飛機機身蒙皮試驗件機加制造及其精度分析研究

凡志磊，張虎翼，余 路

（上海飛機制造有限公司，上海201324）

目前，自動化裝配技術已大量應用于國外先進民機制造企業[1-3]，國內民機制造企業也開始采用自動化設備完成飛機裝配[4-6]。尤其是大型客機對機體裝配精度提出了更高的要求，機身壁板通過采用自動化設備完成裝配，以提高裝配質量，滿足設計性能要求；提高效率、降低批產成本，滿足制造經濟性要求[7]；同時也可以提高國內先進裝配技術發展水平，提高核心技術實力[8]。

自動化裝配工藝對裝配協調方法和零件制造方法提出了新的要求：壁板零件的預裝配需要采用DA孔定位配合的決定性裝配方法[9]；零件的孔位、外形和凈邊的要求更高，需要采用新的制造工藝方法來保證。目前國內對蒙皮的加工大都采用傳統的化銑來完成[10]，其對槽液配比要求較高，精度、周期不易控制，對不同材料需要摸索不同的參數。

由于機身蒙皮是一個有曲率的弱剛度大零件，因此其數控加工的實施比較困難[11]，全面掌握蒙皮的機加工藝方法，解決機身壁板件在生產過程可能出現的潛在問題，檢驗基礎工藝研究成果，通過開展蒙皮機加試驗件的研究工作，熟悉生產加工工藝，驗證蒙皮機加的可行性，及早發現實際生產過程中可能出現的潛在問題并考慮其解決預案。

1 蒙皮試驗件的設計

參照某飛機中機身壁板結構形式，設計該蒙皮縮比試驗件，蒙皮試驗件長2000mm，寬約1600mm，厚2mm，其結構形式如圖1所示。為滿足自動化裝配的需要，在蒙皮制造過程中需要在蒙皮上加工出長桁和角片DA孔。而為了完成蒙皮在工裝上的定位，還需要設計相應的工藝耳片孔。

圖1 蒙皮試驗件結構形式

2 蒙皮制孔銑切夾具

自動化裝配工藝的應用，對零件制造提出了更高的工藝要求。高標準的工藝要求需要通過高精度的零件制造工裝保證。為完成該蒙皮試驗件在數控機床上的加工，需要設計一套蒙皮制孔銑切夾具，首先考慮使用鑄件制造，因其結構比較復雜，后采用板件焊接制造。蒙皮真空銑切夾具由八塊鋁板焊接而成，真空吸附曲面由兩塊鋁板焊接后滾彎而成，作為壁板試驗件的重要組成部分，蒙皮在滾彎成型后通過真空吸附及壓板固定在真空銑切夾具上，一次完成耳片定位孔制備、裝配DA孔制備、凈邊、開口及機銑減薄的工作。蒙皮制孔銑切夾具如圖2所示。

圖2 蒙皮制孔銑切夾具

3 蒙皮試驗件加工

蒙皮數控加工應用U5數控銑床，加工臺面為2500mm×12000mm×1200mm，主軸最大轉速18000 r/min。設備具備X、Y、Z三條直線軸及A、C轉角，A角可調范圍為±90°，C角可調范圍為400°，設備加工精度為±0.03mm。

蒙皮制造過程如下：首先完成板材下料，然后進行蒙皮滾彎成形，最后借助蒙皮制孔銑切夾具，使用五軸數控機床一次完成制工裝孔、DA孔、銑下陷、銑凈邊及開口（凈邊及開口留0.3mm余量，完成機加后手工切邊），全部完成后便可以用于壁板試驗件裝配。蒙皮通過工裝定位孔在工裝上定位，工裝上設置加工參考點，設備以加工參考點為基準完成蒙皮上裝配DA孔的制備，加工過程如圖3所示。

圖3 蒙皮試驗件在數控機床上的加工

4 蒙皮測量結果

為檢測蒙皮機加的結果是否符合要求，使用測厚儀測量了蒙皮的下陷尺寸，使用激光跟蹤儀測量了DA孔位置及銑凈邊和開口精度，將測量結果導入數模，如圖4，并對測量結果進行了分析。

