CN103785874A - 一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数控加工方法制备领域，尤其涉及一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法，通过装配工装对吊挂组件进行预装配，定位到专用机加支撑夹具，测量及逆向分析并调整数控加工程序，组件和夹具整体在机床定位，机床自动制孔和加工结果检查，采用少量的螺栓对吊挂组件进行预装配，并在飞机坐标系下在产品上建立测量基准，定位至专用机加支撑夹具后进行外形误差和位置度检查，通过CATIA软件进行逆向建模并分析，对组件曲面法向超差点进行调整，修改制孔机加程序，在机床上以专用机加夹具基准为对刀基准，组件上建立的测量基准为检查点，定位整个吊挂预装组件，进行机加制孔。

Description

一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法

技术领域

本发明属于数控加工方法制备领域，尤其涉及一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法。 

背景技术

民用飞机发动机吊挂主要材料为钛合金和钢，其主承力盒段多为机加件，装配夹层厚度从20mm到45mm，选用的紧固件以Φ7.94mm至Φ21mm为主。这些特点导致在装配过程中，连接螺栓孔的钻制极其困难，通常手工钻制一个孔需要20~40分钟，导致装配工作劳动强度大，劳动力密集，装配效率低下。 

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明所要解决的技术问题在于提供一种降低装配工人劳动强度，提高制孔效率和精度的使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法。 

本发明是这样实现的，一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法，其特征在于，包括如下的步骤： 

1）首先根据吊挂产品结构，制定预装方案，在吊挂盒段在超过两层零件，不含两层，连接的紧固件区域，选择该紧固件区域内50%的紧固件作为预装紧固件，对角错位排列；

对两层零件，或长度超过500mm的三层零件连接处，选用该区域内所需总紧固件9~12%的紧固件作为预装紧固件；在CATIA V5软件环境中吊挂数模上标识出所有预装紧固件位置和方向信息并保存，根据数模预装紧固件位置信息制造可拆卸钻模板，可拆卸钻模板是按照数模的孔位制造一块用来钻孔的模板，孔位和法向均根据数模预装紧固件的信息确定，钻模板是一块带孔厚板，在制孔过程中对钻头或自动进给钻起到定位和导向的作用，并定位在装配工装上，使用自动进给钻设备将预装紧固件孔钻至终孔状态；作为预留检查参考点；

2）在步骤1）中钻制的预装紧固件安装孔位中选择产品四个面上最外的4个端点，不安装预装紧固件，通过激光跟踪仪测量其实际值并留存，作为定位检查端点；激光跟踪仪通过装配工装基准工具球孔建立飞机坐标系，飞机部件装配工装一般是按照飞机坐标系设计的，即基准工具球点也在相应的飞机坐标系中的某一个位置，所以通过测量该基准工具球点是可以反向恢复成飞机坐标系的；

3）在吊挂盒段的预装紧固件安装孔位置安装预装紧固件，完成预装配；

4）将剩余的所需安装紧固件的孔位和法线方向在CATIA V5软件环境中的三维数模上标出，以直线和圆表示，直线的方向代表法向，长度代表加工进给最小深度；圆直径代表孔径的名义尺寸；数控加工机床根据三维数模上每个孔位法线确定加工方向和进给深度，根据圆直径确定加工刀具直径；

5）定位测量阶段，将吊挂吊运下架，转移到机加夹具上，将吊挂与夹具的定位点连接好，采用步骤1）中的预留检查参考点作为参考检查吊挂与机加专用夹具之间的定位准确性；对吊挂位置度和外形误差进行检查，确定外形测量数据和关键特征点测量数据；

6）将步骤5）中检查的外形测量数据和关键特征点测量数据输入CATIA V5软件环境中进行逆向建立关键特征点、线和曲面的模型，将逆向建立的模型的检查值与对应步骤4）中的数模中预装紧固件进行对比，分析吊挂定位位置偏差和法向偏差是否在可接否范围内；

7）当位置偏差或法向偏差超出可接否范围时，在CATIA V5软件环境中对数控机加制孔据根据实际产品进行调整，将孔的钻制方向调整为垂直实际曲面；

8）机床定位阶段，在5坐标数控机床上定位机加夹具连带吊挂组件，使用夹具四周基准平面和基准工具球点作为定位基准，调整夹具与机床X轴平行，按基准平面和基准工具球点进行对刀，将吊挂组件与机床坐标系建立相对关系，使用接触百分表测量吊挂上的预留检查参考点，检查定位的准确性。

步骤5）中采用激光跟踪仪对产品位置度和外形误差进行检查，将机加夹具及吊挂放置在稳定的位置，以机加夹具四周的Φ6.35mm基准工具球点建立飞机坐标系进行测量，测量的外形测量数据和关键特征点取值均在拟合后的飞机坐标系下。 

