飞机装配技术

第1章　绪论 　　飞机是指具有一具或多具发动机的动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的航空器。飞机自20世纪初问世，开启了人类征服蓝天的历史，深刻地改变和影响了人们的生活，目前已经成为服务人类生活的必需品和捍卫国家安全的重要武器装备。 　　飞机集各类高精尖技术于一体，被誉为“现代工业之花”。以飞机为主要产品的航空工业，作为带动国民经济相关的支柱产业，带动了其他高新技术特别是高新制造技术的飞速发展。因此，飞机制造已经成为一个国家制造业的核心和衡量一个国家是否为“制造强国”的重要标志以及国家竞争力的制高点。 　　由于飞机产品的特点，飞机与一般机械产品相比，虽然其具有一般机械产品的共性，但其研制过程有着鲜明的区别。体现*明显的一点就是，装配成为飞机制造中*为重要的环节。飞机装配技术难度大、涉及面广，既有鲜明的工程问题导向，又蕴含着跨学科的基础科学问题，值得作为一门学问重点讨论。 　　本章主要介绍飞机装配的内涵和特点，使读者对飞机装配的主要内容有系统的了解，同时对飞机装配技术的发展历程有初步的认知。 　　1.1　飞机装配的内涵 　　本节先阐述广义制造业内装配的内涵以及装配技术的发展历程。 　　装配是所有产品制造过程中的一个重要环节，直接影响产品性能和可靠性。据统计，在现代制造中，装配工作量占整个产品研制工作量的20%～70%，装配时间占整个产品制造时间的30%～40%。 　　装配技术是随着产品质量的要求不断提高和生产批量不断增大而发展起来的。机械制造业发展初期，加工和装配没有分开，相互配合的零件都实行“配作”，装配多用锉、磨、修刮、锤击和拧紧螺钉等操作，使零件配合和连接起来。如果某零件不能与其他零件配合，就必须先在已加工的零件中寻找适合的零件或者对其进行再加工，然后进行装配，因此生产效率很低。 　　18世纪末期，随着产品批量增大，加工质量提高，互换性生产提上日程。1789年，美国惠特尼公司制造了1万支具有可以互换零件的滑膛枪，依靠专门工具使不熟练的工人也能从事装配工作，工时大为缩短，从一年生产500支跨越到近1万支。可互换零件概念并不是惠特尼提出的，考古发现，秦国弓弩的悬刀弩牙（扳机和钩弦）已经实现了批量生产和可交换。1760年，法国“炮兵之父”格里博瓦尔提出了火炮标准化和零件可交换。惠特尼的贡献为推广了可交换零件概念，使可交换零件和大批量生产的概念深入人心，启发了后来的美国枪械制造业。 　　*早的公差制度出现在1902年英国Newall公司制定的尺寸公差“极限表”，1906年英国出现了公差国家标准。公差和互换性的出现使得零件的加工及装配可以分开，并且这两项工作可以在不同的工厂或不同的地点进行。19世纪初至中叶，互换性装配逐步推广到武器、纺织机械和汽车等产品，互换性所带来的装配技术的一个重大进步是美国福特汽车公司提出的“装配线”。20世纪初，美国福特汽车公司首先建立了采用运输带的移动式汽车装配线，将不同地点生产的零件以物流供给的方式集中在一个地方，在生产线上进行*终产品的装配，同时将工序细分，在各工序上实行专业化装配操作，使装配周期缩短了约90%，大幅降低了生产成本。 　　互换性生产和移动式装配线的出现及发展，为在大批量生产中采用自动化装配开辟了道路。国外在20世纪50年代开始发展自动化装配技术，在60年代发展自动装配机和自动装配线，在70年代机器人开始应用于产品装配。 　　长期以来，机械加工与装配技术的发展并不平衡。一方面，装配工艺装备（工装）与机械加工用的机床等工艺装备不同，它是一种特殊的机械，通常是为特定的产品装配而设计和制造的，因此具有较高的开发成本和较长的开发周期，在使用中柔性也较差，导致装配工艺类装备的发展滞后于机械加工工艺类装备；另一方面，装配具有系统集成和复杂性特征，产品装配性能是指受装配环节影响的部分产品性能，通常装配不仅要保证产品的几何装配性能，还要保证产品的物理装配性能，装配问题的复杂性导致与机械加工工艺类装备相比，装配工艺类装备基础研究进展方面也相对滞后。 　　