统计公差技术在航空制造中的应用

黄宁　徐智峰　张睿　薛允成　白继鹏

摘要：统计公差应用是采用统计方法处理公差与误差的问题，其内容包含尺寸链与运动链的误差与公差的计算，并在一定程度上涉及误差理论、质量控制、工件的统计测量和检验。航空制造领域应用统计公差及其技术可以有效解决容差分配过程中关键变量无法确认，合格率无法判断的问题，提高飞机设计和装配方案的鲁棒性，是航空制造正向设计不可或缺的核心工具。

关键词：容差;尺寸链;装配

1 统计公差技术

产品的物理性能主要由材料和几何尺寸决定，其中几何尺寸在制造装配环节产生，是飞机装配的主要工作。几何尺寸的设计和制造依据产品几何技术规范（简称GPS）执行，GPS是一套完整的几何参数标准体系。它不仅是为达到产品功能要求所必须遵守的技术依据和产品信息传递与交换的基础标准，而且是进行产品合格评定和技术交流的重要工具，也是签订生产合约、承诺质量保证的重要基础。统计公差是产品几何技术规范的一个重要组成部分，其在传统公差概念基础上增加了分布的概念，利用统计学原理在生产过程中应用统计过程控制技术（SPC），获取样本数据计算制造过程能力指数，用于产品质量预测，同时能及时发现质量异常波动，消除质量隐患，节约生产成本。

统计公差的概念可以从广义和狭义两个方面做出解释：“广义的统计公差是指出统计方法处理公差与误差的问题，其内容包含尺寸链与运动链的误差与公差的计算，并在一定程度上涉及误差理论、质量控制、工件的统计测量和检验。狭义的统计公差是指同统计方法计算尺寸公差，其内容主要是尺寸链公差的计算”。本文主要站在工程技术人员的角度从狭义概念开展讨论统计公差技术在航空制造中应用的必要性、关键流程和案例分享。

2  必要性分析

在执行尺寸链计算过程中，有2种不同的基本分析方法预测装配体上的偏差： 极值分析方法和统计分析方法。 下文从两种方法的适应范围来论证统计公差应用的必要性。

2.1极值公差分析

极值公差分析是传统类型的公差分析方法，单个尺寸或特征在他们允许公差的极限位置，这样使测量尺寸值尽可能处于最大状态或最小状态。极值公差模型不考虑单个尺寸的分布，而是那些尺寸不超出他们各自定义的公差极限，即预测了测量尺寸的最大偏差值。极值公差分析保证了零件100%的满足装配系统和性能的要求，并没有考虑实际零件尺寸的偏差和总体的关系，主要缺点是每个零件有非常紧的公差分配，导致昂贵的加工成本和检查成本，产生很高的零件废品率。仅适用于完全互换部位，如翼面交点、成品装配孔等。

2.2统计公差分析

随着新一代飞机设计指标的逐步提高，对飞机制造技术水平也提出了更高的要求。设计指标的提高主要体现在对外形的型值、对缝阶差和间隙上。当按极值法分配容差时，超出制造能力范圍，考虑到外形零件特征通常无需完全互换，在极值法不能满足要求时，应用统计公差分析能保证适当地增加零件的公差，以较低的制造费用生产出可以接受的装配产品合格率。统计偏差分析模型利用统计原理适当的放大公差分配，无需牺牲质量，当零件的偏差满足统计分布，具备统计偏差信息时，用这些分布的叠加预测装配体测量尺寸的分布.

因此，统计偏差技术应用的必要性体现在分析预测所要描述装配偏差的分布，不是装配偏差的极值，这个分析模型添加了设计灵活性，允许设计和工艺人员基于任何质量层次进行设计，而不是要保证每个零件100%地满足要求。通过应用统计公差技术获取经济合理的容差分配方案，并利用SPC技术跟踪实际公差分布情况，减少产品异常波动，控制成本的同时获取较高的合格率，是新一代飞机外形控制容差分配的必备方法。

3  统计公差技术的应用条件

统计公差技术在航空装配制造中的应用与GB/Z24636系列标准规定的应用条件并不完全相同，相同点是：

1）配合精度要求高而按极值法分配给各组成环的公差过于苛刻甚至不可能实现;

2）希望各组成环公差可以比极值法分配更经济;

3）组成环较多（≥4）;

4）基于广义统计公差概念，统计公差技术为设计/制造/质量并行设计和综合改进提供一个定量分析的平台。

不同点是航空制造行业是非完全受控状态下的少量生产，而一般制造业是在完全受控状态下的批量生产中才应用统计公差，原因是统计公差的参数是从大量的可靠样本中计算得来的。那么航空制造业要想应用统计公差技术，必然要解决样本量的问题，该问题经过分析可从如下方面解决：

1）正向尺寸链仿真分析，确定敏感参数;

2）类比法获取参考样本，提高分布假设准确性;

3）基于数字化测量的过程能力参数采集，优化迭代分析准确度;

4）基于尺寸链模型的公差动态调整，即前馈控制。

5）加强生产过程管理，减少质量波动异常因素的产生，使质量特性符合正态分布。

4 结论

通过采用统计公差技术，在产品并行阶段实现复杂尺寸链目标累积偏差的准确预测，并识别出对目标值影响大的公差和敏感度高的变量，可以有效采取改进和控制措施，提高装配设计鲁棒性。可以说统计偏差技术是航空制造业正向设计阶段不可或缺的核心工具，也是飞机设计改进的依据之一。统计公差技术与数字化测量技术的结合，将实现整个装配设计的闭环控制，可有效实现航空产品制造优化迭代，为智能制造和精益制造奠定基础。

参考文献

[1]张宇，统计公差标准分析、解读和应用，2012.5