飞机结构铆接装配中机械加工件的公差确定

飞机结构铆接装配中机械加工件的公差确定

赵亮

哈尔滨哈飞工业有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：随着飞机形状要求和机加工技术的提高，许多机加工零件已取代钣金零件，并且常用的公差标准难以满足飞机组装要求，因此需要重新分配其公差。为此，本文重点分析了在U形框架中装配梁的间隙和台阶差，总结了产生超公差的主要原因，并重新分配了加工零件的公差，以满足装配要求，从而逐步提高飞机组装效率。

关键词：飞机结构；铆接装配；机械加工；公差确定

因为飞机按照空气动力学原理飞行，所以飞机的形状直接影响整个飞机的性能。在20世纪，由于机械加工行业的整体水平较低，飞机的所有零件只能通过铣削和机床冲击等常规工艺进行加工。由于飞机结构的特殊性，许多复杂的结构，特别是弯曲形状的零件，很难通过常规过程实现。设计所需的形状参数，钣金零件是飞机主体的主要部分，尤其是之前的飞机第二代主要使用钣金零件。整个飞机中的钣金零件数量约占整个飞机零件的百分之七十。在21世纪，随着加工设备的转变，诸如加工中心和五轴加工中心之类的先进加工设备应运而生。通过先进的加工设备，可以实现在线加工，解决复杂的薄壁零件的加工难题。通过铣削加工的成熟薄壁零件已应用于工程实践。在某些重要的关键承重结构中，用机加工零件代替了传统的钣金零件，从而大大提高了关键零件的强度和刚度，提高了飞机的结构强度，且机加工零件的重量不高于飞机的重量。钣金零件的沉重和更高的制造精度降低了装配铆接的难度，并有效地保证了飞机的形状和表面尺寸^[1]。

一、飞机装配的质量标准要求

随着近些年来我国国内航空技术的发展，越来越多的机械加工件运用于飞机结构中。对于当前我国飞机结构的铆接工作中，传统的机械加工件的公差确定方法随着飞机结构的发展已经越来越难以满足全新的飞机结构。因此，全新的飞机结构铆接装配中机械加工件的公差确定方法的确立是当前我国飞机装配过程中的重点发展方向。对于飞机装配的质量标准要求也在公差确定的方法上而生^[2]。

在飞机制造领域，为了确保飞机的飞行性能，在设计过程中对组件之间的间隙和台阶差提出了具体要求。由于飞机零件尺寸大，金属薄板零件和复合材料的零件容易变形，结构形状和装配关系复杂，导致由多个零件组装而成的零件之间的间隙和台阶差常常超过设计公差，从而影响飞机质量与生产效率。本文以在U形框架中组装某种类型飞机的横梁为例（参见图1）。通过分析典型的间隙和阶跃差异，总结了引起误差的主要原因，并提出了系统思路和解决方案指导方法。

二、飞机装配的质量标准方法

在现阶段我国国内的飞机装配过程中中，大多数零件都是由钣金零件制成的。如图2所示，通过铆接过程中的形状校正可以很好地保证飞机的形状。这部分是飞机的主要部分。在一定压力下，将钣金零件更改为机加工零件可以增加零件的整体强度。当零件的外表面是曲面时，水槽的设计和框架的铆接可以确保飞机的理论形状。在组装过程中，将梁和绑带粘结并铆接到框架的内表面。如图3所示，梁的非下垂区域与框架的外表面形成曲面。飞机蒙皮被铆接到该表面上，这要求波束不下垂。框架的面积和外表面保持在一个平面内，以确保在将皮肤铆接在梁和框架上时确保皮肤的理论形状，并使外部皮肤的表面光滑且无下陷的现象^[3]。

