（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

裝配作為制造的最終環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和成本等具有直接影響[1-2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，轎車、飛機(jī)等裝配，始終在積極引進(jìn)各行業(yè)的最新成果，創(chuàng)造了大量新模式、新技術(shù)、新裝備，自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化、精益化等處于較高的水平，引領(lǐng)著裝配技術(shù)發(fā)展。相比而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配尚存在著一定差距[3]，但國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其裝配技術(shù)已經(jīng)日益重視，從公開(kāi)信息看，在整機(jī)裝配、關(guān)鍵部件螺栓擰緊、裝配檢測(cè)上已應(yīng)用了較多先進(jìn)裝配工藝與裝備。

整機(jī)裝配

1 脈動(dòng)裝配線

隨著航空制造技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)借鑒轎車及飛機(jī)等有益經(jīng)驗(yàn)，先進(jìn)民航大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已采用脈動(dòng)裝配線進(jìn)行批生產(chǎn)[4-8]。

與飛機(jī)裝配特點(diǎn)相比，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外形和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于飛機(jī)，零部件剛性較強(qiáng)且有自己的定位與連接基準(zhǔn)，裝配中不需要制孔、鉚接等機(jī)械加工工作，而且需要進(jìn)行多次重復(fù)裝配。在技術(shù)和管理復(fù)雜程度上，與飛機(jī)脈動(dòng)裝配線及轎車連續(xù)裝配線相比，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單。但航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)件裝配精度較高且裝配路徑可視性、可達(dá)性較差。因此，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配線主要針對(duì)主機(jī)組裝及外部附件、管路等安裝工作。

法國(guó)的斯奈克瑪（Snecma）公司改變了傳統(tǒng)的繼承自GE的在立式固定機(jī)架上“穿糖葫蘆”式的總裝過(guò)程（圖 1）[9]，在 2011年建成 CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)裝配線（圖2），完成一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)僅需10天，相比1999年需要29天，可減少裝配周期65%。這條脈動(dòng)裝配線每年可生產(chǎn)850臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，并可用于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配。

美國(guó)Pratt & Whitney發(fā)動(dòng)機(jī)公司為了滿足“潔凈動(dòng)力”發(fā)動(dòng)機(jī)激增的生產(chǎn)需求，于2010～2011年在加拿大Mirabel建立了自動(dòng)化水平脈動(dòng)裝配線（圖3），以適應(yīng)不同推力等級(jí)的“潔凈動(dòng)力”發(fā)動(dòng)機(jī)組裝（PW1100GJM、PW1200G、PW1400G、PW1500G、PW1700G和PW1900G）。其最大產(chǎn)能為500臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)/年。

此外，德國(guó)漢莎航空也于2010年建成了CFM發(fā)動(dòng)機(jī)維修的分解和裝配的脈動(dòng)生產(chǎn)線[10]。

世界各大渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)制造商紛紛建立脈動(dòng)裝配線，也催生了一批專業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的制造廠商， 如 Clemessy、Ba Assembly &Turnkey Systems GmbH等。其中，Ba Assembly & Turnkey Systems GmbH已將輸送系統(tǒng)發(fā)展成模塊化結(jié)構(gòu)（圖4），可減少30%安裝時(shí)間及20%成本投入，與廠方建筑無(wú)直接影響，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)增加產(chǎn)能時(shí)的“快速工廠”構(gòu)建。

圖1 法國(guó)斯奈克瑪公司采用立式固定框架總裝Fig.1 Final assembly by using vertical mounted frame in Snecma

圖2 CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線Fig.2 Pulsating production line for CFM56 engine

圖3 Pratt & Whitney發(fā)動(dòng)機(jī)公司建立的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配脈動(dòng)生產(chǎn)線Fig.3 Pulse production line for engine, built by Pratt & Whitney engine company

2 多自由度裝配平臺(tái)

對(duì)于先進(jìn)小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配，主要采用多自由度裝配平臺(tái)，如英國(guó)Rolls-Royce公司進(jìn)行EJ200整機(jī)裝配時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)固定在弧形夾持裝置上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)盤與單柱提升機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)整機(jī)在裝配中垂直升降和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作；德國(guó)M T U發(fā)動(dòng)機(jī)公司使用如圖5所示的設(shè)備，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)繞其軸心滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向的自由度，具備升降、旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等多自由度運(yùn)動(dòng)功能[11]，與當(dāng)前通用的裝配車（圖6）相比，可有效降低操作高度，提高人機(jī)操作效能。

關(guān)鍵部件螺栓擰緊

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)零部件間連接工藝主要為螺紋連接，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件工作狀態(tài)為高速、高溫、高壓、高負(fù)荷，且始終處于振動(dòng)之中。如果關(guān)鍵連接螺栓（或螺母、螺釘）出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂等問(wèn)題，或是螺栓連接所產(chǎn)生的夾緊力分布不均勻，都會(huì)直接影響到整機(jī)的性能和可靠性[12]。

