飞机蒙皮制造中约束与定位问题研究

导语航空制造中蒙皮属于技术密集型产品，一件蒙皮产品的完成需要多个工种来协同。而各工种工序的衔接则需要孔来定位协调解决。J16项目案例、AUK项目案例以及ARJ项目案例都是我们工作中能见得到的由错误定位问题导致的工装不协调影响生产的典型案例。这些问题出现后，往往都会形成纠缠不清、久拖不决、费工费时的局面。此文通过基本概念及3个实例分析来理清技术人员头脑中的定位概念，提高对约束及定位的认知，促进生产效率，提高产品质量。在飞机蒙皮制造、装配中都会涉及定位与约束问题，定位是实现约束的手段。在实践中往往因定位数量过多导致过定位问题，在工装上的过定位现象比较普遍。无论是蒙皮拉深工装、铣切工装、装配工装或者其他工装，都存在许多过定位现象。透过这个现象看其本质，根源在于我们头脑中对于定位概念没有充分正确的认知。而蒙皮制造中因定位多而不协调的问题出现后，往往会形成纠缠不清、反复返修、费工费时的局面。理论定义机械专业中将一个物体在空间准确定位需要6个空间自由度，即3个平移自由度，3个旋转自由度，如图1所示。图16个空间自由度空间：飞机设计在3维空间进行，而3维空间是由三维坐标系的三个坐标描述的空间，具有长宽高等物理特性。定位：在飞机设计的空间里或在自设的工装设计空间里，一个自由度对应一个约束把飞机零件固定在正确的位置上。过定位：在空间里定位飞机零件的约束超过了6个。想要一个物体在空间有一个确定的位置，就必须在任意一个自由度上设置一个约束，即要有6个约束。如果一个物体的约束少于6个，这个物体在空间的位置就是不确定的。在结构力学中的静不定结构就属于约束不够的结构类型，等于或大于6个约束的，叫静定结构。在机械制造行业中，零件在工装上的定位约束不能少于6个，但也不能大于6个。零件的组装约束也是不能超过6个的。如果大于6个，就会造成“公差干涉”、“尺寸链封闭”的现象，少于6个约束，零件显然没完全定住。运动机构的约束必须少于6个，否则机构动不了。所有要求强度、刚度的不可拆静定结构，其约束都是可以超过6个的，像飞机蒙皮的铆接、装配夹具上的构架都是这样的。典型案例分析在我们的日常工作中经常会接触到零件定位方式不准确，比如曲面蒙皮定位多达5、6个，定位面过大等问题，导致零件加工装配不协调，故障反复出现，疲于应付，久拖不决，影响生产、装配进度与质量。在介绍这几个案例之前需要介绍一下常见曲面的约束定位方式，曲度较小的曲面，可以将其按平面理解和处理。曲度较大的曲面（如马鞍形），可以这样来理解：当零件放到定位器上时，就已经形成了5个约束，约束了3个旋转、2个平移，只剩下一个平移，再加一个长圆孔（长圆方向垂直于可移动方向），定位就已经完全了。军机机型蒙皮零件军机机型蒙皮零件16.1100.A.801.xxx.为拉深化铣蒙皮，零件上2个直径8mm的装配定位孔和3个直径5.2mm的化铣定位孔，如图2所示。最初，我们使用3个5.2mm的定位孔作为切边定位与化铣定位来使用，由零件制造厂在模胎上制出零件上的3个5.2mm定位孔，后续化铣厂化铣中共同使用这3个孔。但在实际使用中3个定位孔经常不协调，需要反复返修工装或者锉修定位孔来解决此问题。图2改造前技术人员为了从根本上解决此问题，取消了3个5.2mm定位孔作为前后工序传承定位的方案，改用零件上2个直径8mm的装配孔来定位。这一方案技术人员已经认识到原来方案定位多的弊端，但还是没有将定位多即过定位的问题从根本上解决。并且此方案统一了零件制造厂、化铣厂、装配厂的定位问题，3家统一使用2个8mm的装配孔来定位，减少了累计误差、降低了协调难度。经过改进后，零件制造协调问题较之前有所减少。而冬季来临后我们使用的工装因为材质原因以及存放温度低等综合因素，导致不同工序使用的制造工装之间定位孔再次协调不上，工装大量返修，严重影响生产周期。最终，我们按照零件空间自由度的思路来解决这个问题。零件在工装上定位，在一个8mm孔定位后，加上工装型面的约束零件就只剩下半个自由度了，零件只能在工装型面上绕8mm的销做微小的转动。我们的做法是在零件上制2个8mm孔，后续工序工装上我们将其中一个孔做成长圆孔形式。具体是两孔中心连线，长圆孔长轴与连线重合。此方法解决了过定位问题，各工装之间不协调问题彻底解决，如图3所示。图3改造后AUK机翼前缘项目AUK机翼前缘项目的钣金零件D574-49200-200/201（俗称小背心），外形如图4示。8厂拉深成形后，由11厂进行外形铣切工序。之前11厂在铣切夹具上的定位是：将零件置于全型面定位胎上，然后插上两个圆柱销，结果经常发生销子插不进去的现象。核查8厂零件的形状、孔位均无问题，符合8厂的工装。图4AUK机翼前缘项目钣金零件外形图究其原因是铣切夹具上过定位导致的。采取的处理办法是这样的：取消两个定位圆孔中的一个，把另一个改为长圆孔，即采用了上述曲面常见的定位方式，问题完全得到解决。其实还有一个缺陷，就是铣切夹具上的定位胎不应当是全型面的，在后续的改进中我们将铣切夹具型面改为点接触，其余部位做0.5mm躲避处理。ARJ项目的钣金零件ARJ项目的钣金零件553A6200-020-003是一个化铣件，形状是马鞍曲面形（图5），化铣样板与零件外形相同。在42厂化铣刻型前要将化铣样板与零件定位在一起。按目前大家的理解，其需要少则3、4个，多则6、7个定位孔来定位。此类零件的特殊性就在于零件和样板定位后的夹紧比较困难，正巧在这个类型零件中，借助于钣金件可变形性和其弹性，在多个孔上插销子可很好地起到夹紧作用，但由于这种钣金件成形后的状态粗糙，其上又有6、7个定位孔，所以孔位实在很难准确协调。在定位时，往往出现销钉插不上的现象，或勉强插上之后样板或零件贴附不好局部起鼓。这是一个典型的过定位现象，让正常误差积累最终集中在了化铣件定位环节。之所以过定位，是由于化铣定位中存在错误概念，把起夹紧作用的孔当成定位孔，依此概念要求在零件上制出7个定位孔。图5马鞍曲面形按照理论概念，这种情况下的定位，无论定位孔设置在马鞍顶部，或在马鞍侧面，只能用一个长圆孔来定位。鉴于中大型蒙皮类形状粗糙，样板形状也比较粗糙，勉强在顶部最多只能用两个圆孔来定位，这时约束已经大于6个了，而其余孔只能用作固定夹紧使用，可以为夹紧作用的孔定制一系列的小销子，只要能插进固定即可。结束语蒙皮制造是航空制造中比较复杂的一类制造技术。因其制造成本高、外形复杂、工序