（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

先進(jìn)復(fù)合材料由于比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)產(chǎn)品研制中日益受到青睞；同時(shí)，復(fù)合材料的大量應(yīng)用不僅可以明顯減重，提高飛機(jī)性能，而且大大減少了零部件數(shù)量，利于大部件組裝，不易產(chǎn)生腐蝕及疲勞[1-4]。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分無(wú)人機(jī)項(xiàng)目甚至采用了全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，先進(jìn)復(fù)合材料在整機(jī)中的比重達(dá)到60%以上。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配時(shí)，若零部件間相互具有協(xié)調(diào)關(guān)系，通常在零件制造時(shí)在配合區(qū)域留出足夠余量，或加工后留出一定余量用于試配，某些重要零件最終還需通過(guò)補(bǔ)加工的方式以滿足裝配精度要求[5]。隨著整機(jī)中采用復(fù)合材料的部位越來(lái)越多，零件配合面關(guān)系復(fù)雜、加工難度大等特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)方法已不再適合復(fù)合材料部段的裝配。數(shù)字化裝配技術(shù)近幾十年得到了長(zhǎng)足發(fā)展，尤以MBD（Model Based Definition）技術(shù)、數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量及檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字標(biāo)工及協(xié)調(diào)技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用為代表[6-11]。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了零件加工無(wú)余量、裝配精確定位無(wú)余量裝配方法的提出和應(yīng)用，提高了復(fù)合材料部段裝配效率和質(zhì)量。無(wú)余量裝配是一種數(shù)字化精確裝配技術(shù)，是將數(shù)字化協(xié)調(diào)、裝配工藝設(shè)計(jì)、容差分配和數(shù)字化裝配等技術(shù)集成的融合技術(shù)[12]。通過(guò)數(shù)字化協(xié)調(diào)及特定工藝處理措施，可實(shí)現(xiàn)無(wú)反復(fù)裝配、裝配后無(wú)需補(bǔ)加工等操作。本文結(jié)合全復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)部段的特點(diǎn)，研究并詳細(xì)描述了無(wú)余量裝配技術(shù)在其裝配中的應(yīng)用情況。

1 全復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)部段及其特點(diǎn)

某型號(hào)全復(fù)合材料機(jī)身所有蒙皮、框梁等骨架結(jié)構(gòu)均采用先進(jìn)復(fù)合材料，在整機(jī)中的比重約60%。整機(jī)蒙皮為上下半殼的雙曲型面半封閉結(jié)構(gòu)（3件），采用一體化成型工藝制造，并與關(guān)鍵承力框梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械連接，因此需在上下蒙皮半殼內(nèi)部的關(guān)鍵承力框及蒙皮上安裝金屬或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鉸鏈接頭、控制接頭及其他安裝接口零件。

蒙皮結(jié)構(gòu)的外形、框梁和蒙皮的配合面型面復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，而復(fù)合材料蒙皮采用了先進(jìn)工藝技術(shù)，將原有若干件蒙皮整合為一體結(jié)構(gòu)，因此蒙皮之間的對(duì)接工作量大大減少，但對(duì)接質(zhì)量難以保證。機(jī)身部段具有以下典型的關(guān)鍵裝配協(xié)調(diào)特征：復(fù)合材料蒙皮間對(duì)縫間隙要求為2±0.5mm；蒙皮在航向方向的位置精度要求不大于0.5mm；關(guān)鍵接頭（如左右起落架艙門鉸鏈接頭）的位置精度要求較高。

目前，復(fù)合材料整體蒙皮通過(guò)反復(fù)修配的方法實(shí)現(xiàn)蒙皮間的對(duì)縫間隙大小，蒙皮航向位置也是通過(guò)劃線的方式確定其邊界，裝配質(zhì)量和工人的操作水平有著較大的關(guān)系，而這種高標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝很難保證裝配精度要求。同時(shí)，鉸鏈接頭等零件裝配精度控制通過(guò)傳統(tǒng)型架定位，由于制造和調(diào)整誤差積累，裝配后無(wú)法達(dá)到精度要求，最終還需進(jìn)行補(bǔ)加工工序。另外，由于全復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)限制，很多情況下無(wú)法給補(bǔ)加工提供足夠的操作空間。