為了改善關(guān)鍵轉(zhuǎn)子部件連接的均勻性、穩(wěn)定性和可靠性，國(guó)外很多發(fā)動(dòng)機(jī)廠商已從以往的手動(dòng)工具向智能擰緊設(shè)備轉(zhuǎn)變。利用設(shè)備中計(jì)算機(jī)控制的直流電動(dòng)擰緊扳手，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接件的定力矩、定轉(zhuǎn)角精確控制及監(jiān)控，避免漏擰等質(zhì)量事故發(fā)生，并實(shí)現(xiàn)裝配后的可追溯性，從而使得裝配過(guò)程的控制和質(zhì)量保證變得簡(jiǎn)單易行。如在V2500渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，高壓壓氣機(jī)3-8級(jí)轉(zhuǎn)子鼓筒與9-12級(jí)轉(zhuǎn)子鼓筒間的螺栓連接，采用的是如圖7所示的擰緊設(shè)備；GE90渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，低壓渦輪軸與低壓渦輪轉(zhuǎn)靜子間的螺栓連接，采用的是如圖8所示的擰緊設(shè)備。

圖5 德國(guó)MTU發(fā)動(dòng)機(jī)公司總裝設(shè)備Fig.5 German MTU assembly equipment

圖6 斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)總裝現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 Final assembly of SPEY engine

裝配檢測(cè)

隨著計(jì)算機(jī)、精密儀器、數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)等技術(shù)的日益發(fā)展，在應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、轉(zhuǎn)子葉尖高速磨床等設(shè)備基礎(chǔ)上，為了提高裝配質(zhì)量和效率，近年來(lái)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)裝配也在積極定制或引入先進(jìn)裝配檢測(cè)設(shè)備，用于裝配數(shù)據(jù)采集和指導(dǎo)精準(zhǔn)裝配。

1 轉(zhuǎn)子堆疊優(yōu)化設(shè)備

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通常由多級(jí)盤軸組成，跨度大、同心度要求高。對(duì)于高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組裝，傳統(tǒng)工藝采用的是各級(jí)盤軸任意相位連接，同心度超差則分解重裝，在組裝前沒(méi)有明確各級(jí)盤軸的周向相對(duì)位置，裝配的效率和質(zhì)量都受到嚴(yán)重制約，帶來(lái)整機(jī)振動(dòng)超限隱患。針對(duì)此狀況，CFM56等渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)引入了Precitech公司開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)子堆疊優(yōu)化設(shè)備SPS-1000L（圖9），可實(shí)現(xiàn)裝配位置的預(yù)測(cè)和同心度優(yōu)化，首次裝配成功率提高到98%，且組裝后同心度最優(yōu)，從而提高了轉(zhuǎn)子裝配的效率和質(zhì)量。

該設(shè)備采用了精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、重載調(diào)傾調(diào)心工作臺(tái)，并同時(shí)使用4個(gè)高精度微位移傳感器，可以準(zhǔn)確測(cè)量出每一個(gè)工件的圓度、同心度、垂直度、跳動(dòng)值，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)都會(huì)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，當(dāng)所有工件完成測(cè)量后，計(jì)算機(jī)會(huì)將測(cè)量的數(shù)據(jù)從內(nèi)存中調(diào)出，對(duì)各工件間相對(duì)組裝相位進(jìn)行計(jì)算后呈現(xiàn)在顯示器上，幫助消除由不正確組裝造成的“曲軸”和“弧形”類型錯(cuò)誤。圖10對(duì)比了不同裝配下的慣性軸狀態(tài)。

圖7 V2500發(fā)動(dòng)機(jī)使用的智能擰緊設(shè)備Fig.7 Intelligent tightening device used by V2500 engine

圖8 GE90發(fā)動(dòng)機(jī)使用的智能擰緊設(shè)備Fig.8 Intelligent tightening device used by GE90 engine

2 電子塞尺

葉尖間隙是航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)參數(shù)。以往只能采用薄片式機(jī)械塞尺或階梯塞規(guī)測(cè)量，而Capacitec公司開(kāi)發(fā)了GapmanGEN3便攜式電子塞尺，主要由雙電容傳感器合成的位置補(bǔ)償測(cè)量單元與軟件驅(qū)動(dòng)的微控制器集成（圖11）。此工具可消除不同操作者帶來(lái)的測(cè)量誤差，效率提高4倍以上。

