飛機蒙皮制造中約束與定位問題研究

文/王飛·沈陽飛機工業（集團）有限公司有色金屬制造廠

導 語

航空制造中蒙皮屬于技術密集型產品，一件蒙皮產品的完成需要多個工種來協同。而各工種工序的銜接則需要孔來定位協調解決。J16項目案例、AUK項目案例以及ARJ項目案例都是我們工作中能見得到的由錯誤定位問題導致的工裝不協調影響生產的典型案例。這些問題出現后，往往都會形成糾纏不清、久拖不決、費工費時的局面。此文通過基本概念及3個實例分析來理清技術人員頭腦中的定位概念，提高對約束及定位的認知，促進生產效率，提高產品質量。

在飛機蒙皮制造、裝配中都會涉及定位與約束問題，定位是實現約束的手段。在實踐中往往因定位數量過多導致過定位問題，在工裝上的過定位現象比較普遍。無論是蒙皮拉深工裝、銑切工裝、裝配工裝或者其他工裝，都存在許多過定位現象。透過這個現象看其本質，根源在于我們頭腦中對于定位概念沒有充分正確的認知。而蒙皮制造中因定位多而不協調的問題出現后，往往會形成糾纏不清、反復返修、費工費時的局面。

理論定義

機械專業中將一個物體在空間準確定位需要6 個空間自由度，即3 個平移自由度，3 個旋轉自由度，如圖1 所示。

圖1 6 個空間自由度

空間：飛機設計在3 維空間進行，而3 維空間是由三維坐標系的三個坐標描述的空間，具有長寬高等物理特性。

定位：在飛機設計的空間里或在自設的工裝設計空間里，一個自由度對應一個約束把飛機零件固定在正確的位置上。

過定位：在空間里定位飛機零件的約束超過了6 個。

想要一個物體在空間有一個確定的位置，就必須在任意一個自由度上設置一個約束，即要有6 個約束。如果一個物體的約束少于6 個，這個物體在空間的位置就是不確定的。在結構力學中的靜不定結構就屬于約束不夠的結構類型，等于或大于6個約束的，叫靜定結構。在機械制造行業中，零件在工裝上的定位約束不能少于6 個，但也不能大于6 個。零件的組裝約束也是不能超過6 個的。如果大于6 個，就會造成“公差干涉”、“尺寸鏈封閉”的現象，少于6 個約束，零件顯然沒完全定住。運動機構的約束必須少于6 個，否則機構動不了。所有要求強度、剛度的不可拆靜定結構，其約束都是可以超過6 個的，像飛機蒙皮的鉚接、裝配夾具上的構架都是這樣的。

典型案例分析

在我們的日常工作中經常會接觸到零件定位方式不準確，比如曲面蒙皮定位多達5、6 個，定位面過大等問題，導致零件加工裝配不協調，故障反復出現，疲于應付，久拖不決，影響生產、裝配進度與質量。

在介紹這幾個案例之前需要介紹一下常見曲面的約束定位方式，曲度較小的曲面，可以將其按平面理解和處理。曲度較大的曲面（如馬鞍形），可以這樣來理解：當零件放到定位器上時，就已經形成了5 個約束，約束了3 個旋轉、2 個平移，只剩下一個平移，再加一個長圓孔（長圓方向垂直于可移動方向），定位就已經完全了。

軍機機型蒙皮零件

軍機機型蒙皮零件16.1100.A.801.xxx.為拉深化銑蒙皮，零件上2 個直徑8mm 的裝配定位孔和3 個直徑5.2mm 的化銑定位孔，如圖2 所示。最初，我們使用3 個5.2mm 的定位孔作為切邊定位與化銑定位來使用，由零件制造廠在模胎上制出零件上的3 個5.2mm 定位孔，后續化銑廠化銑中共同使用這3 個孔。但在實際使用中3 個定位孔經常不協調，需要反復返修工裝或者銼修定位孔來解決此問題。

