曾六生

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西南昌330024）

無設(shè)計(jì)補(bǔ)償四點(diǎn)共面交點(diǎn)協(xié)調(diào)技術(shù)

曾六生

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西南昌330024）

首次提出了按工藝協(xié)調(diào)難易程度對飛機(jī)部件對接交點(diǎn)的分類方法。同時(shí)還介紹了數(shù)字化條件下多交點(diǎn)協(xié)調(diào)工藝方案設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)工裝選擇及協(xié)調(diào)過程控制方法。

部件對接；共面交點(diǎn)；協(xié)調(diào)技術(shù)

0 引言

飛機(jī)部件之間一般是采用交點(diǎn)對接。交點(diǎn)數(shù)量、交點(diǎn)布置無外乎表1所列幾種形式：交點(diǎn)同軸指一組交點(diǎn)孔中心線沿同一轉(zhuǎn)軸線布置，其特點(diǎn)是除對接基準(zhǔn)交點(diǎn)外，其余交點(diǎn)沿垂直于軸線方向留有間隙，具有設(shè)計(jì)補(bǔ)償，它們之間沒有協(xié)調(diào)關(guān)系或者協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度要求很低。交點(diǎn)共面指一組交點(diǎn)孔中心線平行布置，交點(diǎn)孔沿軸線方向投影變成分布在一個平面上的不同心圓，其特點(diǎn)是除對接基準(zhǔn)交點(diǎn)外，其余交點(diǎn)沿垂直于孔中心線方向留有間隙，具有設(shè)計(jì)補(bǔ)償，它們之間沒有協(xié)調(diào)關(guān)系或者協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度要求很低。交點(diǎn)共體指一組交點(diǎn)孔中心線立體布置，或者交點(diǎn)孔中心線平行布置，但沿孔中心線方向沒有設(shè)計(jì)補(bǔ)償。共體布置的交點(diǎn)協(xié)調(diào)工藝上很困難，一般不宜采用，要盡量避免。

表1 飛機(jī)部件交點(diǎn)數(shù)量及分布

對于共面布置的一組交點(diǎn)，交點(diǎn)數(shù)量越多對接協(xié)調(diào)越困難，有N點(diǎn)對接屬于N點(diǎn)共面協(xié)調(diào)問題，相當(dāng)于N×（N-1）/2個中心距協(xié)調(diào)問題。對于4點(diǎn)共面情況，第1點(diǎn)對接任意方向位置可調(diào)，可100%對接協(xié)調(diào)；第2點(diǎn)對接相當(dāng)于2點(diǎn)共面情況，屬于1個中心距協(xié)調(diào)問題；第3點(diǎn)對接相當(dāng)于3點(diǎn)共面協(xié)調(diào)情況，屬于3個中心距協(xié)調(diào)問題；第4點(diǎn)對接屬于4點(diǎn)共面協(xié)調(diào)情況，相當(dāng)于6個中心距協(xié)調(diào)問題；交點(diǎn)數(shù)量越多，對接協(xié)調(diào)越困難。按有無設(shè)計(jì)補(bǔ)償分，又分為有設(shè)計(jì)補(bǔ)償和無設(shè)計(jì)補(bǔ)償兩種情況，有設(shè)計(jì)補(bǔ)償?shù)慕稽c(diǎn)工藝協(xié)調(diào)要容易得多。所以，無設(shè)計(jì)補(bǔ)償四點(diǎn)共面交點(diǎn)協(xié)調(diào)技術(shù)技術(shù)難度大，部件的工藝協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)工裝選擇、協(xié)調(diào)過程控制最具典型和借鑒意義。

1 工藝協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)

