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中国民用航空工艺装备发展报告(一)

2019/3/4        作者:吕家兴  赵会善      
关键字:民用航空  标准工艺装备  制造数据集  PDR  CDR  FDR  
欧美航空产业是高科技及人才荟萃的领域。其取得的丰硕成果,离不开先进的航空工程设计技术,更离不开航空工艺装备设计制造技术的进步。

    关键词及术语解释

    标准工艺装备:用于协调、制造其它工艺装备的依据,如标准样件、标准量规、标准模型、结合样板、辅助量规、标准控制图和赋予总体或部分协调制造信息的数学模型(也称数字化标准工艺装备,可视为制造数据集的一种)。

    工艺装备:用于制造、装配及安装产品所使用的工艺装备,如型架、精加工台、模具、型胎、钻模、铣切夹具、组合夹具、检验夹具、地面设备和试验设备等。包括生产最终产品的装配工装、检验夹具和吊运设备。

    制造数据集:制造数据集是数据的集合,是工程制造部门设计的结果,是在工程数据集基础上,按照零件、部件制造工艺要求,添加了各种工艺制造信息,可以直接作为工艺装备设计、制造的依据;作为零部件的加工与检验依据的集成产品信息的数学模型。

    工艺装备概念设计及评审(PDR):完成总设计工作量的25%,总体方案初具形态。评审内容包括:工装功能说明;工程展示(双点划线和零件编号);定位特性和方法(零件怎样或在哪里定位);工装协调说明(如何与配合工装或量规协调使用);工装使用说明(讨论如何使用工装和最初使用说明);A/P定位(轴,方向箭头,坐标标签);关键特性(如果适用);工装申请单中的技术要求;检验点的设定(如适用);互替换项确定(如适用);运输形式及运输过程中涉及的法律法规。

    工艺装备关键设计及评审(CDR):完成总设计工作量的90%,总体结构趋于完整。评审内容:工艺装备概念设计评审的全部内容;图纸定义(DBD)设计强制要求2D图纸,或者模型定义(MBD)设计的注释层;材料选定;尺寸标注;指定采购确认;完成应力分析;注释标注;工装公差应用;所有注释和尺寸使用英语和英寸(按客户要求);出口规定说明(如适用);考虑水平和垂直要求(按客户要求);工程授权数据集(如适用);工装设计考虑防错;材料、成品的选用经济合理;制造工艺性好,便于加工;尽量选用各种标准件、成品件;积极采用可靠的新工艺、新技术、新结构;符合国家机械制图标准、技术标准、公司现行的企业技术标准及顾客的特殊要求;基准的选择要达到工艺基准和设计基准的统一;需要用标工(量规、样件等)作为协调依据的生产工装,应在工装图样上标明该工装的协调依据;工装图样上应该标出必需的基准线、基准面、工具球号或测量点等基准,以便于工装制造和定期检验;工装设计应对工装标识、表面涂饰等要求做出规定;运输形式及运输过程中涉及的法律法规。

    工艺装备最终设计及评审(FDR):完成总设计工作量的100%,总体结构完整。所有PDR和CDR阶段划红线和需要的更改已贯彻合并;完成工装使用说明;验证载荷图;所有工程发放和记录;运输形式及运输过程中涉及的法律法规。

    导言

    人类科技发展进入工业化以来,已历经三次工业革命,正处于第四次工业革命。世界工业发展的历史犹在眼前,欧美科学技术、工程技术长年积累的底蕴使其工业发展速度、更新换代极快。欧美航空产业是高科技及人才荟萃的领域。其取得的丰硕成果,离不开先进的航空工程设计技术,更离不开航空工艺装备设计制造技术的进步。欧美航空制造业对其研发、管理、技术的投入几十年来有增无减,增加体量、加大投入、提升效率、保证质量是其企业生存、产业升级的根本。例如波音公司研发投产B777机型,外人看来是一场豪赌,其实是波音公司对自己的研发水平、工艺装备设计制造水平、航空市场需求等进行了全方位地评估后做出的正确决策。

    企业发展靠决策,决策出台靠数据,数据来源靠采集。人工采集数据受人为因素影响较大,但却是必需做的前期工作。自动采集数据的优点是快速、准确、易于分析、处理,信息化就是为此而生。所以工业化与信息化的有机结合,形成网络平台,通过衍生数据、制造数据驱动网络平台,才能发挥产业链、供应链的集成优势。从下图1来看,智能化是第四次工业革命(或工业4.0)的最终趋势。

    被称为工业之花的航空工业充分集成了目前世界上最为前沿的新技术、新材料、新工艺。自

历次工业革命简介及方式

图1 历次工业革命简介及方式

    第二次世界大战以后,欧美发达国家飞机制造业一直占据大国构建战略性产业的主导地位。其完善的工艺装备供应商管理体系,从飞机制造业的一级供应商层层深入到二、三级供应商,其信息化程度可见一斑。这类企业单独年产值可达3亿美元左右。    

    进入二十一世纪,以大型客机C919等为代表的中国航空工业获得了巨大发展。参与大型飞机项目工艺装备研发、设计、制造的国内相关民营企业也在这一发展过程中受益,并且提升了中国民营企业经营、管理、设计、制造水平,不仅夯实了中国民营经济基础也极大促进了国民经济发展。随着未来中国航空工业的持续发展,不仅自身规模庞大,管理、技术水平先进,其带动效应也将随之增强,相关配套民营企业也必将随之发展壮大。