圖4 激光跟蹤儀測量結果

4.1 機銑下限精度

使用測厚儀測量了蒙皮三個下陷區域的下陷尺寸，各下陷區的偏差測量結果見圖5。

圖5 各下陷區偏差

通過測量發現蒙皮機銑下限偏差基本全為正偏差，最大偏差0.122mm，最小偏差-0.024mm，偏差范圍滿足公差要求且均勻穩定，下陷偏差值分布見圖6。

圖6 下陷偏差值分布

4.2 DA孔孔位精度

使用激光跟蹤儀測量蒙皮上DA孔位置，得到蒙皮上的長桁和角片DA孔實際位置和理論坐標的差，長桁DA孔的孔位偏差如圖7所示，角片DA孔的孔位偏差如圖8所示。對DA孔與理論位置偏差進行分析，蒙皮上長桁及角片連接DA孔偏差在接近定位耳片孔處最小，在周向上基本由上至下偏差逐漸加大，偏差很有規律，最大偏差近3mm，偏差方向基本向下。

圖7 長桁DA孔偏差

圖8 角片DA孔偏差

長桁DA孔間距見表1，其最大偏差為0.064mm，最小偏差為-0.096mm，偏差范圍滿足公差要求。

表1 長桁DA孔相對位置偏差

角片DA孔間距偏差見表2，基本全為正偏差，除個別孔外，偏差范圍在0到+0.5mm左右，偏差范圍略超公差要求且均勻穩定。

表2 角片DA孔相對位置偏差

4.3 凈邊精度

使用激光跟蹤儀測量機銑凈邊精度，測量結果如圖9所示，除個別點外（可能是由于測量導致的偏差），左側凈邊最大值為0.571mm，最小值為0.181mm。右側凈邊最大值為0.246mm，最小值為0.044mm，略超公差要求。

圖9 左右側凈邊偏差趨勢

4.4 開口精度

使用激光跟蹤儀測量三個開口區域的偏差，測量結果如圖10，開口左右側偏差較小，基本滿足公差要求。上下側偏差較大，即開口與理論位置偏差較大（其趨勢和DA孔偏差趨勢相同）。開口處各邊測量點的相對位置精度很高，偏差范圍在0.1mm左右。

圖10 開口凈邊偏差趨勢

5 測量結果分析

結合試驗件下陷、DA孔位和凈邊要求，對測量結果進行分析如下。

（1）蒙皮銑下限精度在0.1mm左右，表面光滑，滿足公差要求，但銑削加工周期長（試驗件制所有孔只需1個工時，而銑下限約需7到8個工時）。

（2）蒙皮零件制DA孔在縱向方向上精度較高，在周向方向上精度較差。需要進一步分析此偏差產生的原因；DA孔相對位置精度較高，能滿足DA裝配要求。

（3）蒙皮開口和凈邊略超公差要求，由于是手工切除，增加了誤差，如果能一次性進行數控切除的話，精度應可以滿足公差要求。

6 結束語

通過該蒙皮試驗件的制造，驗證了蒙皮機加的可行性，其加工精度總體上可以滿足要求，未來仍需在以下幾方面進行改進：（1）目前對機身蒙皮制造精度要求更高，對加工設備的要求也更高，切邊需要數控切除，避免手工誤差。（2）本試驗件長度僅為2m，厚度僅為2mm，對于更大尺寸、更大厚度的蒙皮，對其滾彎精度要求更高，否則將難以貼合制孔銑切工裝，給零件的制造帶來極大的困難。（3）蒙皮測量方法有限，下陷采用測厚儀測量，孔位及凈邊外形采用激光跟蹤儀在裝配型架上測量。受到零件制造誤差、工裝制造誤差、零件型架定位及測量誤差共同影響，致使誤差較大，需要研究對大尺寸薄壁件的高精度測量方法。