中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數字化制造技術航空科技重點實驗室 王 姮 李光麗

裝配容差包括容差分析與容差綜合兩大部分。容差分析通過選用合適的方法對包含零件誤差與裝配容差的產品裝配模型進行分析，檢驗容差設計的合理性。目前，容差分析方法主要是統計容差分析方法和運動學分析方法等。如Skowronski于1997年提出的蒙特卡羅模擬方法，Bjorke和Shui-Shun Lin等提出的基于β分布的容差分析模型等，Leo Joskowicz等提出一種基于構型空間的運動學容差分析方法，探索了面向裝配和其他功能要求的容差設計；Jeffrey G.Dabling研究了集成幾何變動的三維裝配體運動學容差分析方法，Elisha Sack和Min-Ho Kyung等針對具有高運動副的平面機械系統提出了參數化運動學容差分析算法、非線性運動學容差分析算法。這些容差分析方法沒有考慮在裝配過程中零部件的變形對最終裝配精度的影響，因此一般只適用于剛性體，對于柔性件裝配的容差分析并不適用。大部件柔性裝配需要考慮以下幾點：

（1）機身對接過程要實現自動化。對接自動化包括測量和定位器的驅動。對接要求快速、準確、安全。

（2）要求考慮自動制孔。對接面是重要受力部位，自動制孔能提高制孔質量；另外，由于對接面孔的數量很多，緊固件規(guī)格比較統一，自動制孔能極大地提高裝配效率，提升對接面的制孔精度，從而保證對接區(qū)的結構剛性和強度。

（3）協調要求。機身對接除了需要完成機身前后段蒙皮的對接外，還有前后段地板的連接（如地板縱梁），以及前后段長桁的連接。需要重點保證機身蒙皮的階差和對縫間隙的公差、地板滑軌對接精度、長桁的對接精度、梁的對接精度以及龍骨梁的安裝精度等。

（4）容差要求。機身結構大部件對接主要完成機身五段的自動對接，即機頭與前機身對接、前機身與中機身對接、中機身與中后機身對接、中后機身與后機身對接。隨著對飛機性能要求的提高，對機身各段對接階差與對接間隙等裝配精度的要求也越來越高。

1 制造工藝容差分配

在確定公差（容差）時，盡可能選用國家標準（如《公差與配合》、《形狀和位置公差》等）和航空工業(yè)部標準所推薦的公差（容差），但我國航空工業(yè)部的產品結構公差標準目前尚不完善，僅有《一般公差》、《飛機氣動力外緣公差》、《飛機水平測量公差》等。

1.1 裝配公差要求

制造工藝容差分配，不僅要在給定的結構和工藝條件下合理分配有關基本的工藝容差，保證產品所要求的質量，而且可根據生產條件檢驗結構設計和制造工藝路線設計的合理性。

在分析制造、協調過程中由于溫度變化和變形將產生系統誤差，從而對對接裝配產生影響，例如某型機機身與機翼對接時，機身裝配時和機翼裝配時有溫度差，該機的機翼前接頭孔中有帶凸緣的可換襯套，凸緣的厚度留余量，可用最后精加工其端面或更換襯套的方法來補償溫度協調誤差，并允許在前接頭配合面之間加厚度不超過0.2mm的墊片。

在各種情況下，對大尺寸的協調，熱膨脹對尺寸協調的影響一般是嚴重的。因此，用圍框式接頭對接的大型飛機部件，對接孔的公稱直徑尺寸一般比連接螺栓的公稱直徑尺寸大0.2～0.8mm。用叉耳接頭對接的小型飛機主要部件，對接孔和連接螺栓的直徑采用無公稱間隙的H8/f7/H8（或H9/f7/H9）配合，一般允許進行有限制的強迫對接。即使如此，還要同時進行溫差控制，才能保證協調。機械加工工序的工藝容差如表1所示[1]。

表1 機械加工工序的工藝容差

1.2 裝配公差綜合與分析

裝配公差綜合與分析，建立在飛機裝配模型的基礎上，以控制飛機最后裝配形位精度為目標，通過人機交互確定裝配公差封閉環(huán)后，通過約束圖求解，可確定裝配公差的組成環(huán)，并生成尺寸鏈，提取尺寸及公差信息。在此基礎上，用最優(yōu)化方法對裝配尺寸公差進行綜合與分析，使裝配公差能合理地分配，以便提高其裝配性能，從而降低裝配成本。

此外，還可以通過一些方法減少誤差積累，增加裝配精度：

（1）增加“補償環(huán)”設計。在裝配性能分析中考慮到可能產生誤差的環(huán)節(jié)，在每一個環(huán)節(jié)提出誤差補償方法，盡可能減少誤差積累。

（2）在裝配中盡可能統一狀態(tài)控制和測量的方法。由于不同的控制和測量方法引起的誤差形式和誤差大小不同，設計中應該進行考慮和協調，使公差產生和消除的形式簡單而統一。

2 飛機制造的準確度要求

飛機機體制造準確度的技術要求一般包括:部件氣動力外形準確度要求、部件相對位置的準確度要求、部件內部組合件和零件位置的準確度要求、零件或裝配件間的配合準確度要求等。

2.1 部件氣動力外形準確度要求

部件表面的實際外形相對于理論外形存在著誤差，對機身類部件，大型飛機與小型飛機的氣動外緣型公差要求如表2所示[2]。

表2 氣動外緣型值公差mm

2.2 部件內部組合件和零件位置的準確度要求

在飛機部件裝配中，大梁軸線、翼肋軸線、隔框軸線、長桁軸線等的實際裝配位置相對于理論軸線位置均有一定的準確度要求。它們的位置準確度不僅對部件外形、接頭位置和結構強度有影響，而且對裝配協調常常有明顯的直接影響。因此，一般規(guī)定梁軸線位置誤差和直線度誤差不超過±0.5～±1.0mm，普通肋軸線的位置誤差和肋的平面度誤差不超過±1～±2mm，長桁位置誤差不超過±2mm等。

