王 焰,郭宏偉,鄧伯孟,堯 智
(中航成飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司,四川 成都 610092)
機(jī)頭部件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)最重要大部段之一,其結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜、精度要求高。傳統(tǒng)機(jī)頭結(jié)構(gòu)組件裝配時工裝定位器多,大量結(jié)構(gòu)零件采用手工劃線、裝夾定位,工序繁瑣、效率低,導(dǎo)致定位精度低安裝難[1]。
隨著全球航空制造業(yè)飛機(jī)裝備技術(shù)的不斷發(fā)展,飛機(jī)機(jī)頭數(shù)字化制造技術(shù)得以廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展,其主要包含了飛機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、裝配協(xié)調(diào)與容差分配分析技術(shù)、飛機(jī)機(jī)頭數(shù)字化虛擬裝配工藝規(guī)劃與仿真技術(shù)、自動化精確制孔技術(shù)、大尺寸精密測量技術(shù)等關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)[2]?;贛BD的孔系定位裝配技術(shù)是在上述機(jī)頭數(shù)字化裝配技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來,近十年以來在國內(nèi)外得到廣泛研究與應(yīng)用。隨著航空工業(yè)規(guī)劃和發(fā)展要求,孔系定位裝配技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)急需得到廣泛應(yīng)用推廣。
1.1.1 MBD孔系定位裝配技術(shù)的主要含義
MBD(Model Based Definition)是指基于模型的數(shù)字化定義[3],基于MBD的孔系定位裝配技術(shù)是指在飛機(jī)零件制造階段,通過基于MBD數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)與容差分配技術(shù)、蒙皮數(shù)字化精密成形、數(shù)字化精密制孔技術(shù)等應(yīng)用技術(shù),將零件(組件)數(shù)模已標(biāo)注的各類定位孔、導(dǎo)孔及噴點(diǎn)孔全部或大部分通過數(shù)控加工方式制出,此類孔呈孔系分布;在飛機(jī)部件裝配階段,通過裝配協(xié)調(diào)孔(C/H協(xié)調(diào)孔)或定位孔(T/H工具孔、K/H關(guān)鍵孔)確定零件(組件)與零件(組件)之間的相互位置或零件(組件)在工裝上的安裝位置,來實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)零部件的精確定位裝配技術(shù)。
1.1.2 MBD孔系定位裝配技術(shù)與傳統(tǒng)裝配協(xié)調(diào)孔定位法的區(qū)別
基于MBD的孔系定位裝配技術(shù)與傳統(tǒng)裝配協(xié)調(diào)孔定位法存在共同性和差異性。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配協(xié)調(diào)孔定位是指在飛機(jī)裝配中,在相互連接的零件(組件)上,按一定的協(xié)調(diào)路線分別以工裝或樣板制出零件(組件)上的裝配協(xié)調(diào)孔(C/H協(xié)調(diào)孔),裝配時零件/組件以對應(yīng)的孔定位來確定零件(組件)的相互位置。