圖2 改造前

技術人員為了從根本上解決此問題，取消了3 個5.2mm 定位孔作為前后工序傳承定位的方案，改用零件上2 個直徑8mm 的裝配孔來定位。這一方案技術人員已經認識到原來方案定位多的弊端，但還是沒有將定位多即過定位的問題從根本上解決。并且此方案統一了零件制造廠、化銑廠、裝配廠的定位問題，3 家統一使用2 個8mm 的裝配孔來定位，減少了累計誤差、降低了協調難度。經過改進后，零件制造協調問題較之前有所減少。而冬季來臨后我們使用的工裝因為材質原因以及存放溫度低等綜合因素，導致不同工序使用的制造工裝之間定位孔再次協調不上，工裝大量返修，嚴重影響生產周期。

最終，我們按照零件空間自由度的思路來解決這個問題。零件在工裝上定位，在一個 8mm 孔定位后，加上工裝型面的約束零件就只剩下半個自由度了，零件只能在工裝型面上繞 8mm 的銷做微小的轉動。我們的做法是在零件上制2個 8mm孔，后續工序工裝上我們將其中一個孔做成長圓孔形式。具體是兩孔中心連線，長圓孔長軸與連線重合。此方法解決了過定位問題，各工裝之間不協調問題徹底解決，如圖3 所示。

圖3 改造后

AUK 機翼前緣項目

AUK 機翼前緣項目的鈑金零件D574-49200-200/201（俗稱小背心），外形如圖4 示。8 廠拉深成形后，由11 廠進行外形銑切工序。之前11 廠在銑切夾具上的定位是：將零件置于全型面定位胎上，然后插上兩個圓柱銷，結果經常發生銷子插不進去的現象。核查8 廠零件的形狀、孔位均無問題，符合8 廠的工裝。

圖4 AUK 機翼前緣項目鈑金零件外形圖

究其原因是銑切夾具上過定位導致的。采取的處理辦法是這樣的：取消兩個定位圓孔中的一個，把另一個改為長圓孔，即采用了上述曲面常見的定位方式，問題完全得到解決。其實還有一個缺陷，就是銑切夾具上的定位胎不應當是全型面的，在后續的改進中我們將銑切夾具型面改為點接觸，其余部位做0.5mm 躲避處理。

ARJ 項目的鈑金零件

ARJ 項目的鈑金零件553A6200-020-003 是一個化銑件，形狀是馬鞍曲面形（圖5），化銑樣板與零件外形相同。在42 廠化銑刻型前要將化銑樣板與零件定位在一起。按目前大家的理解，其需要少則3、4 個，多則6、7 個定位孔來定位。此類零件的特殊性就在于零件和樣板定位后的夾緊比較困難，正巧在這個類型零件中，借助于鈑金件可變形性和其彈性，在多個孔上插銷子可很好地起到夾緊作用，但由于這種鈑金件成形后的狀態粗糙，其上又有6、7 個定位孔，所以孔位實在很難準確協調。在定位時，往往出現銷釘插不上的現象，或勉強插上之后樣板或零件貼附不好局部起鼓。這是一個典型的過定位現象，讓正常誤差積累最終集中在了化銑件定位環節。之所以過定位，是由于化銑定位中存在錯誤概念，把起夾緊作用的孔當成定位孔，依此概念要求在零件上制出7 個定位孔。

圖5 馬鞍曲面形

按照理論概念，這種情況下的定位，無論定位孔設置在馬鞍頂部，或在馬鞍側面，只能用一個長圓孔來定位。鑒于中大型蒙皮類形狀粗糙，樣板形狀也比較粗糙，勉強在頂部最多只能用兩個圓孔來定位，這時約束已經大于6個了，而其余孔只能用作固定夾緊使用，可以為夾緊作用的孔定制一系列的小銷子，只要能插進固定即可。

結 束 語

蒙皮制造是航空制造中比較復雜的一類制造技術。因其制造成本高、外形復雜、工序多，需要協調的環節就多。目前，我們還沒有完全普及柔性制造技術，所以每個工序環節的剛性工裝就需要通過定位孔來協調零件的型面一致性。在這個過程中過定位問題如影隨形，始終困擾著我們。本文通過基本概念介紹，多個案例分析，闡述了曲面蒙皮制造中協調各制造環節的定位形式，為后續蒙皮的制造提供了借鑒。