2.3 零件或裝配件間的配合準確度要求

機身大部件對接通常采用圍框式對接接頭，它的技術要求如下：

（1）孔與螺栓的配合，為了補償溫差影響和裝配變形，常采用帶公稱間隙的間隙配合。孔和螺栓直徑的精度一般為IT9～IT13級。公稱間隙0.2～0.8mm，視結合面尺寸大小等因素而定。也有不給定公稱間隙的，采用H9/f7～f9的配合，主要用于外廓尺寸較小，接頭受力嚴重的部位。

（2）對接面之間的間隙。對于裝配后不進行對接面精加工的情況，允許在對接時于對接面之間的間隙中加一定厚度的斜墊片。對于裝配后進行精加工的對接面，允許局部存在0.1～0.2mm的間隙。

零件和構件上的螺栓孔應保證一定的垂直度，對IT7～IT8級精度的螺栓孔，其垂直度不超出0.06/25～60、0.08/60～160、0.12/160～400；對 IT9～IT11 級精度的螺栓 孔，其 垂 直 度 應 不 超 出 0.10/25～60、0.16/60～160、0.25/160～400；對IT12～IT14級精度的螺栓孔，其垂直度不超出 0.16/25～60、0.25/60～160、0.40/160～400。

為了保證鉚裝件的連接質量，鉚釘孔的垂直度國外也有規(guī)定。如普通實心鉚釘的釘孔垂直度公差為±3°（相當于5.2/100）；無頭鉚釘及干涉配合的鉚釘，其釘孔垂直度公差為±0.5°（相當于 0.87/100）[3]。

3 影響準確度的因素

以下主要分析制造、協調過程中由于溫度變化和變形產生的兩類系統誤差及其對準確度的影響。

3.1 由溫度變化產生的系統誤差

表3 幾種材料和空氣的物理性質

某大型飛機大部件制造裝配中，在廠房車間溫度變化大的情況下，由于產品、工裝和設備的材料不同，其熱膨脹系數、導熱系數、比熱容和比重等均不同如表3所示[4]，各有關部分的吸熱、傳熱、散熱性和熱容量差別也很大。這樣，所產生的尺寸變化量不同，從而產生部件對接協調問題、工件與工藝裝備之間的協調問題、工藝裝備之間的協調問題以及同一工藝裝備上構件之間的協調問題。同時，由于地溫與室溫變化的差別也會產生設備和工藝裝備的變形等。所以裝配廠房應控制溫度的變化，溫度變化梯度不能過大。

3.2 制造過程中產生的變形

在制造過程和協調路線中的工件和工藝裝備，由于種種原因總會伴隨產生一定的不希望有的變形。當變形比較顯著時，會影響裝配協調和裝配質量，應該予以重視，對它們進行必要的控制。變形主要包括工藝裝備的變形、零件制造過程中的變形、裝配變形和殘余應力。

4 飛機制造中外形工藝容差分配方法的特點

在飛機制造中，無論飛機結構的外形制造誤差或外形協調誤差，都將產生誤差累積。對某高速飛機，進行外形工藝容差分配，如表4所示。

表4 高速飛機外形工藝容差分配表

5 問題與建議

目前，國內的飛機制造處于數字量傳遞協調和模擬量傳遞協調的混合狀態(tài)，全數字量傳遞協調體系和規(guī)范的建立正處于起步階段。數字量傳遞、協調方法的引入，有效地縮短了某些飛機零部件的尺寸傳遞路線、減少了專用工裝、降低了制造成本、提高了飛機制造準確度和效率。我國飛機制造業(yè)雖然已經大規(guī)模采用數字化制造技術，但是相對于波音、空客等國外先進飛機制造企業(yè)來說，我們的數字化應用還有很長的路要走。

美國和西歐等發(fā)達國家的飛機制造公司在具體的型號研制中，已經形成了一套行之有效的數字量傳遞協調方法，但由于技術封鎖和體系差異等因素，我國各主機廠還只能通過轉包生產過程中外商對于產品加工及裝配的特定要求，間接地了解數字量尺寸傳遞的具體實現方法和關鍵技術。盡管各主機廠所借鑒相關的經驗，在型號的研制中開展了局部的試驗和探索，但依然缺乏對飛機數字量尺寸傳遞、協調與容差分配技術的系統性研究。

容差設計在設計部門和制造部門之間起著不可缺少的橋梁作用，所以容差的合理選擇、分配與優(yōu)化是相當關鍵的，它控制著產品的性能和生產成本。

國內外圍繞容差分配所做的大量研究，還主要集中在零件裝配容差的表示、分析與綜合上，即只是面向設計層面的容差分配，還沒有見到有研究將整個容差方案同尺寸傳遞與協調路線結合起來。因此，要實現對飛機制造裝配過程的真正支持，還需要在協調路線中的容差分配方面進行深入的研究。

[1] 程寶蕖.飛機制造協調準確度與容差分配. 北京:航空工業(yè)出版社, 1987.

[2] 王海宇.飛機裝配工藝學. 西安:西北工業(yè)大學出版社,2010.

[3] 程寶蕖,崔贊斌,等.飛機制造互換協調技術. 北京:國防工業(yè)出版社, 1990.

[4] 范玉青. 現代飛機制造技術. 北京:北京航空航天大學出版社, 2001.