飞机薄壁结构件数控加工重量误差控制研究

　　近年来，随着航空制造业的大力发展，大量新机型开展研制工作。在飞机研制过程中，飞机重量是影响飞行性能、操稳、强度等的依据，直接影响飞机的飞行性能和飞行品质，不论是处于飞机研制方案论证、打样设计、详细设计，还是生产试制、试飞排故阶段，重量控制均处于重要地位。薄壁结构件是目前飞机大型结构件的主要类型，由于其尺寸精度要求高，公差范围小，对零件的重量控制要求则更高。

　　从生产实践中发现，通常新机研制过程中通过数控加工的飞机薄壁结构件经常出现重量超大的问题，导致大量零件返工，而且返工基本上不可能重新再用数控机床进行，只能通过钳工手工打磨保证，对零件的尺寸精度，尤其是外形尺寸精度造成了极大的影响，质量隐患严重。由于超重问题原因的不确定性和多样性，因此往往要反复进行技术复查以找出超重原因，给产品研制及生产交付进度等带来极大压力。为此，对飞机薄壁结构件数控加工超重问题进行了系统性分析，找出导致问题的主要因素及有效的控制方法是很有必要的。

　　基于重量特征的航空结构件特点

　　随着现代设计水平和制造能力的提高，飞机设计已广泛地采用了整体薄壁结构件，如飞机的大框、大梁等普遍采用整体化结构设计，这对飞机制造产生了深远的影响，不仅大幅减少了飞机结构件数量和装配焊接工序，同时也有效减轻了飞机整机重量，提高了零件强度和可靠性，使飞机的制造质量显著提高。

　　由于零件的轻量化，零件的重量容差也不断减小，在满足零件尺寸容差要求的情况下还要满足重量容差要求，对加工的精度要求更加严格，一个稍微大型的零件动辄上百甚至上千个尺寸，即便所有的尺寸都在公差范围内，但尺寸误差的积累叠加效应也完全有可能导致零件的重量超差，因此，零件加工出的实际尺寸只有在越接近名义尺寸的情况下才能有效的保证重量在公差范围内。从零件结构类型看，主要包括框、梁、肋、壁板、接头等典型类别，虽然各类零件结构形式各不相同，但它们均由一些典型特征构成，这些特征是构成零件的基本单元，特征尺寸是零件整体结构尺寸的基本构成，而从重量的角度来看，这些特征也成为零件重量构成的基本要素，总体上讲，对航空薄壁结构件重量影响较大的主要特征可分为腹板、轮廓、转角、闭角残留等几类，如图1 分别用不同颜色所表示。

图1 重量特征构成

　　数控加工重量误差主要原因分析

　　1 重量误差值构成分析

　　由于制造公差导致零件的实际尺寸与理论尺寸必然存在差异，则零件的实际重量与理论重量间也必然存在一定的差异，其重量误差如公式（1）所示。R =Ma -Mt ， （1）其中，R 为零件重量误差；Ma 为零件实际重量；Mt 为零件理论重量。

　　根据本文前述提到的重量的特征构成，如果细化到零件特征上，将零件重量误差分解到几类主要特征单元，其各个特征的整个零件的实测重量误差与重量误差之和应该是相同的。为了进行验证并找到一定规律，从生产现场跟踪并随机抽取了13 项零件进行实测记录和各项特征重量误差换算，结果如表1 所示。表1 中零件实测重量误差与各项特征重量误差之间的对比关系结果见图2 所示。

表1 零件重量误差汇总记录表

图2 零件重量误差对比图

　　通过实测零件进行统计分析发现，绝大多数零件的实际重量误差均为正值，即零件实际重量超过了理论重量，而分析各个特征的重量误差及其总和发现，各个特征也基本上都为正值误差且其总和与零件的实测重量误差比较接近，且二者变化趋势也基本吻合（如图2 所示），因此，可以得到下面的关系式：

　　R ≈R l + R f + R b + R z ， （ 2）其中，在上述等式中：R 为零件重量误差；R l 为轮廓重量误差，指筋缘条实际厚度与理论厚度差异引起的重量变化；R f 为腹板重量误差，指腹板实际厚度与理论厚度差异引起的重量变化；R b 为闭角残留重量误差，指由于闭角结构导致底角处无法完全加工到位的残余重量；R z 为转角重量误差，指小直径刀具补加工转角时侧面留余量引起的残余重量。