某型直升机主减带板组件装配工艺改进

翟英超

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江 哈尔滨 150066

[摘要] 某型直升机主减带板组件由3层不同材料的零件组成，制孔后存在螺栓孔直径超差的问题，在装配时也存在螺栓无法顺利穿入螺栓孔，零件之间间隙超差等问题。针对上述问题，对装配工艺方案进行改进，完善了制孔工艺过程和制孔模具的定位方法，提高了制孔过程的稳定性，提高了制孔质量。通过调整零件铆接、制孔的顺序，减小了零件装配后的应力变形，并将零件的应力变形控制在主减带板边缘区域，使螺栓安装没有阻滞和应力。经过测试，改进后的工艺方案解决了产品质量缺陷问题，满足了设计要求。

关键词：主减带板 钛合金制孔 叠层 工艺改进

前言

某型直升机的主减速器接头连接带板组件（简称主减带板组件）均布在机身平台的4个框梁交接区域，由钛合金带板、铝合金补偿垫片、铝合金框梁3层零件组成。主减带板组件的3层零件由24组高强度螺栓连接，需要在装配时钻制直径6mm的螺栓孔。主减带板组件是主减速器与机身结构连接的主要支撑点，是直升机升力传递的主要路径，其装配质量直接影响到飞行安全。设计部门对主减带板组件的装配制造提出了非常高的要求，其中螺栓孔的孔径公差为0-0.018mm，孔壁粗糙度不大于1.6um。钛合金带板与补偿垫片之间的装配间隙不超过0.2mm，螺栓装入零件的孔时，应无阻滞或应力。

图1 主减带板组件在机身平台的位置

图2 主减带板组件结构

1装配方案简介

主减带板组件的传统装配方案是，1、将机身结构定位在装配型架内，实施机身部件的对接和铆接。2、以装配型架为基准，使用定位夹具测量机身平台的位置，并计算补偿垫片的厚度。3、按计算数据加工所需厚度的补偿垫片。4、将补偿垫片和钛合金带板定位到机身平台，使用自动进给钻加工3层零件的螺栓孔。5、清理制孔产生的毛刺和铝屑，在零件贴合面涂抹一层防腐蚀密封剂，将补偿垫片铆接到机身平台上。6、将钛合金带板安装在补偿垫片上，安装24组螺栓将3层零件连接紧固。最后，使用装配型架的夹具检验主减带板的安装位置是否符合设计要求。

按上述工艺方案装配完成的主减带板组件，主要存在以下几个问题：1、加工完成的螺栓孔直径超差，最大值为6.031mm，且内壁局部粗糙度超差。2、安装钛合金带板时，带板与补偿垫片之间的间隙超差，在边缘最大为0.4-0.5mm，不满足设计要求。3、螺栓穿入孔时有较大阻滞和应力，螺栓表面防护层被损伤。

2超差原因分析

• 孔径超差分析

制孔使用的自动进给钻转速和进给量是恒定的，加工参数无法同时满足3种材料的需求。制孔使用的模具为长条形，刚度较差。其两端固定在装配型架上，使用中间部分制孔。切削力和钻体震动会造成模具变形，钻体主轴的径向跳动变大，钻制的孔径和粗糙度超差。在制孔过程中，3层零件使用简易的定位销固定，不能对零件施加轴向压力。钻头的螺旋刃将零件向上顶起，使刀具与零件表面不垂直，零件上出现椭圆形超差孔。而且，铝屑会大量堆积在零件之间的缝隙中，加剧零件向上顶起的趋势，并造成严重的划伤。

• 零件间隙超差分析

补偿垫片与机身平台连接使用的是实心铆钉，分布在零件外缘一周，冲击铆接产生的应力集中在垫片中间位置。由于补偿垫片厚度仅3mm，强度比框梁结构低，应力沿垫片外缘向中心延展，产生蠕动变形，受结构限制，垫片中心区域向上隆起形成鼓动变形。当钛合金带板安装到补偿垫片上方时，边缘区域会产生间隙。

• 螺栓安装应力分析

主减带板在制孔时使用4个定位销定位，应力被限制在4个螺栓孔区域内部，当定位销移除后，应力释放产生变形，由于3层零件材料特性不一样，变形量也不一样，3层零件的螺栓孔就存在不同心，安装螺栓时就会存在很大阻滞和应力。

3装配方案改进

根据上述分析，解决问题的主要方法是：1、增加工装模具的强度，加强结构稳定性，降低制孔过程中的震动，提高制孔质量。2、调整主减带板组件制孔顺序和补偿垫片的铆接顺序，降低补偿垫片的应力变形，进而降低零件之间的间隙和螺栓安装应力。3、调整制孔工艺方案，改进自动进给钻制孔参数，提高孔径质量。

3.1制孔工艺调整

针对该机型钛合金、铝合金复合叠层结构，经过大量工艺试验，在低转速、小切削量加工时，可以获得直径一致的螺栓孔。但是低速加工会降低生产效率，仍需要配合使用自动进给钻。结合生产线的实际情况，将制孔工艺过程调整为自动进给钻加工初孔5.8mm，风钻扩孔5.95mm，手工铰孔至6.0mm。手工铰孔使用整体硬质合金刀具，6齿螺旋刃，前置引导25mm，可以起到稳定导向作用。由于制孔时轴向垂直向下，切削液会快速流向刀具底部，导致切削刃处于干切削状态，选用粘度更高的合成切削液，可以长时间保持在刀具上，使刀具始终浸润在切削液中，而且螺旋刃比直刃刀具能更好的保持切削液，这种方法能有效地提高制孔质量。

