多交點(diǎn)、高精度、無補(bǔ)償機(jī)身機(jī)翼對接控制技術(shù)

張春亮，楊 陽，邱燕平，陳朋舉

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

某型飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼對接結(jié)構(gòu)采用小型飛機(jī)典型的多交點(diǎn)無余量耳叉結(jié)構(gòu)，受空間結(jié)構(gòu)限制及當(dāng)時工廠現(xiàn)有的裝配技術(shù)制約，研制階段采用模擬量傳遞的協(xié)調(diào)方法[1]，制造準(zhǔn)確度不高，交點(diǎn)互換性差，一直存在對接超差問題。對接超差時，須對同軸度超差孔徑進(jìn)行人工擴(kuò)孔配鉸，對端面干涉位置進(jìn)行打磨修配等補(bǔ)充加工。由于翼身對接空間狹小、接頭材料難加工，排故操作困難，不僅生產(chǎn)效率低，交付周期長，還會降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少飛機(jī)壽命，使產(chǎn)品不具備互換性。因此，解決機(jī)身機(jī)翼對接超差問題，對某型號研制和順利快速轉(zhuǎn)批生產(chǎn)意義重大。本文在系統(tǒng)分析問題的基礎(chǔ)上，通過容差計(jì)算，充分利用現(xiàn)有工藝條件，僅對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行局部優(yōu)化，對工藝、工裝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，非常經(jīng)濟(jì)性地解決了機(jī)身機(jī)翼對接超差問題。

1 問題描述

某型飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼交點(diǎn)采用典型的耳片式對接形式，具有以下特點(diǎn)：

1）對接多交點(diǎn)：單側(cè)共5 組43 個耳片，如圖1 所示。

圖1 機(jī)身機(jī)翼對接接頭示意圖

2）對接精度高：各接頭孔精度均為E9（機(jī)身孔）/f9（對接螺栓）/H8（機(jī)翼孔）的高精度孔軸配合（如圖2所示）；除對接3 框下耳片對接基準(zhǔn)（端面配合公差為19H9/19f9）無間隙外，其余所有框接頭理論間隙1.5mm，最大偏移量不允許超過0.5mm。

圖2 機(jī)身接頭對接接頭尺寸簡圖

3）無補(bǔ)償：所有對接孔及耳片間隙，無滑塊、凸臺、墊片等任何設(shè)計(jì)補(bǔ)償，對工裝制造、零件制造、產(chǎn)品裝配及部件精加工控制要求非常高。

自研制以來，機(jī)身機(jī)翼對接一直無法滿足設(shè)計(jì)要求，是困擾型號研制的一個技術(shù)難題，存在的主要問題是：

1）同軸度超差：接頭同軸度的偏差較大，造成機(jī)身機(jī)翼接頭對接螺栓無法插入的情況，個別接頭孔同軸度偏差達(dá)到0.9mm（設(shè)計(jì)要求不大于0.15 mm）。

2）端面間隙超差：在機(jī)身機(jī)翼接頭對接時，接頭端面間隙的偏差較大，造成機(jī)身機(jī)翼對接接頭出現(xiàn)干涉的情況（設(shè)計(jì)要求間隙不小于1mm）。

2 原因分析

通過工藝容差計(jì)算和對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對接方法、工裝設(shè)計(jì)制造、工藝控制過程等的分析，結(jié)合制造產(chǎn)品數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對翼身對接超差進(jìn)行原因分析，具體如下。

2.1 工藝容差計(jì)算與分析

2.1.1 協(xié)調(diào)路線設(shè)計(jì)

由于機(jī)身機(jī)翼對接形式復(fù)雜、協(xié)調(diào)部位多、對接要求高，為保證對接的準(zhǔn)確性和協(xié)調(diào)性，采用以數(shù)字量為主、模擬量為輔的數(shù)字量模擬量混合傳遞的工藝協(xié)調(diào)路線，如圖3、圖4 所示。