通常，产品的性能是由设计、加工与装配等环节共同保证的，其中装配对产品性能有很大的影响。在工程中，相同的零部件，若装配工艺不同，则装配后的产品性能可能存在很大的差异。装配质量较差时，即使有高质量的零件，也可能出现不合格的产品。同时，装配过程不仅要考虑如何保障产品的初始装配性能，也要考虑如何在产品服役过程中保持产品的装配性能。 　　随着卫星、火箭、飞机、高端数控机床等产品向着复杂化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展，服役环境越来越恶劣化和极限化，装配精度要求越来越高，装调难度越来越大，产品装配性能保障也越来越困难。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Charles指出“装配是*关键的环节”。《机械工程学科发展战略报告（2011～2020）》指出，“随着现代机械系统结构的大型化和复杂化以及服役环境的恶劣化趋势越来越显著，人们对整机工作性能的可靠性和可持续性要求也愈加严格。而超精密加工等技术的发展使得零部件设计与加工精度的一致性得到显著提高，因此，产品整机装配性能的保障正在由*初的设计加工环节逐渐向装配环节转移，相关研究得到了世界各国的广泛关注。” 　　将目光从历史长河的细节提升到全貌不难发现，整个装配技术的发展始终围绕着一个主要矛盾，即相对落后的装配技术和产品不断提高的性能要求之间的矛盾。技术在需求和生产力发展的刺激下不断更新，现在使用的技术绝对不是理所当然从开始就有的，也不会一直用下去。在新一代超精密复杂产品的需求刺激下，装配理论和技术能否发生类似18世纪末革命性的突破，是一个非常有趣的话题。而正在读本书的你，能否在这个重要的历史阶段激起一朵浪花，也是一件非常值得期待的事情。 　　1.1.1　飞机研制的一般流程 　　飞机的研制，从需求的提出到投入使用，需要经历很长的时间，是一项非常复杂的系统工程。简单而言，可以将飞机的研制流程分为下述五个阶段，如图1-1所示。 　　1.拟定技术要求 　　新型飞机的战术技术要求和使用技术要求通常可由飞机设计单位和订货单位协商后共同拟定。技术要求用于确定飞机的主要性能指标、主要使用条件和机载设备等。设计单位必须保证新型飞机能够达到这些技术要求，订货单位则根据这些技术要求验收新型飞机。因此，飞机的技术要求是飞机设计的基本依据。 　　2.飞机设计 　　设计单位根据拟定好的飞机技术要求进行飞机设计。飞机设计一般分为两大部分，即总体设计和结构设计。总体设计的任务是确定飞机的主要参数、基本外形与部位安排，这个过程必须通过仔细地分析、计算和试验，以保证所确定的总体设计能够满足飞机的技术要求。在总体设计的基础上进行飞机各部件的结构设计，对全机结构进行强度计算，完成零构件的详细设计和细节设计，完成结构的全部零构件图纸和部件、组件安装图。 　　3.飞机试制 　　飞机制造厂根据飞机设计单位提供的设计图纸和技术资料进行试制，该过程包括飞机零件制造和飞机装配。在飞机零件制造和飞机装配完成后，装上全部设备、系统和发动机，由飞机制造厂首批（一般称为“0”批，生产2～4架）试制出来的新飞机即可投入全机强度、疲劳和损伤容限的验证试验和试飞。 　　4.试验定型 　　试验定型的任务是检验新型飞机的实际性能是否满足设计要求。与飞机设计阶段的局部性能试验不同，这一阶段的试验是整体性的全部件试验和全机试验。试验样机的试验分为地面试验和试飞（空中试验）两大部分，新型飞机只有在地面试验完全合格后，才能进行试飞。地面试验的主要内容包括静力试验、动力试验、环境试验、发动机试车等；试飞主要分为工厂试飞、国家试飞、小批试飞三个阶段。若在试飞过程中发现缺点或问题，则必须更改设计或改进制造方法。