo)是能夠仿制出來(lái)，在所有資料都有的情況下，我國(guó)也用了3年時(shí)間才完成，特別是當(dāng)時(shí)飛機(jī)新工藝對(duì)于生產(chǎn)車間也是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。通過(guò)航空科研人員的幾十年不斷積累和探索，我國(guó)的飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的能力有了極大的提高，才有了現(xiàn)在的C919、運(yùn)20[2]。雖然我國(guó)現(xiàn)在可以稱為航空大國(guó)，但仍然不是航空強(qiáng)國(guó)，與歐美相比仍然存在一些差距，我國(guó)的飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)水平及制造還有較大的提升空間，從蘇聯(lián)借鑒的一套串行模式已經(jīng)不再匹配我國(guó)現(xiàn)階段的水平，因此在工裝設(shè)計(jì)制造的方面需要不斷參考，發(fā)展出適合我國(guó)的道路。

2.2 飛機(jī)研究制造過(guò)程中的瓶頸

當(dāng)前飛機(jī)主機(jī)制造廠很少，且都為小型飛行器的制造。隨著飛機(jī)的需求量在不斷增大，舊機(jī)型同樣需要進(jìn)廠維護(hù)，生產(chǎn)任務(wù)繁重，跟不上生產(chǎn)計(jì)劃。其中影響進(jìn)度的就包括飛行器工裝的設(shè)計(jì)及制造，而負(fù)責(zé)這項(xiàng)任務(wù)的技術(shù)裝配部門(mén)對(duì)于飛行器工裝設(shè)計(jì)的能力毋庸置疑，可對(duì)于工裝的制造要求過(guò)高，飛行器的制造企業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)能力不足，就要不斷去攻關(guān)、改進(jìn)其工藝，在飛行器制造廠滿足各項(xiàng)成控要求后，方可進(jìn)行生產(chǎn)。對(duì)于有特定功能的機(jī)型，則需要更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。究其根本還是制造技術(shù)水平處于瓶頸階段，應(yīng)該選擇突破瓶頸還是另辟蹊徑，也是需要加以分析的。

2.3 飛機(jī)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題

飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造的方法仍然沿用蘇聯(lián)的工裝設(shè)計(jì)制造方法，雖然相對(duì)成熟且穩(wěn)定，但與歐洲和美國(guó)一些飛行器制造企業(yè)對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)其較為粗獷。首先飛行器的工裝設(shè)計(jì)占用大量的土地面積，針對(duì)不同類型的飛行器設(shè)計(jì)制造其工裝，工裝不能互相通用。其次，制造能力的不足導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，需要在現(xiàn)有的技術(shù)條件下改進(jìn)工藝以適應(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)能力，消耗了大量的成本。使得資金本就不充裕的多數(shù)中小型飛行器制造企業(yè)望而卻步，對(duì)飛行器市場(chǎng)造成了沖擊。通常情況下，國(guó)內(nèi)的專配型架多采用剛性結(jié)構(gòu)，并且一套裝配型架只能夠裝備一個(gè)對(duì)象，導(dǎo)致飛機(jī)工裝制造的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。另外，傳統(tǒng)工裝制造過(guò)程中，還需要在裝配型架上配備多個(gè)定位件，使得工裝制造的整體成本有所升高，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期明顯延長(zhǎng)。

2.4 飛機(jī)工裝制造精度的問(wèn)題

飛機(jī)工裝零部件的機(jī)械加工精度取決于飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)及機(jī)械加工設(shè)備。目前隨著工裝數(shù)字化的應(yīng)用，使得飛機(jī)設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)是配套進(jìn)行的。因此在制造加工中會(huì)產(chǎn)生許多困難，加工工藝異常煩瑣，特別是對(duì)于加工難度大或現(xiàn)有條件不能加工出的工裝件，只能委托加工或自主創(chuàng)新加工工藝，企業(yè)需要采取科學(xué)的程序進(jìn)行生產(chǎn)，不斷優(yōu)化加工過(guò)程，這樣在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中才能占據(jù)有利位置。

目前飛機(jī)制造商常使用的飛機(jī)工裝件主要集中在緊固件和連接件，雖然尺寸、角度有所差異，但是對(duì)于工裝件的使用壽命、易脫落程度、氣密性等要求是一致的。通過(guò)對(duì)飛機(jī)工裝夾具失效故障統(tǒng)計(jì)，緊固件的疲勞斷裂和連接件的氣液滲漏最為常見(jiàn)。因此，通過(guò)改進(jìn)或創(chuàng)新加工工藝才能提升工裝零部件精度和壽命。