某型飛機(jī)對接部件Ⅰ、部件Ⅱ無設(shè)計(jì)補(bǔ)償四點(diǎn)共面交點(diǎn)工藝協(xié)調(diào)方案如圖1所示：標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)、裝配架、精加工架均采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，激光跟蹤儀安裝。部件Ⅰ、部件Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)數(shù)模進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配、實(shí)物進(jìn)行對合協(xié)調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)在裝配架和精加工架上用激光跟蹤儀定位，但裝配架和精加工架上的交點(diǎn)定位器按標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)塑造安裝。由于部件Ⅰ、部件Ⅱ?qū)訁f(xié)調(diào)性主要取決于交點(diǎn)精加工后的準(zhǔn)確度，而不是取決于交點(diǎn)裝配準(zhǔn)確度，所以部件裝配時(shí)交點(diǎn)孔留有加工余量，部件裝配后上精加工架在自由狀態(tài)下將交點(diǎn)孔加工至最終尺寸。標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)、裝配架和精加工架上交點(diǎn)孔采用Φ25（20）H7尺寸，安裝插銷采用Φ25（20）h6尺寸。T0、T1、T2表示協(xié)調(diào)安裝時(shí)的環(huán)境溫度。

其特點(diǎn)是協(xié)調(diào)路線最短，協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)最少，并應(yīng)用了數(shù)字量與模擬量相結(jié)合的協(xié)調(diào)方法。

圖1 用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)路線圖

2 標(biāo)準(zhǔn)工裝選擇

在數(shù)字化條件下無設(shè)計(jì)補(bǔ)償4點(diǎn)共面交點(diǎn)為何要采用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)而不采用完全數(shù)字量協(xié)調(diào)呢？僅考慮隨機(jī)誤差，我們分別計(jì)算、比較標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)與數(shù)字量協(xié)調(diào)第4點(diǎn)誤差分布和對接協(xié)調(diào)概率。

若按數(shù)字量協(xié)調(diào)，圖1所示協(xié)調(diào)路線變?yōu)閳D2所示：裝配架、精加工架均采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，激光跟蹤儀安裝。激光跟蹤儀單點(diǎn)安裝誤差X、Y、Z方向均為±0.1 mm。

圖2 按數(shù)字量協(xié)調(diào)路線圖

空間位置誤差則為±0.1732 mm。按協(xié)調(diào)過程中插銷在孔中的不同狀態(tài)對兩種協(xié)調(diào)方法分別解誤差尺寸鏈方程（1），誤差分布帶半寬度方程（2）。將誤差分布帶半寬度ωDF簡化為等腰三角形分布律計(jì)算，如圖3所示，圖中把ωDF的分布域分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個分區(qū)，對接協(xié)調(diào)誤差▽ΣⅠⅡ出現(xiàn)的概率分別用P1、P2、P3，P1表示結(jié)合螺栓能自由插入概率、P2表示一半可自由插入一半不能插入概率、P3表示不能插入概率。結(jié)果見表2。M=0表示孔軸非常同軸，插銷在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動很靈活；M=0.5表示孔軸同軸，插銷在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動靈活；M=1表示孔軸同軸度不高，插銷在孔內(nèi)轉(zhuǎn)動緊澀。詳細(xì)計(jì)算過程略。

圖3 對接協(xié)調(diào)誤差▽ΣⅠⅡ的分布域

結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)與數(shù)字量協(xié)調(diào)相比，誤差分布帶半寬度ωDF小，而連接螺栓自由結(jié)合和利用結(jié)構(gòu)彈性強(qiáng)迫0.2 mm左右結(jié)合協(xié)調(diào)概率都大得多。但若存在設(shè)計(jì)補(bǔ)償，工藝協(xié)調(diào)則要容易得多。因此，綜合考慮環(huán)境誤差、設(shè)備誤差及人為誤差等因素，還是標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)穩(wěn)定性強(qiáng)，裝配工裝檢修和復(fù)制一致性好，且互換性強(qiáng)。

表2 兩種協(xié)調(diào)方法第4交點(diǎn)對接協(xié)調(diào)結(jié)果比較

所以，對于4點(diǎn)共面協(xié)調(diào)情況，標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)比數(shù)字量交點(diǎn)協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度更高，其本質(zhì)原因在于：按圖2所示采用的是獨(dú)立制造法，部件Ⅰ和部件Ⅱ從精加工架數(shù)模到精加工架環(huán)節(jié)兩者都存在較大的制造安裝誤差，并且這種誤差相互獨(dú)立的，在協(xié)調(diào)傳遞過程中無法消除，所以協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度較低。而圖1所示采用的是相互關(guān)聯(lián)制造法，雖然部件Ⅰ和部件Ⅱ從標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)數(shù)模到標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)環(huán)節(jié)也存在較大的制造安裝誤差，但這種誤差是相互關(guān)聯(lián)的，標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)之間對合協(xié)調(diào)后它們變成了公共環(huán)節(jié)，并且高剛性的標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)骨架會將制造安裝誤差固定下來，通過高精度的Φ25H7/h6孔軸配合將這種制造安裝誤差準(zhǔn)確地傳遞到下一環(huán)節(jié)，誤差分布具有一致性，部件交點(diǎn)協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度高。