将试飞中所有的问题都排除完毕后，相应的设计图纸即可确定，此过程称为设计定型。 　　新型飞机在经过设计定型之后，经国家有关机构批准决定进入批量生产，生产单位应尽早进行生产准备工作，包括绘制模线、制造样板、编制工艺规程、研制工艺装备、拟定生产检验大纲等。在生产准备工作圆满结束之后，即可进入试生产阶段，经过小批量生产过程的考验，对工艺规程和工艺装备等进行必要的修改和调整；再经过小批量生产过程的进一步考验，直至取得满意的结果，即可进行工艺定型。 　　5.批量生产 　　工艺定型经过技术鉴定小组的审查和有关机构批准之后，即可正式开始批量生产。批量生产可以分为飞机零件制造和飞机装配两部分。值得一提的是，批量生产阶段的飞机装配与飞机试制阶段的飞机装配具有完全不同的技术特点，二者在成本控制、技术成熟度、产品一致性等方面都有不同的要求。 　　飞机制造中装配工作量占直接制造工作量的50%～70%，因此装配生产成为重点，也成为飞机制造的主要特点。此外，整个研制流程的各个环节都是相互联系的，具有支撑、反馈、制约等关系，飞机装配也与飞机整个研制流程的其他环节有着紧密的联系，即飞机的结构设计必须考虑飞机的装配工艺才能有效开展，而装配质量又直接决定试验过程能否取得理想的结果，甚至在飞机服役、维修等过程中，装配工艺和装配质量都有密切的联系。 　　通过分析飞机研制一般流程的五个阶段，可以了解飞机装配在其中的位置和作用，这对于理解飞机装配的内涵是非常有帮助的。 　　1.1.2　飞机装配的定义 　　随着人类社会的不断进步和科学技术的不断发展，飞机装配被赋予了很深的时代内涵，在不同的人类历史发展时期，飞机装配具有不同的含义，目前对飞机装配的理解有狭义和广义之分。 　　狭义上的飞机装配指的是将大量的飞机零件和组件按照图纸及技术要求进行定位、连接的过程。 　　广义上的飞机装配指的是贯穿整个飞机研制过程，主要包含装配设计、装配工艺规划、装配连接、装配检测、装配管理等一系列工作。 　　广义上的飞机装配不仅是连接操作，还是多学科融合的产物，其包含力学、机械、电气、控制、材料、计算机、测绘、软件、管理等学科的精髓。 　　飞机装配通常分为部件装配和总装配两大部分。 　　部件装配，简称部装，指的是从零件装配为组件，再从组件装配为前机身、后机身、左机翼、右机翼等大部件的过程。 　　总装配，简称总装，指的是将已制成的飞机结构部件（包括部分功能系统）进行对接，在机器上进行各种功能装置和功能系统的安装、调整、试验及检测，使飞机成为具有飞行功能和使用功能的整体。 　　通常飞机制造仅指飞机机体零构件制造、部件装配和整机总装等，而飞机其他部分，如航空发动机、仪表、机载设备、液压系统和附件等均由专门工厂制造，不列入飞机制造的范围。但是它们作为成品，在飞机上的安装、整个系统的连接、电缆和导管的敷设，以及各系统的功能调试都是总装的工作，是飞机制造的一个组成部分。换句话说，在部件装配阶段，飞机装配的对象仅是飞机机体；在总装配阶段，飞机装配的对象是包含系统和附件的整个飞机。 　　1.2　飞机装配的特点 　　1.2.1　飞机产品及其结构的特点 　　本节讨论飞机作为一个特别的机械产品相对于一般机械产品的不同之处，而这些不同之处将直接或间接决定飞机装配工艺的特点。 　　飞机作为一种机械产品，其与众不同之处在于飞行能力。飞行能力是飞机的代表性产品力，但在研制过程中，是飞机的“原罪”。为了保证飞行能力，需要使飞机结构重量尽可能小。在相同的性能指标下，飞机结构重量减小1%可使飞机总重量比原来降低3%～5%，油耗比原来减少3%～4%。据估算，对于某型喷气式客机，减小1kg的结构重量就能增加2.7万元的收入；对于航天飞机，减重1kg的经济效益将近65万元；对于军机，减重更能带来机动性能和武器载荷的增加。因此，结构减重对飞机具有十分重要的意义，“为减轻每一克重量而奋斗”是飞机研制的重要理念。