    表1是2008年至2018年中国民用航空工艺装备产值统计数据。

表1 国内民用航空工艺装备产值数据表(单位:亿元)

国内民用航空工艺装备产值数据表

    基于以上的阐述及分析,本文后续将着重介绍中国民用航空工艺装备技术历史、现状及发展并预测中国民用航空工艺装备领域发展结构模式及市场形势。

    第一章 国内航空工艺装备历史

    飞机制造过程中,尺寸、形状的协调传递过程,可以分为两种方式:模拟量协调方法和数字量协调方法。

    一 模拟量协调方法

    1 模线样板协调法

    以平面模线(明胶板/钢板晒相或明胶板打印)及外检样板作为原始依据,以样板为协调依据,通过其上的基准(站位、孔位等),确立零部件立体的几何关系,以完成工艺装备制造。此种方法协调路线短且简单,样板结构简单易加工,可与工艺装备设计并行,生产周期较短,经济性好。但对于形状复杂的曲面,易出现不协调,积累误差较大。

    2 标准样件协调法

    以立体型的零、部件(包括零、部件实物,上机验证合格后作为依据)外形表面标准样件作为外形协调的原始依据,以各类标准样件作为主要的移形工具,协调制造有关零、部件的工艺装备。立体移形(包括对合接头)属联系制造方法。各控制截面和接头的空间位置由样件保证,减少了尺寸、形状移制的转换环节,提高了协调精度。特别有利于工艺装备的复制和检修。但此类方法工作量大、费用高、不利于交叉作业,生产准备周期长,保存需要大面积恒温恒湿库房。

    这种方法主要解决飞机复杂外形的设计和系统结构的空间协调。该方法可以提高飞机几何设计的可靠性。适用于结构和系统复杂,难以在工程图和平面模线上确定的飞机部件和部位。用于复杂、协调准确度要求高的工艺装备,有利于保证产品互换性。

    3 模线样板-局部样件协调法

    此是一种从整体上来说采用尺寸控制而在局部采用标准工装进行协调的方法。以采用模线样板为主,对一些外形曲率变化大的部位或交点采用局部标准工装协调制造工艺装备,同时利用机械坐标系统和光学坐标系统建立空间关系,以控制产品的几何精度。这是在型架装配机和光学工具法基础上采用的一种方法。它集中了模线样板工作法和标准样件工作法的优点,解决了大型工装的制造问题。这种方法既抓住了协调的重点,又有利于平行作业,其经济性优于标准样件工作法。

    这是上世纪七、八、九十年代国内普遍采用的方法,可根据飞机各部位的不同结构特点,不同的制造精度和协调精度要求,不同的设备条件以及不同的生产性质、规模等来灵活选用。

    二 设计基本要求

    工艺装备基本设计依据:工程图纸、模线、样板、标准工装、实样、其它协调技术文件等。

    1 设计基准

    工艺装备设计基准应力求与产品基准一致;只有当工艺上有要求,并有利于提高工艺装备的制造精度和协调性时,才可采用不同于产品设计基准的转换基准(必要时需经过尺寸链转换计算满足容差分配相关要求);相邻关键重要零件、部件的设计基准应尽量一致;设计基准、工艺基准、制造基准和检验基准应尽量一致;有方向要求的工艺装备,标明顺逆航向、铺层方向、冲压方向等。

    产品在各相关工艺装备上定位合理、相互协调、压紧可靠、结构简单、操作安全。定位除符合六点定位原则外,对于柔性产品、狭长产品可适当增加定位。

    2 刚度/强度

    为防止在工艺装备使用和运输过程中产生变形,其结构必须具有足够的刚度、强度,同时考虑操作性、安全性、方便性,尽可能减轻重量(便于转运、降低成本)。

    (1)根据产品结构尺寸、形状特点,合理选择工艺装备结构和材料保证其刚度、强度;

    (2)注意局部刚度、强度的加强,特别是重要交点接头、分离面的对接部位、标高板与骨架连接部位、曲率形状急剧变化的狭小部位等。

    (3)由于产品结构形状和尺寸的限制,对于狭长形状、面积大刚度小等类的零部件,其工艺装备可采用“分段”组合结构,或整体置于拥有一定刚性、强度的底板或骨架上。

    3 尺寸稳定性

    工艺装备置于一定的温度、湿度环境,必须具有尺寸稳定性。

    (1)具有焊接结构和锻铸件结构的工艺装备在机加前必须进行时效处理。

    (2)机加本身产生的材料内应力,要求在机加时可靠定位,结束后,不要立即拆卸压紧装置,应根据材料特性保持一定时间,待应力释放后方可进行其它操作。

    (3)为克服温度对结构尺寸稳定性影响,工艺装备本身尽量采用线膨胀系数相近的材料;对于处于高温环境(如热压罐中)使用的工艺装备尽量采用与产品材料线膨胀系数接近的材料。合理布置结构,如均匀、对称、间隙等。并对工艺装备使用、存放环境温度做出相应规定。

    以上三点要求可以总结为可靠性、工艺性、经济性、安全性。特殊要求特殊处理,如防静电要求等。

责任编辑:张瑾
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