某型機(jī)大部件對(duì)接裝配協(xié)調(diào)及容差分配技術(shù)研究

張盛銳 許恒超 王 健

中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 陜西 西安 710089

1 基于協(xié)調(diào)及變形誤差的特殊功能對(duì)接區(qū)域工藝容差分析

1.1 工藝能力分析

工廠進(jìn)行資源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵要素是生產(chǎn),生產(chǎn)過(guò)程需綜合考慮質(zhì)量、時(shí)間、成本和數(shù)量等因素的影響在綜合成本最低的前提下形成有競(jìng)爭(zhēng)性的生產(chǎn)過(guò)程。工藝容差分析主要考慮企業(yè)的工藝能力和設(shè)計(jì)能力。

(1)制造流程和工藝。制造流程和工藝的最主要因素的取決于整個(gè)生產(chǎn)全流程的設(shè)計(jì)能力。這種因素的具體包含內(nèi)容如下:工藝方法的選擇,企業(yè)的設(shè)計(jì),制造工藝過(guò)程的分析,加工企業(yè)的選擇,加工能力和工藝的全面配套、生產(chǎn)管控和物流的安排。

設(shè)計(jì)機(jī)械加工工藝規(guī)范時(shí),必須在加工零件的各個(gè)環(huán)節(jié)規(guī)定公差帶保證最終的制造符合性。當(dāng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)一致時(shí),過(guò)程尺寸公差由加工過(guò)程中有關(guān)制造過(guò)程所采用的加工工藝能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)性確定。此方法是在經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的表格中進(jìn)行選取,它與實(shí)際制造的工藝方案所能達(dá)到的精度并不能保持一致。若設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)不一致時(shí),為達(dá)到零組件的設(shè)計(jì)要求,需對(duì)設(shè)計(jì)尺寸轉(zhuǎn)化為工藝尺寸,把設(shè)計(jì)要求換算成各個(gè)工序尺寸,并合理分配公差要求。因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中,能夠影響工藝方案誤差的因素相當(dāng)復(fù)雜的,有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差;在實(shí)際加工過(guò)程中一批零件的加工參數(shù)也不能保證完全一致,在正常波動(dòng)的同時(shí)但伴隨著異常波動(dòng)。傳統(tǒng)的容差分配方法很難保證最終加工產(chǎn)品尺寸與實(shí)際制造能力匹配,在傳統(tǒng)的容差分配方案中,有的過(guò)程工藝能力較高,而有的過(guò)程工藝能力無(wú)法滿足。

(2)工序能力。工序能力是指生產(chǎn)過(guò)程在控制狀態(tài)下的實(shí)際制造能力,即從過(guò)程人員、過(guò)程設(shè)備機(jī)器、原材料、工藝方法、工序環(huán)境等質(zhì)量因素充分考慮并規(guī)范,并在穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下所實(shí)現(xiàn)的工序過(guò)程質(zhì)量的能力,這是一種工序本身的一致性和再現(xiàn)性或能力體現(xiàn)。工序加工能力是制造過(guò)程分析的基礎(chǔ),此能力可用加工過(guò)程質(zhì)量特性值的波動(dòng)大小來(lái)體現(xiàn)。工序加工能力的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,選擇經(jīng)濟(jì)性良好并合理的加工方案。即通過(guò)對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的符合性預(yù)測(cè),確定加工過(guò)程的工藝裝備、工藝方法和過(guò)程檢測(cè)方法。2)工序之間的相互關(guān)系協(xié)調(diào)。工藝設(shè)計(jì)時(shí),要明確各道加工過(guò)程的加工余量、定位基準(zhǔn)等,掌握每道工序的加工能力最終實(shí)現(xiàn)合理的工藝設(shè)計(jì)。3)對(duì)工序質(zhì)量保證能力的驗(yàn)證?？紤]加工過(guò)程影響質(zhì)量缺陷的因素,提前預(yù)判工序不合格率,控制工藝過(guò)程實(shí)際加工質(zhì)量。4)為市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 工藝容差分析

在以往的容差分析中,將零件工藝誤差視為與設(shè)計(jì)公差重合,這與實(shí)際情況有較大差異。實(shí)際上,為了在加工中有一定的質(zhì)量裕度,即讓工序能力有一定的儲(chǔ)備,在工藝設(shè)計(jì)時(shí)通常使工藝誤差小于設(shè)計(jì)公差,且由于加工設(shè)備的精度不足或刀具的磨損等原因,工藝誤差往往呈現(xiàn)為偏態(tài)分布。因此,在進(jìn)行容差分析時(shí),必須考慮具體的加工環(huán)境所形成的工藝誤差及其均值漂移的分布類(lèi)型。

尺寸誤差t可表示為:t=Ps±tp。式中:Ps為工藝誤差均值漂移,即工藝誤差的分布中心(均值)相對(duì)于設(shè)計(jì)公差帶中心的偏移量;tp為工藝誤差,即某尺寸的加工實(shí)際值與工藝誤差均值的差值。

工序能力Pc是指一道工序穩(wěn)定生產(chǎn)的能力,通常用正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σn的6倍表示,即:Pc=6σn。工序能力指數(shù)Cp是指某道工序的加工精度能滿足產(chǎn)品公差要求的程度,即:

(1)當(dāng)各組成環(huán)工藝誤差tp及工藝誤差均值漂移ps均為對(duì)稱分布時(shí),封閉環(huán)尺寸誤差近似為正態(tài)分布,此時(shí)取K0=1。

(2)當(dāng)tp及ps為對(duì)稱分布或無(wú)序非對(duì)稱(偏態(tài)方向不同)分布、且組成環(huán)個(gè)數(shù)n≥5時(shí),按中心極限定理,封閉環(huán)尺寸誤差亦近似為正態(tài)分布,取K0=1。