塞尺分辨率達(dá)到0.0001mm，精度為全量程±0.5%，重復(fù)性為全量程±0.05%，可存儲(chǔ)10000多條數(shù)據(jù)，并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，數(shù)據(jù)輸出可支持USB模式或無(wú)線模式。圖12為電子塞尺在發(fā)動(dòng)機(jī)組裝中的應(yīng)用實(shí)例。

圖9 轉(zhuǎn)子堆疊優(yōu)化設(shè)備Fig.9 Rotor stack optimization equipment

圖10 不同裝配方式下的慣性軸對(duì)比Fig.10 Comparison of the inertial axis under different assembling modes

圖11 電子塞尺Fig.11 Gapman portable electronic feeler gage

結(jié)論

目前，對(duì)于CFM56、V2500等廣泛應(yīng)用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，自動(dòng)化技術(shù)已擴(kuò)展至零部件生產(chǎn)、維修等領(lǐng)域。如新加坡航空發(fā)動(dòng)機(jī)私人有限公司（SAESL）利用ABB公司的技術(shù)，建立了全球第一家壓氣機(jī)單元自動(dòng)化維修中心。

隨著數(shù)字化制造技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，裝配作為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化制造的重要一環(huán)，會(huì)不斷引入各種高效先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備，如雙相機(jī)移動(dòng)式三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)等，在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)裝配中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)、快速、精密測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？梢灶A(yù)見(jiàn)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)智能化、數(shù)字化、精益化裝配將很快迎來(lái)發(fā)展的新階段。

[1]《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì). 航空制造工程手冊(cè): 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與試車[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 1995.

Aeronautical Manufacturing Engineering Handbook Chief Editorial Board. Aeronautical manufacturing engineering handbook: engine assembly and test[M]. Beijing：Aviation Industry Press，1995.

[2]石宏.航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝技術(shù)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2015.

SHI Hong. Aero-engine assembly technology[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2015.

[3]周爍, 汪俊熙, 劉宜勝, 等. 大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配工藝淺析[J]. 航空制造技術(shù), 2014(5): 92-96.

ZHOU Shuo, WANG Junxi, LIU Yisheng,et al. Brief review on assembly process of large commercial aero-engine[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(5): 92-96.

圖12 電子塞尺在發(fā)動(dòng)機(jī)組裝中的應(yīng)用Fig.12 Application of electronic feeler gage in the engine assembly

[4]魏小紅, 談軍, 方紅文, 等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)水平脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線規(guī)劃研究[J]. 航空制造技術(shù), 2015(19): 8-12.

WEI Xiaohong, TAN Jun, FANG Hongwen,et al. Study on horizontal pulse assembly line planning of aero-engine[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(19): 8-12.

[5]魏小紅, 陳貴林, 田小京, 等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化脈動(dòng)總裝線規(guī)劃技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù), 2015(21): 8-12.

WEI Xiaohong, CHEN Guilin, TIAN Xiaojing, et al. Study on aero-engine digital pulsation final assembly line planning technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(21): 8-12.

[6]范玉青. 波音787飛機(jī)總裝配線及其特點(diǎn)[J]. 航空制造技術(shù), 2011(23/24): 38-42.

FAN Yuqing. Boeing 787 final assembly line and its characteristics[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(23/24): 38-42.

[7]李金龍, 杜寶瑞, 王碧玲, 等. 脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù),2013(17): 58-60.

LI Jinlong, DU Baorui, WANG Biling, et al.Application and development of pulse assembly line[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2013(17): 58-60.

[8]辛彥秋, 吳斌, 蘇丹, 等. 民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配淺析[J]. 航空制造技術(shù),2013(20): 118-120.

XIN Yanqiu, WU Bin, SU Dan, et al.Introduction of pulse line for commercial aeroengine assembly[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(20): 118-120.

[9]皮埃爾·斯帕克. 斯奈克瑪：藍(lán)天引擎[M]. 方昌德，朱守信，譯. 北京：航空工業(yè)出版社, 2008: 66-103.

SPARK P. Snecma engines in the sky[M].FANG Changde, ZHU Shouxin, trans. Beijing:Aviation Industry Press, 2008: 66-103.

[10]陳紹文. 精益制造和飛機(jī)移動(dòng)式裝配線[J]. 航空制造技術(shù), 2011(16): 34-37.

CHEN Shaowen. Lean manufacturing and aircraft mobile assembly line[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(16): 34-37.

[11]黃松. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)多自由度裝配平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院, 2015.

HUANG Song. Design and analysis for Multi-DOF assembly device of aero-engine[D].Beijing: Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, 2015.

[12]張雷. 力矩?cái)Q緊機(jī)的應(yīng)用及擰緊方式、參數(shù)的選擇[D]. 長(zhǎng)春: 吉林大學(xué), 2011.

ZHANG Lei. Application, tightening mode and parameter selection of torque tightening machine[D]. Changchun: Jilin University, 2011.