本发明与现有技术相比，有益效果在于：采用本发明方法发动机吊挂组件结构先进行预装配，传统手工制孔数量由100%下降到15%，其余85%交由数控设备钻制，提高螺栓孔制备效率100%，提高了装配自动化程度，并降低了人工劳动强度和制造成本。本方法可应用于国内ARJ21支线客机，C919大型客机，某型运输机发动机吊挂主承力盒段装配；也可应用在国外如A320和B737等翼吊布局干线飞机及CRJ和ERJ等尾吊布局支线客机或公务机的发动机吊挂装配，亦可以扩展应用在一些自身刚性较好的飞机其他部位结构件上。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法采用如下步骤： 

步骤1预装配阶段

首先根据吊挂产品结构，制定预装方案。吊挂盒段结构件主要由框、缘条和壁板组成，根据吊挂产品结构，制定预装方案，在吊挂盒段在超过两层零件连接的紧固件区域，选择该紧固件区域内50%的紧固件作为预装紧固件，对角错位排列；

对两层零件和长度超过500mm的三层零件连接处，选用该区域内所需总紧固件9~12%的紧固件作为预装紧固件；即每230mm左右安装一个紧固件，两排或多排紧固件并列排布时，每排临时紧固件错开；在CATIA V5软件环境中吊挂数模上标识出所有预装紧固件位置和方向信息并保存，根据数模预装紧固件位置信息制造可拆卸钻模板，并定位在装配工装上，使用自动进给钻设备将预装紧固件孔钻至终孔状态；作为预留检查参考点；同时，预装紧固件的选择还要考虑到结构的刚性，在夹层厚度较薄或主要结构承力位置要根据产品的实际情况增加预装紧固件的比例。还要考虑数控设备的特点，一些设备很难达到的位置一般也采用手工预制孔，并作为预装紧固件连接点。

将整个吊挂盒段组件预装紧固件按以上原则确定之后（约占总紧固件数量的15%），进行机加状态的确定，即将所有需要数控制孔的孔位和法线方向在CATIA V5软件环境中的三维数模上标出，以作为数控机加编程依据。 

钻制的预装紧固件安装孔位中分别选择产品四个面上最外的4个端点，不安装预装紧固件，通过激光跟踪仪测量其实际值并留存，作为定位检查端点；激光跟踪仪通过装配工装基准工具球孔建立飞机坐标系；在吊挂盒段的预装紧固件安装孔位置安装预装紧固件，完成预装配；将剩余的所需安装紧固件的孔位和法线方向在CATIA V5软件环境中的三维数模上标出，以直线和圆表示，直线的方向代表法向，长度代表加工进给最小深度；圆直径代表孔径的名义尺寸；数控加工机床根据三维数模上每个孔位法线确定加工方向和进给深度，根据圆直径确定加工刀具直径；测量包括预留检查参考点在内的产品外形和关键特征点。关键特征点包括：预留在产品上的孔，壁板沿航向的端面和沿对称轴线的端面以及吊挂与机翼连接铰链孔和与发动机连接交点孔等，在测量预留孔时，直接将外径Φ6.35mm的标准工具球座插入预留孔中，再将工具球放入球座中进行取值；在测量端面时，直接使用直径Φ12.7mm的标准工具球贴紧壁板边缘面进行取值；在测量交点等大孔时，先使用与交点孔等直径，配合公差为g6，内径为Φ6.35mm的台阶转接套固定在交点孔内，然后在安装工具球座和工具球进行取值测量。所有取值均在拟合后的飞机坐标系下， 

步骤2-定位测量阶段：

将吊挂吊运下架，转移到机加夹具上，将吊挂与夹具的定位点连接好，采用步骤1）中的预留检查参考点作为参考检查吊挂与机加专用夹具之间的定位准确性；对吊挂位置度和外形误差进行检查，确定外形测量数据和关键特征点测量数据；在下架时，所采用的夹具需要保证在转运和机加过程中自身的结构刚性，以及保证吊挂组件待加工面的开敞性。为保证能够加工到吊挂组件的所有外表面，可根据不同机型产品设计相应数量的机加专用夹具。以C919飞机吊挂为例，机加专用夹具分为正反两套。

步骤3-逆向分析阶段 

将检查的外形测量数据和关键特征点测量数据输入CATIA V5软件环境中进行逆向建立关键特征点、线和曲面的模型，将逆向建立的模型的检查值与对应步骤4）中的数模中预装紧固件进行对比，分析吊挂定位位置偏差和法向偏差是否在可接否范围内；以C919飞机吊挂为例，每个参考点的容差值为Φ0.5mm。预留检查参考点此时用于检查吊挂与机加专用夹具之间的定位准确性，并作为吊挂组件中零件位置误差和外形误差的测量系统误差参考。

当位置偏差或法向偏差超出可接否范围时，在CATIA V5软件环境中对数控机加制孔据根据实际产品进行调整，将孔的钻制方向调整为垂直实际曲面；由于普通5坐标数控机床是无法自动找正待加工面的法向方向的，所以在加工前要检查实际产品外形与孔的理论法向是否在要求范围内。将逆向后得到的特征线和曲面与吊挂理论数模进行比对，分析吊挂各个面的法向方向和理论值的误差。以C919项目为例，该垂直度要求为0.5°。 