將零件尺寸誤差分為工藝誤差和工藝誤差均值漂移,并針對(duì)具體的加工環(huán)境所產(chǎn)生的工藝誤差和工藝誤差均值漂移的統(tǒng)計(jì)分布形式進(jìn)行容差分析,是一種面向企業(yè)能力的容差分析方法,其分析結(jié)果更符合實(shí)際情況。裝配尺寸鏈的封閉環(huán)的靈敏度系數(shù);δi表示第i個(gè)組成環(huán)的誤差,可分為:正向誤差和反向誤差,當(dāng)δi≥0時(shí),該組成環(huán)的誤差為正向誤差,當(dāng)δi＜0時(shí),該組成環(huán)的誤差為反向誤差。

設(shè)裝配尺寸鏈組成環(huán)的個(gè)數(shù)為n-1,影響組成環(huán)的因素m(影響組成環(huán)的因素有裝配性能、加工成本、裝配工藝性等,則令m=3),與設(shè)計(jì)、工藝、制造相關(guān)的、參與決策容差分配方案的工程技術(shù)人員有l(wèi)人。記n-1個(gè)裝配尺寸鏈組成環(huán)為:

Cp L1,Cp L2,…,Cp Ln-1

m個(gè)影響因素(即優(yōu)化目標(biāo))為:

P1,P2,…,Pm

各優(yōu)化目標(biāo)P1,P2,…,Pm對(duì)每個(gè)組成環(huán)影響的最大值由矩陣A給出,即

2 基于最優(yōu)化方法中的廣義非線性多目標(biāo)規(guī)劃方法

提出了面向裝配性能、加工成本和裝配工藝性等多目標(biāo)的裝配容差綜合優(yōu)化模型,如下式所示。

式中,P(ΔTi)、C(ΔTi)、M(ΔTi)分別表示第i個(gè)組成環(huán)的面向裝配性能、面向加工成本、面向裝配工藝性的容差優(yōu)化模型;αi、βi、γi分別表示裝配性能、加工成本、裝配工藝性對(duì)組成環(huán)影響系數(shù);ΔT1,ΔT2,…,ΔTn-1分別表示n-1個(gè)組成環(huán)的容差值,ΔTn表示裝配尺寸鏈的封閉環(huán)的容差值;si表示第i個(gè)組成環(huán)對(duì)

或如表1所示,其中:aij為組成環(huán)Cp Li相對(duì)優(yōu)化目標(biāo)Pj的性能分值且0≤aij≤1且∑mj=1aij=1,i=1,2,…,n-1,j=1,2,…,m。

如果裝配性能P1、加工成本P2、裝配工藝性P3為優(yōu)化目標(biāo),那么各優(yōu)化目標(biāo)P1,P2,P3對(duì)每個(gè)組成環(huán)影響的最大值矩陣A可表示為:

令W?En-1+表示閉凸錐,W表示各不同的優(yōu)化目標(biāo)之間的重要程度,即在設(shè)計(jì)、工藝、制造等工程技術(shù)人員進(jìn)行群體決策過(guò)程中,各決策參與者共同承認(rèn)的、表明各屬性權(quán)重之間關(guān)系的一種偏好,例如:

3 某型機(jī)裝配協(xié)調(diào)與容差分配協(xié)調(diào)總體原則

1)以產(chǎn)品數(shù)字量定義為基礎(chǔ),裝配協(xié)調(diào)采用數(shù)字量與模擬量相結(jié)合的方式。

2)帶有理論外形或協(xié)調(diào)關(guān)系的機(jī)加結(jié)構(gòu)件的制造,以飛機(jī)的理論數(shù)模為原始依據(jù),數(shù)控加工過(guò)程中結(jié)合數(shù)控檢測(cè)方法。

3)型架夾具的設(shè)計(jì)以飛機(jī)三維數(shù)模和各個(gè)型架之間協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集為原始依據(jù),型架夾具在與飛機(jī)在相同的設(shè)計(jì)坐標(biāo)環(huán)境下,應(yīng)用三維設(shè)計(jì)技術(shù),最后形成工裝產(chǎn)品集。

4)在飛機(jī)工藝裝備的制造/安裝過(guò)程中綜合應(yīng)用數(shù)控加工、數(shù)字化檢測(cè)和激光跟蹤儀等技術(shù)。

4 分析結(jié)果與總結(jié)

我們對(duì)零件進(jìn)行2000次模擬裝配,并規(guī)定公差目標(biāo)的合格范圍。然后將每一次裝配所得到的公差目標(biāo)的測(cè)量值進(jìn)行匯總和分析,即可得到以下圖表和數(shù)據(jù)。

圖1 支座節(jié)托上(左)與雙耳鉸鏈上(右)孔的同軸度

1)支座節(jié)托上的孔與開(kāi)鎖座動(dòng)筒的同軸度:根據(jù)下圖我們可以得到絕大部分均為合格品,且所有不合格品均±3?mm在范圍之外,故在我們目前給定的公差下,此公差目標(biāo)符合要求。其中,對(duì)公差目標(biāo)影響最大的為安裝支座的工裝上銷(xiāo)的位置度公差,其次是支座上與開(kāi)鎖座動(dòng)筒裝配的孔的公差。

2)單耳鉸鏈上的孔與雙耳鉸鏈上孔的同軸度:根據(jù)下圖我們可以得到絕大部分均為合格品,且所有不合格品均在±3?mm范圍之外,故在我們目前給定的公差下,此公差目標(biāo)符合要求。其中,對(duì)公差目標(biāo)影響最大的為安裝單耳鉸鏈的工裝上銷(xiāo)的位置度公差,其次是安裝雙耳鉸鏈的工裝上銷(xiāo)的位置度公差。