基于MBD的孔系定位裝配技術(shù)除了具有傳統(tǒng)裝配協(xié)調(diào)孔定位法的基本特性,孔系定位裝配技術(shù)主要特點(diǎn)在于要求零件(包含蒙皮)所屬各類定位孔、導(dǎo)孔及噴點(diǎn)孔均在零件制造階段制出導(dǎo)孔或者次級終孔,且要求零件制造均基于MBD三維數(shù)模采用數(shù)控加工;組件裝配時對工裝定位器、工裝鉆模/手工劃線樣板的使用降低至最低,這是MBD孔系定位裝配技術(shù)最明顯的特性,孔系定位原理如圖1所示。
圖1 孔系定位原理圖
孔系定位裝配技術(shù)能減少誤差累積,最大限度保證制造基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)的統(tǒng)一,保證高精度裝配質(zhì)量,具有定位方法快捷簡單的特點(diǎn)。
MBD孔系定位裝配技術(shù)中所涉及各類孔名詞解釋:
(1)T/H工具孔(Tooling Hole)屬于定位孔,用于零件與零件工裝之間定位;
(2)K/H關(guān)鍵孔(Key Hole)屬于定位孔,用于零件與裝配工裝之間定位;
(3)C/H協(xié)調(diào)孔(Coordination Hole)屬于定位孔,用于零件與零件之間的定位孔;
(4)P/H導(dǎo)孔(Paint Hole)屬于導(dǎo)孔,單層零件的導(dǎo)孔,用于連接件的制孔;
(5)P/P噴點(diǎn)(Paint Point)僅蒙皮類零件噴點(diǎn),用于安裝連接件的參考孔位,同時可用于自動鉆鉚時的校正孔位。
MBD孔系定位裝配技術(shù)除了具有上述裝配協(xié)調(diào)孔定位法的主要特點(diǎn),還擁有如下6個原則:
(1)蒙皮、腹板類零件連接件集成定義標(biāo)注原則。機(jī)頭壁板結(jié)構(gòu)組件中,蒙皮、腹板所需T/H工具孔、K/H關(guān)鍵孔、C/H協(xié)調(diào)孔直接標(biāo)注在蒙皮、腹板數(shù)模連接件標(biāo)注集中。與蒙皮、腹板類搭接區(qū)域的連接件孔位(P/H導(dǎo)孔和P/P噴點(diǎn)孔),其連接件數(shù)據(jù)集按零件分類進(jìn)行標(biāo)注,如圖2和圖3所示。鈑金類零件均在蒙皮、腹板零件數(shù)模中集中標(biāo)注,機(jī)加類零件均在機(jī)加件數(shù)模中集中標(biāo)注。
圖2 孔系零件(腹板)標(biāo)注集示意圖
圖3 孔系零件(蒙皮)標(biāo)注集示意圖
(2)在飛機(jī)坐標(biāo)系下,孔系零件各孔設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、協(xié)調(diào)基準(zhǔn)及定位基準(zhǔn)統(tǒng)一原則,零件與零件之間協(xié)調(diào)度高。
(3)數(shù)控加工制孔優(yōu)先的原則。MBD孔系定位裝配技術(shù)要求零件制造優(yōu)先采用采用數(shù)控加工;組件裝配時對工裝定位器、工裝鉆模/手工劃線樣板的使用降低至最低。
(4)蒙皮、腹板類零件所屬孔系應(yīng)開盡開原則。在孔系定位裝配技術(shù)中,蒙皮、腹板類所屬T/H工具孔、K/H關(guān)鍵孔、C/H協(xié)調(diào)孔以及大量P/H導(dǎo)孔和P/P噴點(diǎn)孔均在蒙皮、腹板零件制造階段數(shù)控開出孔徑,堅(jiān)持應(yīng)開盡開原則。
(5)裝配工藝裝備(工裝)數(shù)字化制造原則。MBD孔系定位裝配技術(shù)要求裝配工藝裝備(工裝)以數(shù)字化制造并涉及交點(diǎn)互換時以數(shù)字量協(xié)調(diào)為主。
(6)組件裝配盡可能實(shí)現(xiàn)“無型架”裝配原則。MBD孔系定位裝配要求飛機(jī)部件裝配基于零件孔系定位方式裝配,在避免組件裝配應(yīng)力變形的情況下,簡化工裝型架結(jié)構(gòu)、減少工裝定位器的采用。
MBD孔系定位裝配技術(shù)要求在飛機(jī)零件制造階段,按照MBD數(shù)模要求及其標(biāo)注集孔徑公差要求,制造出零件所有定位孔及其連接件安裝孔,如圖4所示;飛機(jī)部件裝配階段,按照已開制出的定位孔系進(jìn)行零件之間的定位裝配。
圖4 典型MBD孔系鈑金零件模型示意圖