3.2铆接顺序调整

补偿垫片与机体结构连接铆钉分布在垫片外缘，铆接产生的应力将集中在中间区域。由于补偿垫片厚度薄，铆接应力导致中间区域有变形鼓动，补偿垫片的螺栓孔中心发生偏移，与机体结构的螺栓孔不同心，螺栓无法顺利安装。螺栓杆与螺栓孔的配和精度为φ6H8/f7，螺栓孔直径为φ6.00-φ6.018，螺栓直径为φ5.978-φ5.99，其最大允许偏移δ=(6.018-5.978)/2=0.02mm。

为修正铆接应力变形造成的偏差，需要在铆接后重新扩孔，其方法为首先将钛合金带板和补偿垫片装配到机体结构上，将螺栓孔加工至5.8mm，将零件拆分下来，对螺栓孔加工倒角0.25mm。在装配贴合面涂抹防腐胶，用定位销将3层零件拧紧在一起，在此工况下，将补偿垫片和机体结构铆接在一起。钛合金带板强度大，与补偿垫片拧紧在一起，可以间接提高补偿垫片中心区域的结构强度，减小应力变形，而且，将中间位置先拧紧定位销，能够将应力变形限制在铆接区域的外侧。外侧的平台结构为钣金蒙皮，强度比主减带板组件中心区域低，会先于补偿垫片发生变形，从而保证偿垫片中心区域零件变形最小，中心孔偏移量最小。

铆接完成后，通过微量去除孔壁材料，将螺栓孔加工至最终直径，修正铆接变形引起的孔不同心问题，螺栓安装时的阻滞应力就会减小。从φ 5.8mm扩大至φ 6.0mm过程中，螺栓孔单边的加工量为0.1mm，由于之前倒角0.25mm，终孔完成后，可以保证孔边没有毛刺，且剩有约0.15mm的倒角，可以避免层间毛刺的产生，保证产品质量。

图3 铆接变形及应力

3.3螺旋渐开线定位法

主减带板组件的中心是主减接头连接位置，此处承受载荷最大，并依次向外侧减小。根据设计指标，越靠近中心区域，应力变形应越小，而越靠近边缘区域，允许存在的应力变形也越大。因此，需要优先保证中心区域的质量。方法为，从中心向外扩展，依次加工螺栓孔，并依次安装定位销拧紧固定，将零件的变形和应力依次向外延展，并最终控制在螺栓孔区域外侧，最外侧的8组螺栓承受的安装应力最大，但其距离载荷中心区域最远，影响最小，满足设计要求。

如图4所示，主减带板的螺栓孔按圆周分为3组，从内向外依次排列，使用中心4个主减接头连接孔固定零件。依次钻孔并固定第1个圆周的8个螺栓孔，然后钻孔并固定第2个圆周的8个螺栓孔，最后钻孔并固定第3个圆周的8个螺栓孔。主减带板组件每个方向的加工顺序都是由内向外，变形和应力会随着定位夹紧不断被延展到最外侧。将螺栓孔按加工顺序连接起来形成一条类似渐开线的曲线，这种方法为螺旋渐开线定位法。

图4 螺旋渐开线定位法

3.4模具定位方法调整

图5 主减带板制孔模具

主减带板组件制孔使用的模具两端为模具固定点位置，中间为两处制孔位置。自动进给钻固定在模具上，钻制主减带板组件的螺栓孔。模具使用铝合金铸造，受工装型架和机身尺寸限制，安装位置无法改变。如果使用模具的制孔位置作为辅助安装点，可以缩短模具定位尺寸，提高模具刚度，降低钻体震动，提高制孔精度。

图6 制孔模具简化图

L1，L2为模具安装点位，A和B是两个钻孔点位，F是制孔时的轴向切削力，按传统装配方法，在钻制A点时，仅使用L1和L2为固定点，模具跨度为2370mm，产生的变形较大。钻制A点时，增加B点为辅助固定点，模具的跨度减少为1635mm，与传统方法相比，在相同的切削力下，模具产生的变形较小，模具结构的稳定性增加，可以提高制孔质量。

3.5定位销设计改进

零件使用的临时紧固件有两种，一种是光杆定位销，一种是工艺螺钉。光杆定位销尺寸长，可以在模具上方通过模具孔插入零件定位孔内，但是其不能对零件施加压紧力，零件之间容易出现缝隙。工艺螺钉需要插入模具下方安装在零件上，提供足够的压紧力，但是螺钉长度短，容易掉落在模具和零件之间。

图7 临时紧固件

结合上述两种定位销的优点，设计了一种专用定位销，如图8，将工艺螺钉的压紧面延长，使六角头端面延长至模具上方，这种结构可以对零件施加压紧力，又能防止掉落在缝隙中，便于工人操作。

图8 专用定位销

4改进结果

改进后的装配工艺方案应用后效果良好，经测量钛合金带板、补偿垫片和框梁结构上螺栓孔的孔径，并统计出了每种零件孔径的最大值。在18个架次中，螺栓孔超差共出现4架次，超差孔的数量共25个，最大值为6.021mm，不合格率为25/（112×18）×100%=1.24%。

图9 主减带板组件螺栓孔直径

5结论

本文通过对主减带板装配工艺方案改进，解决了螺栓孔直径超差以及装配应力等问题。该技术方案对现有装配夹具的改动量小，生产成本低。根据模具结构，因地制宜地设计了专用定位销，提高可操作性，简化复杂的工作。通过对原装配工序进行调整，间接增加了零件强度，降低了产品铆接变形带来的质量问题，在不改动产品设计结构的基础上，满足了设计指标要求。但是，本文的改进方案仍是基于人工装配的，在效率提升和技术变革方面没有非常大的突破改进，随着自动化装配技术的不断发展，装配工艺方案需要向自动化智能化方向改进。

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