2 無(wú)余量裝配技術(shù)的應(yīng)用

無(wú)余量裝配技術(shù)的基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的數(shù)字化，即采用數(shù)字量傳遞的方式減少誤差積累，提高協(xié)調(diào)精度。全復(fù)合材料機(jī)身采用全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)-工藝設(shè)計(jì)-工裝設(shè)計(jì)-產(chǎn)品零件加工-工裝制造及裝配等環(huán)節(jié)無(wú)任何二維圖紙下發(fā)。整個(gè)制造流程采用了數(shù)字量傳遞，大大減少了由于傳統(tǒng)模擬量傳遞帶來(lái)的誤差積累和其他因素造成的協(xié)調(diào)裝配問(wèn)題。各種零件以數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，用來(lái)保證零件協(xié)調(diào)孔等其他尺寸精度，并使零件完全按照設(shè)計(jì)公差要求加工至凈邊尺寸；協(xié)調(diào)孔位置盡量選取連接孔或采用工藝耳片孔等，孔徑較連接孔小，連接孔數(shù)量及布局能夠?qū)⒘慵蚨ㄎ黄魍耆ㄎ?；裝配型架的制造、裝配以激光跟蹤儀等數(shù)字設(shè)備確保定位器精確性，并在裝配型架設(shè)計(jì)階段就考慮定位器之間的協(xié)調(diào)安裝精度及安裝要求。下面以復(fù)合材料蒙皮及起落架鉸鏈臂無(wú)余量裝配為例進(jìn)行闡述。

2.1 機(jī)身復(fù)合材料蒙皮無(wú)余量裝配工藝

2.1.1 復(fù)合材料蒙皮凈邊修切傳統(tǒng)問(wèn)題及難點(diǎn)

作為構(gòu)成氣動(dòng)外形的關(guān)鍵零件，復(fù)合材料蒙皮外形復(fù)雜，尺寸范圍變化大，剛度較高。由于其材料特性，復(fù)合材料蒙皮無(wú)法使用先前的金屬材料蒙皮凈邊的加工方法?，F(xiàn)有技術(shù)存在如下問(wèn)題：第一，由于復(fù)合材料蒙皮為一體化整體成型，因此零件外形精度很大程度上決定了飛機(jī)氣動(dòng)外形精度，但現(xiàn)有的復(fù)合材料蒙皮成型后會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，因此無(wú)法在零件狀態(tài)下準(zhǔn)確確定凈邊精度。第二，復(fù)合材料屬于難加工材料，對(duì)于有相互對(duì)接要求的蒙皮，傳統(tǒng)的凈邊修配方法以外形卡板確定外形精度，采用相互反復(fù)試配來(lái)確定每件蒙皮的凈邊精度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，裝配效率較低。第三，反復(fù)修配對(duì)于工人的技術(shù)水平要求較高，得到的結(jié)果因人而異，修配后的蒙皮間隙往往產(chǎn)生大小不均勻、局部超差嚴(yán)重等質(zhì)量缺陷。第四，蒙皮最終的總裝對(duì)接過(guò)程中研制了大量的外形卡板用于外形精度的控制，從而導(dǎo)致型架結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而且蒙皮的試配過(guò)程也需不斷拆卸和安裝卡板，操作不便，難以縮短裝配周期。

2.1.2 復(fù)合材料蒙皮凈邊無(wú)余量修切及無(wú)余量裝配方法

機(jī)身部段復(fù)合材料蒙皮裝配時(shí)采用協(xié)調(diào)孔定位，通過(guò)協(xié)調(diào)孔的精度間接保證蒙皮相對(duì)于整機(jī)的位置精度以及對(duì)縫間隙大小，通過(guò)蒙皮凈邊定位板協(xié)調(diào)不同蒙皮凈邊邊界。協(xié)調(diào)孔在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)共同進(jìn)行確認(rèn)。協(xié)調(diào)孔和蒙皮凈邊定位板設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下因素：協(xié)調(diào)孔在不同蒙皮的分布位置及結(jié)構(gòu)形式；定位板在不同裝配型架上的定位結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)精度等。

復(fù)合材料蒙皮在成型制造過(guò)程中易產(chǎn)生變形，因此協(xié)調(diào)孔位置應(yīng)處于蒙皮中心對(duì)稱線上，沿飛機(jī)航向共設(shè)置兩處，其中一處應(yīng)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔以避免蒙皮變形或誤差積累。根據(jù)蒙皮外形面及結(jié)構(gòu)尺寸大小，可以設(shè)置輔助定位孔，并設(shè)置在蒙皮和框梁等結(jié)構(gòu)的連接孔處。