3 我國(guó)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 柔性化

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及智能化裝配技術(shù)水平的長(zhǎng)足發(fā)展，柔性化裝配技術(shù)因其周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，早已被航空工業(yè)發(fā)達(dá)的企業(yè)采用，并在短期內(nèi)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。柔性化技術(shù)從發(fā)展到現(xiàn)在的技術(shù)趨于成熟，其中柔性裝配體系才是核心。通過(guò)建立飛行器的工裝零件數(shù)據(jù)庫(kù)，并定期更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的工裝零件，以此來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)。柔性化裝配時(shí)，針對(duì)不同任務(wù)需求，合理選用數(shù)據(jù)庫(kù)中的工裝零件，模擬裝配并檢驗(yàn)方案的可行性，實(shí)現(xiàn)柔性化裝配。柔性化的裝配縮短了剛性裝配的時(shí)間，優(yōu)化了不同方案的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，降低了人員、場(chǎng)地和成本。

3.2 數(shù)字化

飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，對(duì)場(chǎng)地、人員、管理、硬件、資源等提出了相對(duì)苛刻的條件，這導(dǎo)致成本不斷攀升，同時(shí)制造過(guò)程漫長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)融入生產(chǎn)中，使原有的實(shí)體變成了虛擬化的數(shù)字，其中的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。將設(shè)計(jì)好的圖紙，進(jìn)行數(shù)字建模，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件按照預(yù)期的設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配，同時(shí)能對(duì)設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問(wèn)題，并得到改進(jìn)，而這一切都省去了實(shí)體的材料運(yùn)輸及反復(fù)加工裝配檢測(cè)等[3]。在傳統(tǒng)飛機(jī)工裝制造過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)樣件工作法和模線樣板工作法均是較為常用的方法，通過(guò)模線樣板工作將標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)當(dāng)作其制造與協(xié)調(diào)的主要參考，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行制造和加工，直至完成工裝裝配。現(xiàn)階段，我國(guó)飛機(jī)制造行業(yè)仍然采用模擬量傳遞協(xié)調(diào)系統(tǒng)，并且以模線樣板以及標(biāo)準(zhǔn)樣件為飛機(jī)工裝加工的主要依據(jù)。

3.3 速度化

隨著工業(yè)4.0的開(kāi)始，我國(guó)的制造業(yè)一躍成為世界第一，而國(guó)內(nèi)的飛機(jī)主機(jī)產(chǎn)商在發(fā)展過(guò)程中主要面臨的是工裝研發(fā)制造的速度問(wèn)題。如果將飛機(jī)工裝與制造業(yè)快速對(duì)接，將加快飛機(jī)工裝的研發(fā)，同時(shí)緩解工裝設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)壓力，這才是打破工裝設(shè)計(jì)制造瓶頸的重要途徑。

加快飛機(jī)工裝研發(fā)與制造速度需要建立數(shù)據(jù)資源庫(kù)和制定標(biāo)準(zhǔn)化，在設(shè)計(jì)時(shí)，資源庫(kù)可以更快地提供給設(shè)計(jì)者相同或類似的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)改進(jìn)或借鑒創(chuàng)新都能降低研發(fā)成本并提高速度。在制造時(shí)，對(duì)已有的飛機(jī)工裝典型結(jié)構(gòu)展開(kāi)詳細(xì)分析，將其模塊化、零件標(biāo)準(zhǔn)化，為生產(chǎn)和裝配創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)飛行器制造經(jīng)歷了從無(wú)到有，從有到精，還需要從精到強(qiáng)的發(fā)展。歐洲的空中客車公司和美國(guó)的洛克希德公司給了我國(guó)很多的經(jīng)驗(yàn)，少走了很多彎路，但彎路少走不代表不走。雖然目前工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)還不夠完善、成熟，但我國(guó)的制度更適合集中力量辦大事，必定能解決技裝部門(mén)的制造設(shè)備創(chuàng)新和優(yōu)化的問(wèn)題，為地方高校的航空專業(yè)教育及航空企業(yè)發(fā)展提供有力保障。