在國內(nèi)航空領(lǐng)域,最早的MBD孔系定位裝配技術(shù)從國際轉(zhuǎn)包生產(chǎn)開始應(yīng)用。國外,以波音、空客公司、以色列IAI為代表的國際飛機(jī)制造企業(yè)在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域取得了巨大的成功,其中MBD孔系定位裝配技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,比如在波音787、A380、灣流G280、灣流G650等飛機(jī)裝配中,MBD孔系定位裝配技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。
MBD孔系定位裝配技術(shù)要求蒙皮類零件必須在數(shù)控加工中心上完成,蒙皮數(shù)字化制造是影響孔系定位裝配技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。
其中要求蒙皮類零件必須滿足精密拉形制造、蒙皮數(shù)字化銑切和蒙皮無余量交付;腹板類和機(jī)加框零件還要求數(shù)控精密銑切加工。MBD孔系定位裝配技術(shù)要求飛機(jī)壁板部件整個裝配盡量要求控制無應(yīng)力裝配。裝配定位方式主要是以卡板內(nèi)定位主壁板,以主壁板上的協(xié)調(diào)配合孔來定位裝配其余零件,因此要求零件的C/H協(xié)調(diào)孔和外形輪廓度要求非常高,尤其是蒙皮上大量的C/H協(xié)調(diào)定位孔的位置度公差要求非常嚴(yán)格。
基于MBD的孔系定位裝配技術(shù)具體精準(zhǔn)、高效、簡單特點(diǎn),定位實(shí)現(xiàn)“積木式”裝配,減少了工裝定位器數(shù)量,簡化了工裝的結(jié)構(gòu)。大型鈑金零件(蒙皮、腹板類零件)主要采用精確拉伸成型和精確數(shù)控銑切加工而成,其分布的各類孔系孔位由于采用數(shù)控加工,各類零件之間的修配和定位工作量大大減少,裝配效率隨之提高。
組件裝配原則上均采用工程圖上的K/H孔、裝配工裝及C/H孔作為裝配協(xié)調(diào)依據(jù)。
零件制造原則上均以零件數(shù)模上的K/H孔,C/H孔作為裝配協(xié)調(diào)依據(jù),在零件制造階段依據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)的CATIA數(shù)模制造和驗(yàn)收,研究制定了孔系定位裝配技術(shù)的協(xié)調(diào)制造原則,有以下6點(diǎn):
(1)孔系定位零件(機(jī)加件)采用數(shù)控加工制出各K/H孔、C/H孔、T/H孔等孔系孔徑。
(2)孔系定位零件(鈑金件)采用數(shù)控加工或采用數(shù)控加工的模具制造;大型蒙皮類零件的制造精度要求,零件的外形銑切和C/H孔、K/H孔的鉆制原則上必須使用數(shù)控加工或者鉆孔工裝完成,P/H孔的開制既可優(yōu)先使用數(shù)控加工,也可以使用鉆孔樣板制孔。
(3)零件制造、裝配工藝裝備的設(shè)計(jì)均需要以產(chǎn)品三位設(shè)計(jì)數(shù)模為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì),工藝裝備各零件采用數(shù)控加工。
(4)為了確保裝配協(xié)調(diào)要求,鈑金類零件上的C/H孔、K/H孔,原則上必須在熱處理后(即T狀態(tài))制出,可以采用數(shù)控加工或者使用鉆孔工裝制出。原則上腹板面上孔盡量在數(shù)控下料時制造出;對于非腹板面上孔,則訂制專用鉆孔夾具鉆制C/H孔、P/H孔、螺釘/銷釘孔等。原則上C/H孔類孔徑公差為±0.10 mm,P/H孔類孔徑公差為±0.20 mm,相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。
表1 孔系零件制孔公差原則表
(5)孔系定位零件的制造精度,孔徑公差必須滿足設(shè)計(jì)圖紙/數(shù)模要求。