圖3 機(jī)身機(jī)翼對接接頭端面協(xié)調(diào)路線

圖4 機(jī)身機(jī)翼接頭孔協(xié)調(diào)路線

2.1.2 端面容差計(jì)算與分析

按照容差分配經(jīng)驗(yàn)公式[2]進(jìn)行計(jì)算，所用計(jì)算公式為：

式中，ωΣAB為機(jī)身機(jī)翼接頭對接端面隨機(jī)誤差總和，H 為修正系數(shù)，A 為移形過程中的傳遞系數(shù)，δ 為各移形過程中的保證公差。

式中，A 為各移形過程的傳遞系數(shù)，δ 為各移形過程中的保證公差。

式中，（J1）0、（J2）0為叉耳實(shí)際配合間隙，δa1、δb1、δa2、δb2分別為叉耳公差帶半帶寬。

式中，J1N、J2N為叉耳配合間隙公稱值，（δa1）0、（δb1）0、（δa2）0、（δb2）0分別為叉耳公差帶中點(diǎn)值。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行容差計(jì)算可知（計(jì)算結(jié)果見表1）：當(dāng)端面間隙要求不小于1.0mm 時（即允許偏差0.5mm），對接1 框會出現(xiàn)干涉，其余框也均未超過0.1mm，允許的裝配誤差過小，以目前的裝配工藝水平根本無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 接頭端面容差計(jì)算結(jié)果

2.1.3 孔中心容差計(jì)算與分析

按照容差分配經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，所用計(jì)算公式為：

式中，ωΣAB為機(jī)身機(jī)翼接頭對接孔中心隨機(jī)誤差總和，H為修正系數(shù)，A為移形過程中的傳遞系數(shù)，δ為各移形過程中的保證公差。

A為移形過程中的傳遞系數(shù)，δ為各移形過程中的保證公差。

當(dāng)使用圓柱銷時，

當(dāng)使用階梯銷時，

式中，（J1）0、（J2）0為孔中心實(shí)際配合間隙，δa1、δb1、δa2、δb2分別為孔徑公差帶半帶寬。

式中，J1N、J2N為叉耳配合間隙公稱值，（δa1）0、（δb1）0、（δa2）0、（δb2）0分別為叉耳公差帶中點(diǎn)值。

將數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行容差計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。計(jì)算結(jié)果表明，在移形過程中保證插銷能夠自由轉(zhuǎn)動時，機(jī)身機(jī)翼接頭各框螺栓插入的概率為100%；而在移形過程中不要求插銷自由轉(zhuǎn)動，機(jī)身機(jī)翼接頭各框螺栓插入的概率為72.51%。故設(shè)計(jì)部門要求的“同軸度偏差不超過0.3mm時，允許強(qiáng)迫裝配”理論上是合理的，在工藝實(shí)施中，應(yīng)控制協(xié)調(diào)路線中各環(huán)節(jié)使用的插銷均能夠自由轉(zhuǎn)動。

表2 接頭孔容差計(jì)算結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.2.1 對接基準(zhǔn)端面間隙偏小

機(jī)身與機(jī)翼對接以對接3框接頭下耳片端面為基準(zhǔn)，為19H9/19f9間隙配合，配合間隙小（在0.02～0.124之間）。在實(shí)際裝配過程中，對接3框下接頭端面最大可以偏移0.204（其中0.2為垂直度偏差帶來的影響，0.004為同軸度偏差帶來的影響）。根據(jù)三角形分布的概率計(jì)算得知，對接基準(zhǔn)耳片能夠在完全不干涉進(jìn)入的概率為18.65%，可能干涉也可能不干涉的概率為65.97%，一定干涉的概率為15.38%，如圖5所示。機(jī)身機(jī)翼接頭孔精加工后受垂直度誤差的影響，極易導(dǎo)致機(jī)身機(jī)翼對接時對接接頭相碰。

圖5 對接3 框下接頭間隙配合概率分布

2.2.2 接頭耳片頭部與耳槽底部倒角干涉

對接處4組接頭下部配合位置的機(jī)身耳片頭部與機(jī)翼耳槽底部的倒角處理論間隙不足1.5mm，如圖6所示。由于機(jī)身機(jī)翼分別采用精加工，導(dǎo)致耳片孔中心相對理論位置存在偏差，可能導(dǎo)致孔中心到耳片外緣的距離加長，如圖7 所示，從而造成對接時耳片倒角部位發(fā)生干涉，導(dǎo)致機(jī)身機(jī)翼無法對接到位。

