徐智峰 溫愷 黃寧

摘要：各飛機制造企業(yè)，逐漸采用復材整體壁板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬組裝壁板。但由于飛機壁板輪廓曲面復雜、結構尺寸大，各生產環(huán)節(jié)的綜合誤差十分繁復，尤其復材整體壁板本身剛度不足，在裝配中其必然存在一定的變形。通過裝配型架定位元件、先進的補償加工工藝、限制壁板變形、合理規(guī)劃緊固件連接方案等控制措施，基本可以實現(xiàn)對于復材整體壁板的應力控制與變形校正。

關鍵詞：復材壁板;裝配變形;應力控制

1 壁板裝配應力的成因

裝配應力是飛機制造中各環(huán)節(jié)誤差累積的結果。對于復材整體壁板來說，通常在其裝配階段的定位、補償、保（校）形、連接等四種操作過程中，不易控制裝配應力的產生。

1.1 定位

定位是產品裝配的初始操作，也是產生誤差和應力的重要來源。對于剛性體零件，一般采用傳統(tǒng)的“3-2-1”定位原則，準確約束零件的六向自由度，定位誤差相對較小，但對于壁板類零件，由于零件本身難以維持理論形狀，必須以“過定位”的形式，強行限制變形，采用“N-2-1”定位原則（在壁板易變形方向設置N處定位點）。雖然“過定位”方式能夠實現(xiàn)壁板類零件的定位，但方法本身便不可避免地產生了一定的裝配應力。

1.2 補償

復材整體壁板很難與骨架完全貼合，通常要對骨架與壁板之間的間隙進行測量采集，進而采用打磨零件或加墊補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)兩者之間的協(xié)調，否則會導致壁板強迫裝配產生嚴重的裝配應力。傳統(tǒng)裝配補償工藝的操作過程繁瑣、耗時，存在較大資源浪費，降低連接部位的疲勞壽命，壁板裝配應力的控制效果較差。

1.3 保（校）形

裝配變形指的是產品在裝配過程中，由于受各種工藝因素的綜合影響，其尺寸偏差不斷地產生、累積和傳遞，最終形成實際尺寸相對于設計尺寸的差值。復材整體壁板自身剛度較弱，在裝配過程中往往存在不同程度的變形。目前，國內飛機制造企業(yè)的做法，多是利用型架卡板或繃帶施加外力，產生保（校）形的效果，來完成壁板的裝配。這種完全依賴經驗的方法，缺乏理論依據和量化指標，使得壁板裝配應力未得到有效地抑制。

1.4 連接

連接是裝配的重要環(huán)節(jié)之一。對于大型壁板的緊固件連接工作，由于緊固件數(shù)量多，壁板與骨架配合間隙情況復雜，以往規(guī)劃緊固件的連接順序，完全依靠生產經驗進行，始終難以避免裝配應力的產生，壁板整體安裝質量的穩(wěn)定性差，存在返工和超差的隱患。

2. 裝配應力的有效控制方法

2.1 裝配型架定位、夾緊元件

主動控制復材整體壁板的協(xié)調變形和裝配應力情況，大多需要依靠裝配型架來實現(xiàn)。通過調整裝配型架上的定位器、夾持單元，可以優(yōu)化配置夾緊力的作用點、大小、方向和操作順序。對于復材整體壁板，裝配定位器的數(shù)量與位置，對于其定位效果，影響非常明顯，而提供夾緊力的工裝組件除考慮防止復材損傷外，更要合理控制夾緊力的大小。當前最優(yōu)的裝配定位、夾緊方式，是基于力控制的零件柔性定位方法，即在工裝的定位、夾緊元件上，設置傳感器和控制器，實時反饋裝配應力情況。裝配應力超過許用數(shù)值時，控制器通過多步迭代，可將工裝定位、夾緊元件即時調整到最優(yōu)裝配位置。

2.2 先進的補償加工工藝

近十年來，歐美國家的軍民機都逐漸探索高效、精準、自動化的工藝補償技術。如F35戰(zhàn)機和A350客機，采用了獨特的裝配加工補償系統(tǒng)：對機體骨架外形進行數(shù)字化測量，擬合出配合面間隙和干涉的三維形狀數(shù)據，生成柔性機器人的運動軌跡，利用裝有增材制造功能的末端執(zhí)行器在零件表面對應間隙處自動精確地施加墊片，同時用裝有銑刀的執(zhí)行器在零件表面對應干涉處進行自動銑削。通過這種補償工藝，顯著地縮減了飛機制造周期，良好地保證了裝配應力的控制效果。

2.3 限制裝配變形

一些先進的航空制造企業(yè)，高度重視飛機壁板的變形控制與安全校正問題，但由于涉及核心關鍵技術，詳細的工藝技術資料很難搜集。顯而易見，增強壁板自身剛度，控制壁板裝配變形是保證壁板外形準確度，減少裝配應力的研究方向。通過現(xiàn)場調研了解到：在壁板上安裝數(shù)字化工藝控制接頭，能夠有效抑制壁板裝配變形量。根據實時觀測布置在壁板上的若干組檢測點，采用點動控制的方式，驅動相關數(shù)控定位器移動牽引壁板，可使壁板變形得到有效校正。工藝接頭可對壁板局部剛度進行加強，能夠對壁板整體變形起到一定程度的調控作用，進而通過數(shù)控定位器移動牽引，還能一定程度上校正壁板形狀。

2.4 壁板緊固件的連接工藝規(guī)劃

使用緊固件對復材整體壁板進行連接時，依照合理有效的工藝原則，可以顯著減少裝配應力的產生。通過裝配型架的卡板或繃帶，可將壁板劃分為若干個獨立單元。卡板處，壁板與骨架基本貼合，非卡板處，壁板與骨架之間存在一定的貼合間隙。緊固件的連接，可以減少壁板與骨架之間的貼合間隙，但會導致機體材料出現(xiàn)向遠端延展的變形趨勢：

若機體材料的延展趨勢存在于單元內，則會導致單元內出現(xiàn)裝配應力，這種情況必須避免。

若機體材料的延展趨勢傳遞到單元外，鄰近單元壁板與骨架之間的貼合間隙會增加，則鄰近單元也應通過卡板和緊固件，消除或減小貼合間隙。進一步分析，延展趨勢會繼續(xù)傳導到其他方向上，未進行緊固的鄰近單元，以此類推，應該確保每個獨立單元內，都不因積累材料變形而出現(xiàn)明顯裝配應力。

3.結論

由于缺乏對復材整體壁板協(xié)調形變和裝配應力的深入認知與研究，導致國內飛機制造企業(yè)始終沿用一些低質量、低效率、高風險的壁板裝配工藝方法，嚴重削弱了復合材料高比強度、高比模量的優(yōu)點。無論是限制壁板變形、補償加工等國內企業(yè)可以成熟運用的裝配工藝，還是復材增韌、自適應力控裝配等仍尚待開發(fā)推廣的先進技術，都是實現(xiàn)復材整體壁板應力控制與變形校正的有效方式。掌握裝配應力控制方法，是航空制造業(yè)發(fā)展大勢所趨，需要更多專業(yè)者進一步地完善應用，繼續(xù)創(chuàng)新。

參考文獻

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