航空机加件设计流程研究

赵彩霞

摘  要：文章通过对航空（飞机）结构设计中机加件的设计过程的研究，把机加件设计的流程分为三个阶段，即初步设计阶段、详细设计阶段及三维标注阶段，并对每个阶段的内容进行了详细的说明，同时还总结了设计要点。此流程为设计员在该方面的设计工作提供了宝贵经验。

关键词：飞机;机加件;设计;流程

中图分类号：VTP391.7   文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）35-0005-02

在航空产品中零件的种类很多，按加工制造方法分为机加件、钣金件、焊接件、铸件及复合材料件等，其中机加件在飞机的零件中占有一定的比例。常见的机加件有整体壁板、大梁、加强肋、重要接头、摇臂等。

本文通过本人参加的几个飞机型号的结构设计任务，对机加件的设计经验进行了归纳、总结，整理出了机加件的设计流程，为设计员在进行机加件设计时提供参考资料。

1  机加件设计的基本要求

飞机零件设计是飞机结构设计中很重要的工作，以工作量而言，零件设计工作占飞机结构设计工作一半以上。零件设计基本要求有四个方面：

①满足强度和刚度要求;

②长寿命和高可靠性;

③尽可能减轻零件重量;

④良好的使用性、工艺性和经济性。

显然，这些要求可能是彼此矛盾和相互制约的，就某一具体零件来说，不可能同时满足，因此需要设计员针对具体零件进行认真分析，权衡利弊，在保证其性能要求的前提下力求尽量满足要求。

2  机加件的设计流程图

机加零件设计分为三个阶段，即初步设计阶段、详细设计阶段及三维标注阶段。按照此三个阶段，机加件设计的流程图，如图1所示。

3  初步设计阶段

在开始进行零件设计时需要给出输入条件，包括外形设计基准、承力构件基准、强度分析报告、优化设计结果。总体室会提供外形设计基准，即理论外形数模，包括外形曲面、框平面、长桁轴线、梁平面等及重要承力构件的基准等，根据理论外形数模确定该机加件在飞机坐标系下的具体位置。强度室会提供初步强度分析报告，根据该零件的受力大小初步确定零件的材料及厚度。根据初步优化设计结果确定零件的形状、轮廓尺寸和截面形状。

3.1  确定零件的材料

根据该零件在机身的位置及受力情况选择合适的材料，在选择材料时要考虑比强度、比刚度及抗疲劳断裂性能。此外，还要兼顾环境稳定性、耐腐蚀等。对运动零件应考虑耐磨性。

3.2  确定零件的截面形状

根据零件所受载荷的类型和装配协调的实际情况，可选用Γ、Τ、ㄈ、工、Л、O、□形。

受轴力的长杆形零件宜选用Γ、Τ形截面;承受弯距的梁宜选用ㄈ、工形截面;承扭的梁宜选用O、□形截面;而一般的接头支座宜选用ㄈ、Л形截面。零件的截面尺寸应根据载荷大小进行等强度设计，以减轻重量。

3.3  确定零件的腹板和缘条厚度

考虑工艺制造，机加零件腹板厚度按腹板面积大小确定最小腹板厚度。通常按照缘条的高度确定缘条的厚度。除下陷区外，机加框、梁零件，尤其是加强框的缘条均按均匀厚度设计，不允许出现台阶。

3.4  阶段总述

零件完成初步设计后提交给强度进行初步计算，如果满足初步设计要求，则进入详细设计阶段，如果不满足则进行修改直到满足设计要求。

4  详细设计阶段

零件完成初步设计后就进入详细设计阶段，此阶段工作量较大，需要确定很多尺寸。

4.1  筋  条

为了增加稳定性，在框零件的腹板上需要加筋条。加筋条时，为了保证传力直接，一般应在应力集中传递方向上加筋条。建议筋条高度和筋条厚度之比不大于10。

4.2  孔边凸台

在腹板上需要开孔时，孔缘必须局部加强，以降低孔周围的应力水平，最好采用对称的腹板凸台来消除偏心。

4.3  下  陷

当零件与其他零件相配合存在阶差，或为补偿由于偏心传力而产生的局部弯曲，或为了方便工艺时，需要在零件上增加下陷。机加零件的下陷与钣金零件的下陷不同，钣金零件的下陷通常是等厚度而机加件下陷则采用局部加厚。下陷的深度与相配合零件的厚度相同。根据排布紧固件的个数及间距和边距确定下陷长度。