圖6 存在干涉處

圖7 精加工孔中心偏移

2.3 對接方法不合理

機(jī)身機(jī)翼對接時以3 框下接頭耳片和上下接頭孔為安裝基準(zhǔn)，根據(jù)最大包容原則，基準(zhǔn)控制面非常小，定位誤差存在很大的放大效應(yīng)，根據(jù)圖2 尺寸，采用簡單的線性計(jì)算可知，在1 框和5 框處存在10 倍左右的誤差放大效應(yīng)。以3 框?yàn)槎ㄎ换鶞?zhǔn)，導(dǎo)致基準(zhǔn)孔對接螺栓安裝后機(jī)翼無法調(diào)整，容易造成同軸度超差的假象，如圖8 所示。

圖8 調(diào)整前的機(jī)身機(jī)翼對接基準(zhǔn)

2.4 工裝設(shè)計(jì)、制造分析

部分框接頭定位器選用單絲桿形式，絲桿與套筒之間存在一定的徑向間隙，加之使用過程中磨損，導(dǎo)致定位器自身存在一定晃動，無法滿足接頭定位精度要求。

由于在前期沒有系統(tǒng)地對標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)、工裝型架和檢驗(yàn)量規(guī)進(jìn)行過協(xié)調(diào)檢修，標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)與檢驗(yàn)量規(guī)經(jīng)過長時間的存放，以及工裝型架經(jīng)過長時間的使用和強(qiáng)迫裝配，導(dǎo)致接頭端面發(fā)生變化，影響了對接的準(zhǔn)確性和協(xié)調(diào)性。

2.5 工藝過程控制分析

根據(jù)工藝流程分析，機(jī)身機(jī)翼對接接頭端面位置分別在機(jī)身油箱和機(jī)翼整體油箱裝配階段形成。經(jīng)進(jìn)一步觀察和數(shù)據(jù)分析得知，在油箱裝配過程中，各框均以接頭孔和耳片端面為基準(zhǔn)，采用定位銷和工藝塞片（理論厚度1.5mm）進(jìn)行定位，而耳片槽寬尺寸公差為（-0.2～0），存在因工藝塞片厚度不匹配而強(qiáng)迫定位現(xiàn)象；各框定位鉚接過程中，沒有提出檢查要求，沒有對工藝塞片出現(xiàn)緊澀狀況采用相應(yīng)的工藝措施；沒有根據(jù)各框結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，逐個進(jìn)行分析，找出影響框接頭端面偏移關(guān)鍵點(diǎn)并加以控制。

2.6 分析結(jié)論

綜上分析，機(jī)身機(jī)翼對接端面間隙及同軸度超差主要是對接要求不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、對接方法不科學(xué)、工裝設(shè)計(jì)不合理、工裝制造誤差和工藝控制不到位等多方面原因共同造成的。

3 改進(jìn)措施

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1.1 對接基準(zhǔn)配合間隙的改進(jìn)

將3 框處配合要求由原19H9/19f9 改為19H9/18.9f9，端面留0.1mm 間隙作為工藝調(diào)整。改進(jìn)后，在3 框下接頭處端面配合間隙理論在0.12～0.224mm 之間，按照三角形分布的概率計(jì)算結(jié)果（見圖9）為：完全不干涉的概率52.77%，可能干涉也可能不干涉的概率46.43%，一定干涉的概率0.8%。改進(jìn)后，基本消除了一定干涉的情況，并將完全不干涉情況的概率大大提升。

圖9 對接3 框下接頭間隙加大后概率分布

3.1.2 其他端面間隙的改進(jìn)

根據(jù)表1 端面間隙工藝容差計(jì)算可知，將端面間隙要求由不小于1mm（即偏差不大于0.5mm）改為不小于0.5mm（及偏差不大于1mm），公差較為合理，工藝過程控制也相對容易。

