形位公差设计在民用飞机设计中的应用研究

形位公差设计在民用飞机设计中的应用研究摘要:形位公差是形状公差和位置公差的统称。本文从收集到的国外飞机结构设计形位公差设计原则及标准,结合国内飞机制造厂的零件加工和装配水平,提出了我国大型民用飞机结构设计中形位公差的选择方法和数值标准的建议。

关键词:形位公差形状公差位置公差

长期以来,我国民用飞机结构设计中公差设计主要以尺寸公差为主,设计人员往往只注重零件中的一些重要尺寸,并加以尺寸公差的约束,对于其他尺寸则未加以足够重视,通常按线性通用公差标准进行要求。然而工厂按图纸要求进行零件加工后,常常出现零件超差现象,尤其常见的是装配超差。

国外民机设计强国十分注重对零件加工和装配的要求,在零件图和装配图中大量采用形位公差设计,对机加、钣金等不同加工方法提出详细设计要求和标准,在严格控制零件加工的同时,确保了最终的零件装配要求,大大减少了超差的情况。现阶段大范围推广形位公差设计无论在提高我国民机设计和制造水平还是减少加工和装配超差、降低成本上来说都有着非常重要的实际意义。

1 形位公差概念

形位公差可化分为形状公差、位置公差、形状或位置公差三类,

常用的形位公差有14种。

（1)形状公差:直线度、平面度、圆度、圆柱度形状公差是对零件自身形状的公差要求,无基准要求。

（2)位置公差:平行度、垂直度、倾斜度、位置度、同轴度、对称度、圆跳动、全跳动位置公差是对零件定位的公差要求,有基准要求。

(3)形状或位置公差:线轮廓度、面轮廓度形状或位置公差既可能是形状公差也可能是位置公差,视其对基准有无要求而定。

2 基准的创建原则

零件的各种不同的形状,是由许多表面以各种不同的组合形式构成的,各表面之间有一定的尺寸和相互要求。基准是确定零件(或部件)上某些点、线、面的位置时所依据的点、线、面,即基准是零件本身上的或者是与零件有关的面、线或点,根据这些面、线或点来确定零件上的另一些面、线或点的位置。

任一刚体,在空间直角坐标系中均有六个自由度,即沿三个互相垂直的坐标轴的平移自由度和沿三个坐标轴的旋转自由度。因此,要确定零件在夹具中的准确位置,必须限定其相应的自由度。

选取基准时,应依据不同零件自身定位特点选取相应的基准定位

对象。通常情况下,选取面积较大、加工余量较小或不加工的配合面作为第一定位基准,再选取另外两个正交平面、点或线定位来约束其他自由度。或零件是圆柱、圆锥等特征实体,可选取轴线作为第一定位基准。选取基准一般情况下要选择实际存在的点、线、面等特征,特殊情况下,如在装配定位中可选取非零件实体特征的工装定位基准。

3 我国民用飞机结构设计中形位公差应用的建议

通过研究分析国外民用飞机结构设计中形位公差的应用及设计标准,并结合我国民用飞机的制造和装配能力,现提出我国民用飞机结构设计中形位公差设计选取原则及数值标准。

(1)定位基准。

所有零件需指定零件加工定位基准。选取面积较大、加工余量较小或不加工的配合面作为第一定位基准,圆柱等特殊特征实体可选取轴线为第一定位基准。

装配部件下以工装定位或配合面为基准定位。

(2)面轮廓度(或平面度)。

机加零件表面限定面轮廓度要求。

对于配合机加面,规定面轮廓度相对于三基准平面为0.3mm。

(3)位置度。

零件上结构孔轴线位置度公差按。

在装配图中,按需标明重要零件相对于装配基准的位置度公差。

(4)直线度。

对于机加零件,直线度加工精度可达到0.15/M,可按需给出限定的数值。

以上几点是应用最为广泛的几个形位公差,通常情况下在图纸中规定了相应的公差要求后,可以有效提高零件的加工和装配精度,大大的减少超差的发生。

4 形位公差在某型客机吊挂斜撑杆上的应用

某型客机吊挂斜撑杆是连接吊挂和机翼和一个重要结构件,主要传递来自发动机的拉伸和压缩载荷。其结构与常规飞机结构件不同,零件加工是首先将一根管材在两端挤压成型,而后再通过机加切削最

终成型。由于吊挂斜撑杆长度较大(总长为 1.2m),且在最终装配时安装要求高,因此对零件的加工精度要求很高,见图1。

首先选择基准,由于吊挂斜撑杆是一个圆柱形零件,因此选取圆柱轴线为第一基准,这样可以确定了四个自由度,即沿非轴线方向的两个平移自由度和沿非轴线方向的两个旋转自由度。此零件主要关心的尺寸是零件两端的螺栓孔相对位置,因此可选取其中一端孔的轴线为第二基准,由此所有六个自由度全部限制。此零件两端连接耳片与孔轴线有垂直方向的要求,因些可将耳片的一个面作为辅助基准,便于零件的公差标注,基准选取见图2。

吊挂斜撑杆要满足最终飞机装配,是由两个要素控制的。一是斜撑杆两端螺栓孔的相对距离,一是螺栓孔与螺栓之间的间隙。通过对工厂加工的了解,斜撑杆两端螺栓孔之间距离公差最小可以控制在+/-0.5mm范围内,因此螺栓孔与螺栓间隙配合可选为H7/f6,即间隙范围为0.25mm～0.66mm。因此,当螺栓孔取最大实体状态时,两端孔与螺栓最小间隙分别为0.25mm,亦即总可调间隙为0.25×2=0.5mm,刚好可满足斜撑杆两端螺栓孔之间距离公差的补尝要求。同时,当螺栓孔不取最小实体状态时,即孔径变大,亦是说两端孔与螺栓总可调间隙增大,此时可以适当放宽斜撑杆两端螺栓孔之间距离公差,允许其公差变化大于0.5mm,因此对吊挂斜撑杆孔的位置度是一个在包容原则下的位置度要求,详细标注见图3。

5 结语

形位公差设计对我国民用飞机零件的加工和装配有着非常重要的作用,适当正确的应用形位公差不仅能保证零件加工和装配的精度,同时也是飞机设计人员必备的一项基本要求。本文对民用飞机形位公差概念、选取原则和标准进行了初步解读,提出民用飞机常用形位公差的数值标准,并以某型客机吊挂斜撑杆为对象进行了形位公差的分析。

参考文献

[1]结构设计手册.中国航空工业总公司.

[2]ASME Y14.5-2009 Dimensioning and Tolerancing.The American Society of Mechanical Engineers,2009.

[3]航空制造工程手册.航空工业出版社,1993.