4.4  零件开孔

零件上开孔的位置应尽量交错排列，以避免对零件截面削弱过大，但在静强度许可时，紧固件孔宜采用双排或三排平行排列，以降低孔边应力集中。

4.5  转角半径

转角半径应尽量统一，以减少道具种类和加工工序。一般情况下，钛合金机加件的转角半径选为R8，钢制机加件的转角半径选为R8，铝合金机加件的转角半径选为R6。为特殊考虑连接或疲劳细节设计的情况，可以适当减小或加大转角半径。

4.6  设计要点

①零件上力的传递路线力求最直接、最短，去掉不增加强度的多余材料;

②应尽可能用直线、平面或直线母线的旋转体来设计零件形状，以方便加工;

③结合面选择应合适，尽量减少和缩小基准面和精加工面;

④尽量考虑用外部加工表面代替内部加工表面，特别是起落架、作动筒等深孔零件。

4.7  阶段总述

当零件完成详细设计后，强度部门进行第二轮强度计算;工艺部门介入，进行工艺审查;计算零件的重量，检验零件是否超重。以上的工作完成后反馈给设计，如有问题，对零件进行修正，直到满足详细设计要求，之后进入三维标注阶段。

5  三维标注阶段

随着科技水平的提高，设计进入无纸化阶段，零件的所有信息都由数模传递，而不用绘制二维工程图纸。因此，零件的技术要求等与加工有关的信息都在数模中完成，也就是要对零件进行三维标注。三维标注的内容有以下几个方面。

5.1  尺寸公差

除非特别规定，零件的一般尺寸公差按HB5800-1999执行。对于加强框的缘条、筋条和腹板，需要特殊标注的，建议按正负差给出，一般缘条公差±0.2 mm，腹板公差±0.15 mm。

5.2  形位公差

形位公差包括同轴度、垂直度和平行度、位置度等，以满足零件装配协调关系。选用的形位公差等级原则上应与尺寸公差等级相适应，重要零件或配合要求高的部位选用6～7级，一般零件选用8～9级，无配合或配合要求不高的部位选用12级。

5.3  表面粗糙度

对于关键件或重要件，圆角处或耳片外表面及耳孔处一般要求表面粗糙度小于Ra1.6，其他部位要求Ra3.2。与配合公差相适应的表面粗糙度及其级别的适用范围参见《飞机设计手册》第10册。

5.4  轧制方向或纤维方向

由于材料的纵、横方向在力学性能上有一定差异，板材的轧制方向或锻件的纤维方向比其他方向强度高一些，因此应使零件的主受力方向与板材的轧制方向或锻件的纤维方向一致。

5.5  工艺定位孔

工艺定位孔是机械加工和装配时用于固定零件的孔，一般需与工艺人员协商统一确定位置，并最好与系统通孔共用。

5.6  热处理

零件在完成机械加工后一般应进行热处理以消除加工应力并提高零件的力学性能，所以在零件三维标注上要标出热处理要求，按照所选的材料选择合适的热处理，并注明热处理检验的类别以及σb值。

5.7  表面处理

表面处理能使零件表面具有一些特殊性能，如电镀、涂层等，达到控制腐蚀或耐磨、耐热等目的。根据零件的材料及表面处理的目的选择不同的表面处理方法。

5.8  无损检验

零件加工完成后要对零件的表面、内部缺陷或组织不均匀等进行检查，常用的方法是无损检验。根据零件的材料和使用部位、功能等选择合适的无损检验方法及检验类别。

5.9  阶段总述

完成零件的三维标注后基本就完成了零件的设计，然后进行标准化审查、校对和审核，如有问题返给设计员进行修改;如符合发图要求，则经过批准后发放零件数模到生产车间进行制造。至此，机加件的设计流程也就全部结束。

6  结  论

综上，本文绘制了完整的机加件设计流程图，并对流程图内的步骤进行了详细的说明，还总结了零件的设计要点。该流程图有助于设计员完成机加件的设计任务，使他们少走弯路，快速掌握机加件的设计技巧，设计出符合功能要求、工艺性良好、成本低、重量轻的零件。

参考文献：

[1] 《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册第10册“ 结构设计”[M].北   京：航空工业出版社，2002.

[2] 《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册第9册“载荷、强度和刚度”

[M].北京：航空工业出版社，2002.