飞机结构铆接装配中机械加工零件的公差确定

李科，县喜龙

（中航天水飞机工业有限责任公司，甘肃天水，741025）

引言

由于飞机是通过空气动力学原理进行飞行，飞机外形直接影响到整个飞机的性能［1］。上个世纪由于机械加工行业整体水平较低，飞机所有零件只能通过车钳铣等普通工序完成加工，由于飞机结构的特殊性许多结构复杂尤其是带有曲面外形的零件通过普通的工序难以达到设计要求的外形参数，钣金零件是组成飞机机体的主要部分，尤其是二代机以前的飞机多采用钣金零件，整个飞机中钣金零件数量占到整机零件的70%左右。进入二十一世纪随着加工设备的变革，出现了加工中心，五轴加工中心等先进的加工设备，通过先进的加工设备可以实现在线加工进而解决了复杂薄壁类零件的加工问题［2-4］，且由于技术的成熟，通过铣削加工的薄壁类零件已应用到工程实际［5-7］。在一些重要的关键承力结构中采用机械加工零件代替了传统的钣金零件，这样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，而且重量上机械加工零件并不比钣金零件重，且较好的制造精度减少了装配铆接的难度，有效保证了飞机的外形曲面尺寸。

1 飞机装配质量要求

在飞机制造领域，为了保证飞机的飞行性能，设计时对零部件间的间隙和阶差都提出了具体要求［8］。由于飞机零部件尺寸大，钣金件和符合材料零件易变形，结构形状和装配关系复杂，导致由多个零件装配而成的部件之间的间隙和阶差经常超出设计容限，影响飞机质量和生产效率［9］。本文以某型飞机的一横梁在U型框的装配为例，如图1。通过对典型的间隙、阶差超差进行分析，总结造成间隙、阶差超差的主要原因，并提出解决间隙及阶差问题的系统思路及指导方法。

图1 横梁装配图Fig.1 Crossbeam Assembly Drawing

2 装配方法

零件在二代机中多采用钣金零件通过在铆接过程中的校形可以很好的保证飞机理论外形，如图2。此部件为飞机主要部位，承受一定的压力，将钣金零件改为机械加工零件可增加部件整体的强度。零件外表面为曲面时，通过设计下陷与框进行铆接可保证飞机理论外形。装配过程中横梁和带板与框的内表面贴合铆接到一起，如图3，横梁的非下陷区和框外表面形成一个曲面，飞机蒙皮与该面贴合铆接，其中要求横梁非下陷区域与框外表面保持在一个面内，这样才能保证蒙皮与横梁和框铆接的过程中保证蒙皮理论外形，并且使外蒙皮表面光滑无下陷地方。

图2 横梁装配零件Fig.2 Beam Assembly Parts

图3 横梁与框连接示意图Fig.3 Sketch of Connection Between Beam and Frame

3 机械加工零件在装配过程中的问题

在设计过程中对下陷区域没有公差规定，所以装配过程中很容易出现间隙和阶差超差现象。

由于该零件较为复杂，且为薄壁零件，检验人员检测的尺寸如图4所示壁厚（2mm）和宽度（90mm和96mm），设计规定壁厚和宽度公差按照HB5800-1999执行，通过查阅标准可知2mm的公差为±0.12 mm，90mm和96mm的公差为±0.43mm。在零件生产过程中工人为了保证零件合格率防止出现失误造成零件报废，在加工过程中始终按照上差进行加工，即宽度为90.47mm和96.47mm壁厚为2.12mm。采用这种方法当宽度超差时可以通过挫修壁厚而且还能保证宽度尺寸在公差范围内，同样当壁厚超差时可以挫修壁厚来保证零件的合格。这种方法在现在的航空制造业中普遍存在，单纯对于零件加工而言这样的加工方法没有错误，通过这样的方法生产的零件都能符合设计要求。

图4 横梁检测尺寸Fig.4 Inspection Size of Cross Beam

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搓修，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机械加工零件挫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；

（2）通过挫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；

（3）在搓修过多时会严重影响零件的强度；

（4）搓修会损害零件的表面处理。

图5 横梁与框装配示意图Fig.5 Assembly Sketch of Cross Beam and Frame

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无法预计的，只有在装配完工后可能出现，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。

4 零件二次公差分配

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通过添加可薄垫片填充。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。

图6 横梁加工示意图Fig.6 Sketch of Crossbeam Machining

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与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。

5 结束语

通过上述分析，飞机铆接装配中机械加工零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，并取正差以避免搓修；

（3）使下陷外形尺寸作为闭环尺寸可以不做控制。

通过对机械加工零件尺寸公差的分配，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。