推而廣之，在數(shù)字化和無設(shè)計(jì)補(bǔ)償條件下，綜合考慮交點(diǎn)的數(shù)量和分布、隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、方法誤差、過失誤差、工藝協(xié)調(diào)的穩(wěn)定性、裝配工裝檢修和復(fù)制的一致性等因素，交點(diǎn)的協(xié)調(diào)方法選擇見表3。

表3 交點(diǎn)協(xié)調(diào)方法選擇

3 協(xié)調(diào)過程控制

1)隨機(jī)誤差控制。表2所列計(jì)算結(jié)果表明，協(xié)調(diào)傳遞過程中插銷狀態(tài)系數(shù)M越小，插銷在孔內(nèi)活動越靈活，則誤差分布帶半寬度ωDF越小，結(jié)合協(xié)調(diào)的概率越大。因此，要嚴(yán)格控制圖1所示各個協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的技術(shù)狀態(tài)，至少應(yīng)當(dāng)保證插銷狀態(tài)系數(shù)M≤0.5。最關(guān)鍵、最難控制的是部件精加工環(huán)節(jié)，它受環(huán)境、方法、操作等因素影響較大，誤差的波動性也較大。其中特別注意裝夾變形的檢測和控制方法，保證裝夾變形基本為零，否則裝夾變形量會直接變成交點(diǎn)的位置誤差，影響其準(zhǔn)確度。

2)系統(tǒng)誤差控制。要保證圖1所示協(xié)調(diào)安裝時(shí)的環(huán)境溫度T0、T1、T2基本相等，避免溫差影響。加大標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)、精加工架上交點(diǎn)導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)剛性，并充分進(jìn)行結(jié)構(gòu)時(shí)效，消除結(jié)構(gòu)變形。導(dǎo)向裝置應(yīng)當(dāng)采用固定結(jié)構(gòu)，消除活動結(jié)構(gòu)間隙。

3)方法誤差控制。圖1所示的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)的工作同一組操作人員使用同一臺激光跟蹤儀進(jìn)行，減小人為和設(shè)備誤差。有條件時(shí)，精加工的刀具應(yīng)盡量垂直布置，以減小刀具與導(dǎo)向裝置間的間隙影響。

4 應(yīng)用與推廣

交點(diǎn)數(shù)量越多，對接協(xié)調(diào)越困難，部件對接交點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能減少交點(diǎn)數(shù)量，或者采取設(shè)計(jì)補(bǔ)償方法減少實(shí)際要協(xié)調(diào)的交點(diǎn)數(shù)量。如K8飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼是通過6點(diǎn)共面交點(diǎn)對接的，但機(jī)翼后梁接頭內(nèi)安裝有可旋轉(zhuǎn)360°襯套，襯套內(nèi)又安裝了可滑動±3 mm的滑塊，具有很大的設(shè)計(jì)補(bǔ)償，6點(diǎn)共面協(xié)調(diào)問題變成了4點(diǎn)共面協(xié)調(diào)問題，降低了工藝協(xié)調(diào)難度，提高了對接協(xié)調(diào)性。

共體協(xié)調(diào)最困難，協(xié)調(diào)性最差，部件對接交點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能避免。如某型號保形油箱與機(jī)身對接交點(diǎn)最初設(shè)計(jì)為8點(diǎn)對接，并且對接交點(diǎn)孔軸線呈“八”字形布置，是典型的交點(diǎn)共體協(xié)調(diào)問題，最初生產(chǎn)的3個保形油箱由于交點(diǎn)對接不協(xié)調(diào)而全部報(bào)廢。后來對接頭結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了更改：增加了轉(zhuǎn)接接頭，連接交點(diǎn)由8點(diǎn)共體變成了4點(diǎn)共面，并且共面的4個交點(diǎn)處于同一水平面上，從而保證了保形油箱與機(jī)身對接協(xié)調(diào)性。保形油箱結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4 保形油箱結(jié)構(gòu)示意