3.1.3 對接接頭耳片頭部與耳槽底部倒角設(shè)計(jì)優(yōu)化

將接頭倒角部位存在干涉處的理論間隙進(jìn)行加大，1 肋中段各框耳槽底部加深1.5mm，耳片頭部增加R2 倒角，能夠保證機(jī)身和機(jī)翼精加工出現(xiàn)極限偏差時耳片仍不干涉。

3.2 對接工藝優(yōu)化

3.2.1 調(diào)整對接基準(zhǔn)

將3 框上、下接頭為基準(zhǔn)改為以2 框、5 框處上接頭孔（控制一個對稱方向的轉(zhuǎn)動軸線）及3 框下接頭前端面（控制航向）為對接基準(zhǔn)，利用最大包容原則，減少對接基準(zhǔn)偏差引起的誤差放大效應(yīng)。

3.2.2 調(diào)整對接方法

將先對接3 框下接頭，靠對接車旋升，再對接3框上部接頭和其余接頭的方法，改為先對接2 框、5框處上接頭孔，以此為轉(zhuǎn)動軸線，利用機(jī)翼自重將對接車旋降至3 框下接頭對合位置時對接3 框下接頭，然后對接其余接頭的方法，從而實(shí)現(xiàn)對接過程更加方便快捷的效果，如圖10 所示。

圖10 調(diào)整后的對接基準(zhǔn)

3.3 工裝設(shè)計(jì)制造優(yōu)化

定位器形式改進(jìn)：將機(jī)翼油箱對接1 框接頭單絲桿的定位器改為雙導(dǎo)桿的定位器，提高定位器的穩(wěn)定性。

提高工裝制造精度：機(jī)身機(jī)翼標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)、機(jī)身油箱型架、機(jī)身合攏精加工型架、機(jī)翼油箱型架和機(jī)翼精加工型架均進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、零件制造和安裝，既保證了各型架之間的協(xié)調(diào)性，又保證了各型架的準(zhǔn)確性。

3.4 裝配工藝過程控制優(yōu)化

3.4.1 機(jī)身接頭端面控制

在機(jī)身整體油箱型架框接頭定位后，以3 框?yàn)榛鶞?zhǔn)框，通過工藝塞片檢查各框偏移量和偏移方向，如存在接頭偏移量超差的情況，應(yīng)重新進(jìn)行定位調(diào)整；在整體油箱下架和機(jī)身合攏下架時增加端面間隙檢查要求，給出各接頭端面間隙量規(guī)檢查的控制范圍（見表3）。

表3 量規(guī)檢查機(jī)身接頭端面間隙要求

3.4.2 機(jī)翼接頭端面控制

機(jī)翼2 框～5 框接頭為整體機(jī)加件，其端面控制要求主要由零件制造階段進(jìn)行控制，裝配階段只需控制1 框接頭；在油箱骨架定位、裝配完成后，檢查1 框端面與定位器的彈開量，彈開量不能大于0.3mm，如不滿足要求應(yīng)進(jìn)行排除；油箱裝配完成及機(jī)翼精加工后用量規(guī)復(fù)查對接1 框端面間隙，并計(jì)算1 框相對3框的偏移量，偏移量不得超過0.4mm。

4 改進(jìn)效果

為驗(yàn)證上述改進(jìn)措施的有效性，工藝上進(jìn)行了一個批次12 架飛機(jī)的工程驗(yàn)證，從對接數(shù)據(jù)來看，沒有出現(xiàn)同軸度大于0.3mm 和對接間隙小于0.5mm 的超差現(xiàn)象，證明改進(jìn)措施合理、有效，完全能滿足設(shè)計(jì)對機(jī)身機(jī)翼對接的要求。

5 結(jié)語

多交點(diǎn)、高精度、無補(bǔ)償機(jī)身機(jī)翼對接控制技術(shù)一直是飛機(jī)裝配的核心能力，是實(shí)現(xiàn)機(jī)身、機(jī)翼良好互換性的保障。本文提出的設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)措施已經(jīng)在某型機(jī)上進(jìn)行了多批次的充分驗(yàn)證，并進(jìn)行了工藝固化，既滿足了設(shè)計(jì)對接和互換要求，又提高了對接效率，對于后續(xù)型號翼身對接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝控制具有一定借鑒和指導(dǎo)作用。