如上所述，采用協(xié)調(diào)孔裝配是解決復(fù)合材料蒙皮無(wú)余量裝配的關(guān)鍵。雖然目前裝配過(guò)程大量采用數(shù)字化裝配，但由于成型技術(shù)的局限性，復(fù)合材料蒙皮成型后產(chǎn)生的變形導(dǎo)致協(xié)調(diào)孔制孔難度較大，所以協(xié)調(diào)孔若按照理論位置加工，會(huì)導(dǎo)致蒙皮外形精度或?qū)p間隙超差。因此，復(fù)合材料蒙皮上的協(xié)調(diào)孔制孔方法不同于金屬材料蒙皮，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)孔的加工：一種是在復(fù)合材料蒙皮模具數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)，首先在復(fù)合材料蒙皮的成型模具上給每個(gè)協(xié)調(diào)孔單獨(dú)設(shè)置一個(gè)可拆卸的協(xié)調(diào)孔鉆模，該鉆模在成型模具上能夠?qū)崿F(xiàn)六自由度定位?？刹鹦躲@模在復(fù)合材料蒙皮固化成型并完全冷卻后，被安裝至成型模具，同時(shí)在復(fù)合材料蒙皮不脫離模具的情況下鉆制協(xié)調(diào)孔，鉆制完成后取下復(fù)合材料蒙皮。另外一種方法是研制專用蒙皮試配修切型架，該型架上具備蒙皮定位的關(guān)鍵部件，如外形卡板、蒙皮凈邊修切樣板等。復(fù)材蒙皮以外形卡板作為主定位方式，蒙皮上理論刻線作為輔助定位基準(zhǔn)，定位、固定后按照在型架上設(shè)置的協(xié)調(diào)孔鉆模加工協(xié)調(diào)孔。在修切型架上通過(guò)協(xié)調(diào)孔定位復(fù)材蒙皮的位置之后，將凈邊一次加工到位。

將具有相互配合要求的復(fù)材蒙皮分別進(jìn)行凈邊協(xié)調(diào)孔和凈邊的加工之后，在總裝型架上同樣依靠協(xié)調(diào)孔定位蒙皮位置，可以實(shí)現(xiàn)一次性無(wú)反復(fù)裝配。由于采用協(xié)調(diào)孔進(jìn)行定位對(duì)接，蒙皮在凈邊修切時(shí)就保證了外形面在飛機(jī)坐標(biāo)系下的精確度，而在總裝時(shí)無(wú)需采用外形卡板來(lái)保證，簡(jiǎn)化了總裝裝配型架的結(jié)構(gòu)，減少了定位操作步驟，提高了裝配效率，其中蒙皮對(duì)縫間隙精度可保證在±0.3mm，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料蒙皮無(wú)余量裝配方法Fig.1 Net assmbly processing of composites aircraft skin

2.2 具有高精度協(xié)調(diào)要求的起落架艙門鉸鏈接頭裝配

艙門結(jié)構(gòu)主要由復(fù)合材料艙門壁板、金屬材料的主動(dòng)和從動(dòng)鉸鏈臂等零組件組成。艙門和機(jī)身裝配時(shí)，要保證鉸鏈臂定位位置準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)，艙門壁板和機(jī)身壁板對(duì)縫間隙大小均勻。艙門壁板為復(fù)合材料成型制造，在外形輪廓方向留有加工余量，用來(lái)保證它和機(jī)身開(kāi)口之間的間隙和階差。由于艙門外形曲率變化較小，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，將理論凈邊輪廓標(biāo)記在模具上作為后續(xù)工作的參考。傳統(tǒng)的艙門裝配方法是將機(jī)身接頭用型架定位裝配，之后將鉸鏈臂安裝至機(jī)身對(duì)應(yīng)接頭交點(diǎn)中，然后將艙門壁板和機(jī)身開(kāi)口和鉸鏈臂反復(fù)試配，確保其間隙、階差等表面質(zhì)量；若表面質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，還需對(duì)鉸鏈孔進(jìn)行補(bǔ)加工。無(wú)余量裝配方法是將艙門壁板、鉸鏈臂等零件一次性裝配完成，并將艙門壁板凈邊一次性加工到位，裝配時(shí)無(wú)需進(jìn)行再試配。