(6)裝配工藝裝備,特別是大型裝配型架的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)均在飛機(jī)坐標(biāo)系下,依據(jù)產(chǎn)品的三維數(shù)模,及產(chǎn)品中的三維數(shù)字模型中的K/H孔和交點(diǎn)位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。
對于某型公務(wù)機(jī)機(jī)頭蒙皮零件來說,因?yàn)樵陲w機(jī)中其安裝位置相當(dāng)重要與特殊,對于孔系定位裝配技術(shù)的要求,如何將蒙皮理論曲面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到零件內(nèi)外緣表面,這是MBD孔系定位零件(蒙皮)的制造難點(diǎn)。
在零件生產(chǎn)準(zhǔn)備階段,通過CATIA V5軟件將零件數(shù)模和零件交接單信息中需要開制的孔位沿相應(yīng)的理論曲面法線投影在蒙皮表面,然后在蒙皮內(nèi)外表面做出各個孔位的矢量線,并單獨(dú)的工藝信息體現(xiàn),孔位信息與相應(yīng)的矢量線統(tǒng)一到零件制造數(shù)據(jù)集中。典型蒙皮制造數(shù)據(jù)集標(biāo)注如圖5所示。
圖5 孔系定位零件蒙皮制造數(shù)據(jù)集
基于孔系定位技術(shù)要求,根據(jù)某型公務(wù)機(jī)機(jī)頭項(xiàng)目的生產(chǎn)速率,工藝分離面遵循組件分散裝配,機(jī)頭部件集中裝配的原則,并綜合考慮裝配可行性、操作可行性以及裝配周期等要求,采用多線并行、分步集中的裝配方式。零組件根據(jù)裝配的順序劃分為零件、次級組件、組件、機(jī)頭總裝。其中零件不需要裝配,次級組件采用C/H孔定位,組件及機(jī)頭在工裝上主要采用K/H孔和交點(diǎn)位置進(jìn)行定位。
某型公務(wù)機(jī)機(jī)頭定位基準(zhǔn)采用方式:
次級組件采用零件與零件之間的C/H孔作為定位基準(zhǔn)。組件裝配采用零件與零件之間C/H孔作為定位基準(zhǔn),零件與工裝之間的定位采用零件的K/H孔與工裝的定位孔定位的方式,如圖6和圖7所示。對于蒙皮類零件輔以卡板定位的定位方式,如圖8所示;對于框緣類零件輔以外形定位器進(jìn)行定位的定位方式。某型公務(wù)機(jī)機(jī)頭采用孔系定位,形成了鮮明的類似于“搭積木”的裝配方式。
圖6 典型次級組件裝配流程圖
圖7 典型孔系定位次級組件
圖8 典型組件裝配示意圖
針對某型公務(wù)機(jī)機(jī)頭MBD孔系定位裝配技術(shù)的應(yīng)用分析,經(jīng)過首架產(chǎn)品、小批量、批量生產(chǎn)裝配驗(yàn)證,該孔系定位裝配技術(shù)在該公務(wù)機(jī)機(jī)頭裝配流程中得到了有效驗(yàn)證,其技術(shù)理念具有前瞻性、可行性。
該工藝方法將會使零件(組件)裝配的安裝精度(孔位公差)提升至±0.14 mm,該工藝方法極大提升了飛機(jī)部件裝配制造水平及其制造精度;同時孔系定位裝配技術(shù)對蒙皮類零件的制造提出了更高要求,從工藝端提升了對蒙皮精確拉形技術(shù)和精確制孔技術(shù)的要求。
機(jī)頭蒙皮類零件盡管采用三坐標(biāo)或者五坐標(biāo)進(jìn)行修邊和制孔,但是由于其本身制造特點(diǎn),外形輪廓及其翻邊角度容易出現(xiàn)偏差,因此導(dǎo)致該區(qū)域的C/H孔、P/H孔、P/P孔容易同時出現(xiàn)偏差,蒙皮邊緣的大量導(dǎo)孔位置與理論位置偏差,需做相應(yīng)的工藝補(bǔ)償。需要裝配進(jìn)一步結(jié)合蒙皮精密加工技術(shù)和視覺開孔技術(shù)等先進(jìn)工藝方法,及時更新零件制造程序及其工藝方法,并按需進(jìn)行工藝補(bǔ)償加工。
后續(xù)可在機(jī)頭壁板結(jié)構(gòu)組件上自動鉆鉚、機(jī)器人制孔等制孔和鉚接技術(shù),進(jìn)一步拓展孔系定位裝配技術(shù)的應(yīng)用,為國產(chǎn)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造一體化推進(jìn)工作提供參考價值。