若多點(diǎn)共面協(xié)調(diào)，存在較大對接不協(xié)調(diào)概率，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)工藝協(xié)調(diào)方法。如某項(xiàng)目機(jī)身機(jī)翼采用7點(diǎn)共面對接方式，孔軸配合尺寸為ΦDH8/dh8，無設(shè)計(jì)補(bǔ)償 （大孔配小螺栓、位置可調(diào)等），如圖5所示。

采用圖1所示的常規(guī)工藝協(xié)調(diào)路線，第7個孔對接的協(xié)調(diào)積累誤差▽ΣⅠⅡ和誤差分布帶半寬度ωDF分別如（6）、（7）式：

圖5 機(jī)翼與機(jī)身對接交點(diǎn)結(jié)構(gòu)

這樣，按（3）、（4）、（5）式計(jì)算出對接協(xié)調(diào)概率很小，不協(xié)調(diào)的概率很大。我們將常規(guī)的工藝協(xié)調(diào)路線改進(jìn)為圖6所示：其核心是機(jī)身機(jī)翼按同一精加工型架、同一精加工導(dǎo)向裝置、導(dǎo)向裝置按同一標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)（機(jī)身標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)）協(xié)調(diào)安裝；機(jī)身機(jī)翼交點(diǎn)孔位置誤差只取決于各自精加工環(huán)節(jié)，精加工環(huán)節(jié)變成了公共環(huán)節(jié)，誤差分布完全相同，其余各環(huán)節(jié)的誤差不影響對接協(xié)調(diào)性；機(jī)身機(jī)翼對接協(xié)調(diào)不再取決于協(xié)調(diào)路線上的隨機(jī)誤差，而只取決于系統(tǒng)誤差、過失誤差，只要控制好環(huán)境溫度和裝夾變形、操作失誤,就能保證對接協(xié)調(diào)，這些在工程上容易做到，但是，并不是所有部件都能采用圖6所示協(xié)調(diào)路線，其要求是設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)提供加工部件、精加工裝置、加工動力設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)空間。但受設(shè)計(jì)條件限制，往往不能滿足這些要求，而需要設(shè)計(jì)人員考慮工藝需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡可能滿足要求，降低工藝難度，提高部件的對接協(xié)調(diào)性。某項(xiàng)目之所以能采用上述協(xié)調(diào)路線是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取了如下措施：（1）除對接基準(zhǔn)外，其余接頭叉耳間留有間隙，滿足了共面協(xié)調(diào)條件。（2）機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)間隙由60 mm改為80 mm，同時(shí)還提供了機(jī)身、機(jī)翼、精加工裝置、加工動力設(shè)備安裝和使用結(jié)構(gòu)空間。

圖6 改進(jìn)型標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)協(xié)調(diào)路線

5 結(jié)語

雖然數(shù)字量傳遞準(zhǔn)確度較高，但對于飛機(jī)部件對接交點(diǎn)的協(xié)調(diào)，模擬量（標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)）傳遞一致性好、協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度更高。因此工藝協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮部件交點(diǎn)的數(shù)量及分布情況，合理利用數(shù)字量與模擬量兩者的優(yōu)點(diǎn)，并嚴(yán)格控制協(xié)調(diào)過程，以求得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

[1]程寶蕖.飛機(jī)制造協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度與容差分配.航空工業(yè)出版社，1979.

[2]范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

>>>作者簡介

曾六生，1957年出生，畢業(yè)于南京航空學(xué)院，研究員級高級工程師，中航工業(yè)飛機(jī)裝配技術(shù)一級專家，現(xiàn)從事飛機(jī)部件裝配和工藝協(xié)調(diào)工作。

Technology for Coordination of Intersections of Four Design-compensation-free Joints in One Plane

Zeng Liusheng
(Hongdu Aviation Industry Group,Jiangxi Nanchang 330024)

The method for classification of aircraft subassembly butt joints as per difficulty in process coordination has been firstly raised and the designing for process program of multi-intersection coordination under the digital conditions,selection of standard process tools and the method for coordination process control.

subassembly butt joint;intersections in one plane;coordination technology

2011-11-23)