三、飞机机械加工配件在装配过程中存在的问题现象

在飞机机械加工配件的设计过程中，对于加工配件的下陷区域没有公差的标准规定，因此在组装过程中很容易出现间隙和阶差超差的问题现象。造成这种问题的主要原因是因为零件更复杂并且是薄壁零件，所以检查员将测量壁厚（2毫米）和宽度（90毫米和96毫米），如图4所示。设计中指定的壁厚和宽度公差为根据HB5800-1999实施，参考该标准，2毫米的公差为±0.12毫米，90毫米和96毫米的公差为±0.43毫米。在零件的生产过程中，为了确保零件的合格率并防止零件因错误而报废，工人在加工过程中始终按照上限值进行加工，即宽度为90.43mm-96.43mm，壁厚为2.12毫米。当宽度超出公差时，此方法可用于锉削壁厚，也可确保宽度尺寸在公差范围内。同样，当壁厚超出公差范围时，可以提出壁厚以确保零件合格,这种方法在当前的航空制造业中很常见。仅用于零件加工的这种加工方法没有错误,用这种方法生产的零件可以满足设计要求^[4]。

在装配时，当下陷区为负差时，会出现蒙皮凸起，一般解决方法是对下陷区或蒙皮进行锉修，传统飞机通常都是采用此方法。但随着现代飞机对零件精度及外形要求越来越严格，此方法会带来以下问题:

(1)对于尺寸要求控制很严格的机械加工零件锉修很难修到理想状态，这种情况不但会降低装配效率而且还给装配带来一定的风险。

通过锉修势必会使下陷区域的壁厚减少，同时会增加下陷区域的下陷深度，在装配中出现横梁与蒙皮贴合的形面高于框与蒙皮贴合形面，如图5所示。

在锉修过多时会严重影响零件的强度。

锉修会损害零件的表面处理。

由机械加工件代替钣金件进行铆接装配，虽然机械加工件提高了整体骨架结构精度与强度，但如果在工艺方面没有进行协调会起到适得其反的效果，最终导致部件超重或阶差不能满足要求而报废，且这类超差报废在前期是难发现的，只有在装配完工后才可能暴露，这就会造成生产任务拖期。如果从工艺角度不进行公差分配去消除后期超差报废的风险，会造成巨大的损失。

四、飞机机械加工零件二次公差的分配

所以在零件加工之前要从工艺角度进行零件二次公差分配，以保证零件的装配。如图6所示，对本文零件进行二次公差分配，首先保证96mm的外形尺寸，该尺寸公差为自由公差(±0.43mm），其次保证下陷尺寸4mm和3mm，由于横梁和框装配过程中贴合蒙皮一侧的下陷面和框内腔完全贴合，另一侧贴合面允许留装配间隙可通过添加薄垫片填充。将89mm尺寸的自由公差（±0.43mm）分配到两侧下陷尺寸中，89mm尺寸可以不做检测要求。根据经验确定两侧下陷尺寸公差分配原则为靠近蒙皮一侧为4±0.28mm，另一侧为3±0.15mm，为避免装配过程中进行修配，所以下陷区尺寸全取正差。最后保证壁厚尺寸2mm，壁厚尺寸公差按照自由公差执行(±0.13mm)。下陷外形89mm尺寸为封闭环尺寸。此方法可以严格控制下陷尺寸，保证装配过程中横梁蒙皮贴合面框与蒙皮的贴合面在同一个平面内，确保外蒙皮装配质量同时使部件的重量控制在合理的范围内。

结束语：通过上述分析，飞机铆接装配中机械加工件尺寸公差分配原则如下:（1）首先保证理论外形尺寸和壁厚，其中理论外形尺寸和壁厚尺寸公差按照自由公差。（2）保证下陷尺寸，将下陷外形尺寸公差的自由公差分配到两侧下陷尺寸中，其中将自由公差按照近似2:1的比例进行分配，并取正差以避免锉修。（3）把下陷外形尺寸作为闭环尺寸可以不做控制。通过对机械加工件尺寸公差的分配，可控制零件质量，保证机身装配质量，为后续装配过程减低难度，保证飞机部件整体的铆接质量。

参考文献：

[1]张鸿羽,余敏,丁腾飞,等.不同材质航空用沉头铆钉装配数值模拟[J].机械,2019（8）:32-37.

[2]潘明辉,汤文成,幸研,等.薄壁件铆接装配变形有限元数值仿真分析与实验验证[J].中南大学学报:英文版,2018,25（1）:60-77.

[3]王仲奇,许敏恒,赵海涛,等.铆接工艺参数对孔边细观结构影响规律研究[J].航空制造技术,2018,61（20）:40-48.

[4]李科,县喜龙.飞机结构铆接装配中机械加工件的公差确定[J].制造技术与机床,2018（10）:32-34