当部分曲面由于装配变形等原因夹角超出0.5°时，需要对数控机加制孔数据根据实际产品曲面进行调整，即将孔的钻制方向调整为垂直实际曲面。此操作在CATIA V5软件环境中进行。数控加工程序将以新的法线方向作为编程依据。 

步骤4——机床定位阶段 

在5坐标数控机床上定位机加夹具连带吊挂组件，使用夹具四周基准平面和基准工具球点作为定位基准，机加夹具基准工具球点选择在工装矩形框架的四周，每个孔位置度要求为Φ0.2mm，在制造夹具时由数控机床一次性钻出，并安装工具球衬套。调整夹具与机床X轴平行，按基准平面和基准工具球点进行对刀，将吊挂组件与机床坐标系建立相对关系，使用接触百分表测量吊挂上的预留检查参考点，检查定位的准确性。以C919飞机为例，调平要求为0.2mm。

采用激光跟踪仪对产品位置度和外形误差进行检查，将机加夹具及吊挂放置在稳定的位置，以机加夹具四周的Φ6.35mm基准工具球点建立飞机坐标系进行测量，测量的外形测量数据和关键特征点取值均在拟合后的飞机坐标系下。 

步骤5-加工及检查阶段 

5坐标机床试安装中心钻，在被加工位置打出孔中心点。

检查中心点位置是否满足要求。（在工艺质量稳定后可取消） 

自动加工85%的紧固件钉孔。

实施例： 

在C919大型客机IPS发动机吊挂上应用。

C919大型客机发动机吊挂采用本发明方法，使发动机涵道有更好的气动特性，可以有效降低发动机油耗，并作为C919飞机的最大亮点。但也正由于该特点，其中央盒段集成了发动机短舱反推力滑轨，使盒段结构更为复杂，零件尺寸更厚，平均厚度在25mm，局部位置达到45mm。采用传统装配方法很难加工，装配周期长，不能满足客户的交付需求。 

第一架IPS盒段试验件采用本方法后，制孔的周期缩短一半，且加工质量稳定可靠。 

第二架FTB（Fly Testing Bed）试验件也采用应用了本方法，目前正在做最终补铆和检查。 

Claims (2)

1.一种使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1）首先根据吊挂产品结构，制定预装方案，在吊挂盒段在超过两层零件连接的紧固件区域，选择该紧固件区域内50%的紧固件作为预装紧固件，对角错位排列；

对两层零件和长度超过500mm的三层零件连接处，选用该区域内所需总紧固件9~12%的紧固件作为预装紧固件；在CATIA V5软件环境中吊挂数模上标识出所有预装紧固件位置和方向信息并保存，根据数模预装紧固件位置信息制造可拆卸钻模板，并定位在装配工装上，使用自动进给钻设备将预装紧固件孔钻至终孔状态；作为预留检查参考点；

2）在步骤1）中钻制的预装紧固件安装孔位中分别选择产品四个面上最外的4个端点，不安装预装紧固件，通过激光跟踪仪测量其实际值并留存，作为定位检查端点；激光跟踪仪通过装配工装基准工具球孔建立飞机坐标系；

3）在吊挂盒段的预装紧固件安装孔位置安装预装紧固件，完成预装配；

4）将剩余的所需安装紧固件的孔位和法线方向在CATIA V5软件环境中的三维数模上标出，以直线和圆表示，直线的方向代表法向，长度代表加工进给最小深度；圆直径代表孔径的名义尺寸；数控加工机床根据三维数模上每个孔位法线确定加工方向和进给深度，根据圆直径确定加工刀具直径；

5）定位测量阶段，将吊挂吊运下架，转移到机加夹具上，将吊挂与夹具的定位点连接好，采用步骤1）中的预留检查参考点作为参考检查吊挂与机加专用夹具之间的定位准确性；对吊挂位置度和外形误差进行检查，确定外形测量数据和关键特征点测量数据；

6）将步骤5）中检查的外形测量数据和关键特征点测量数据输入CATIA V5软件环境中进行逆向建立关键特征点、线和曲面的模型，将逆向建立的模型的检查值与对应步骤4）中的数模中预装紧固件进行对比，分析吊挂定位位置偏差和法向偏差是否在可接否范围内；

7）当位置偏差或法向偏差超出可接否范围时，在CATIA V5软件环境中对数控机加制孔据根据实际产品进行调整，将孔的钻制方向调整为垂直实际曲面；

8）机床定位阶段，在5坐标数控机床上定位机加夹具连带吊挂组件，使用夹具四周基准平面和基准工具球点作为定位基准，调整夹具与机床X轴平行，按基准平面和基准工具球点进行对刀，将吊挂组件与机床坐标系建立相对关系，使用接触百分表测量吊挂上的预留检查参考点，检查定位的准确性。

2.按照权利要求1所述的使用数控设备加工飞机发动机吊挂组件螺栓孔的方法，其特征在于，步骤5）中采用激光跟踪仪对产品位置度和外形误差进行检查，将机加夹具及吊挂放置在稳定的位置，以机加夹具四周的Φ6.35mm基准工具球点建立飞机坐标系进行测量，测量的外形测量数据和关键特征点取值均在拟合后的飞机坐标系下。