艙門裝配型架和機(jī)身裝配型架設(shè)計(jì)時(shí)，同樣基于同一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和裝配。針對(duì)兩個(gè)型架上具有協(xié)調(diào)關(guān)系的定位器，如艙門凈邊定位板和機(jī)身艙門開(kāi)口凈邊定位板、艙門鉸鏈臂交點(diǎn)和機(jī)身鉸鏈臂接頭交點(diǎn)定位器等設(shè)計(jì)時(shí)，均考慮了相互協(xié)調(diào)精度容差設(shè)計(jì)和數(shù)字化協(xié)調(diào)裝配，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將具有協(xié)調(diào)關(guān)系的部位的精度公差進(jìn)行合理分配，使誤差積累降至最低。下面以鉸鏈臂的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系為例，說(shuō)明其協(xié)調(diào)裝配方法。起落架艙門鉸鏈臂交點(diǎn)激光靶標(biāo)點(diǎn)以交點(diǎn)孔為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 起落架艙門鉸鏈臂和機(jī)身交點(diǎn)定位方式Fig.2 Positioning method for junction of landing gear door and fuselage bay

為協(xié)調(diào)起落架鉸鏈臂等零件在機(jī)身上的裝配精度要求，起落架艙門上零件的定位器和機(jī)身上零件定位器都通過(guò)激光跟蹤儀在線調(diào)整，將兩套型架上的定位器姿態(tài)調(diào)整為一致，如圖3所示。

通常情況下，工具球坐標(biāo)值調(diào)整誤差一般在±0.1mm以內(nèi)，若對(duì)此誤差不加控制，很容易造成誤差積累，導(dǎo)致零件協(xié)調(diào)性差。為達(dá)到協(xié)調(diào)一致的要求，實(shí)際調(diào)整情況如下：機(jī)身結(jié)構(gòu)工具球OTP01-9某個(gè)坐標(biāo)值若實(shí)際偏差范圍落在-0.1～0 mm之間，相應(yīng)起落架艙門上定位器工具球坐標(biāo)值也應(yīng)落在-0.1～0 mm之間，反之亦然；協(xié)調(diào)要求越高，調(diào)整精度值方位要求越小，以此減少安裝誤差。同時(shí)，艙門壁板凈邊定位板上工具球相應(yīng)坐標(biāo)值也保證在-0.1～0 mm之間，以保證蒙皮凈邊和艙門鉸鏈交點(diǎn)的協(xié)調(diào)精度。經(jīng)改進(jìn)后的理論工具球坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 定位精度在線調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Adjustment process scene of positional accuracy

表1 艙門鉸鏈臂交點(diǎn)理論工具球坐標(biāo)點(diǎn)

由于鉸鏈接頭、鉸鏈臂以及其他零件工裝定位件都處在協(xié)調(diào)后的同一坐標(biāo)系下，因此可以間接保證零部件間的位置精度等要求，如艙門蒙皮和鉸鏈臂的相對(duì)位置精度、機(jī)身艙門開(kāi)口和鉸鏈接頭的相對(duì)位置精度等。裝配后的艙門和機(jī)身開(kāi)口間隙≤1.5mm，階差≤1mm，符合技術(shù)要求。鉸鏈接頭、鉸鏈臂安裝緊固在復(fù)合材料壁板內(nèi)形面上，由于復(fù)合材料的變形等缺陷，零件和蒙皮內(nèi)形面之間存在不均勻間隙，該間隙可通過(guò)加液體墊片等方式進(jìn)行補(bǔ)償，以保證裝配后的精度。為避免裝配時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力，零件定位時(shí)需確保零件間不產(chǎn)生干涉，采用液體墊片時(shí)應(yīng)盡量用較小的壓力甚至不加壓裝配進(jìn)行自然狀態(tài)固化。

3 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程數(shù)字量傳遞，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化裝配工藝/工裝設(shè)計(jì)和制造。采用無(wú)余量裝配方法制造的全復(fù)合材料飛機(jī)部段產(chǎn)品最終完全滿足技術(shù)要求，解決了之前手工修配、裝配后補(bǔ)加工帶來(lái)的效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。復(fù)合材料壁板類零件的凈邊可一次實(shí)現(xiàn)裝夾和加工，質(zhì)量和效率都得到了大幅度提升，關(guān)鍵零件也實(shí)現(xiàn)了無(wú)反復(fù)的無(wú)余量裝配，裝配后也無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)加工?？梢钥闯?，無(wú)余量裝配技術(shù)具有高效簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，非常適用于復(fù)合材料部段的裝配，其應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越好。

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