飞机制造中的尺寸传递体系
来源：范玉青 现代飞机制造技术
由传统的飞机制造模式可知，由于飞机产品的特殊性，飞机制造技术及其过程与一般的机械制造有着明显的不同，有自己的独特之处。其中关键之一是，如何保证通过种种环节制造出来的飞机。其几何形状和尺寸是设计人员所需要的。不仅使飞机能顺利地装配出来。而且能满足使用和维护的需要。怎样使图纸上飞机的几何形状和尺寸能正确无误地传递到最后的产品上，且其零件、部件是互换协调的，这就是制造工程的任务。因此，需要技术人员采取一系列技术措施来保证这一任务的实现。
互换和协调的基本概念
飞机制造中的互换性(即完全互换性)是指，相互配台的飞机结构单元(部件、组件或零件)在分别制造后进行装配或安装时，除设计规定的调整外，不需选配和补充加工(如切割、挫铣、钻铰、敲修等)，即能满足所有几何尺寸、形位参数和物理功能上的要求。飞机制造中的互换性包括几何形状互换性和物理功能互换性两个方面的内容。它是由飞机结构和生产上的特点所决定的。互换性只是对同一飞机结构单元而言的。
协调性则是指，两个或多个相互配合或对接的飞机结构单元之间、飞机结构单元与它们的工艺装备之间、成套的工艺装备之间，配合尺寸和形状的一致性程度。一致性程度越高，则其协调性越好l，协调准确度越高。协调性仅指几何参数而言。
应当指出：不应把保证飞机制造中的互换性和协调性与追求高准确度(即实际尺寸与设计尺寸的一致程度)混为一谈。例如，对有足够设计补偿和无设计补偿的两种设计分离面．在其制造准确度相同时，前者能毫无困难地达到互换和协调要求，而后者则不能。对工艺分离面也是如此。
飞机结构单元的互换性按性质可分为两种：一种是使用互换性，另一种是生产互换性(或称为装配互换性)。
使用互换性是指：为了保证飞机的正常使用，对在使用中可能损坏的机体部件、组合件(如机翼、尾翼、活动面、各种舱门、口盖等)或成品件(如发动机、特种设备、仪表、油箱等)，要求具有不经挑选和补充加工就能更换，并在更换后不影内飞机使用性能的特性。
飞机上的成品件虽然装在机体上，但不是飞机制造厂本身所生产的；因此．对机体和成品件的互换性又称为外部互换性，对机体内各结构单元的互换性称为内部互换性。
对于一些组合件(如双曲度的舱门、口盖等)。由于某些配合部位的形状很复杂(如蒙皮四周与机体的对缝，往往是一条复杂的空间曲线)，若要达到完全互换，那么，或者在技术上很困难，或者在经济上很不合理．在这种情况下，更换这些组合件或部件时，应允许在现场进行修配或补充加工来达到使用要求。这样的组合件或部件称为具有替换性(又称为不完全互换)。
生产互换性是指：为了保证生产的正常进行，对飞机的零件、装配件、段件和部件在装配或对接时，不经挑选或修配就随满足装配或对接要求而不影响产品装配质量的特性，要求具有生产互换性的范围比使用互换性的范围要广得多。
这里需更强调的是互换性与协调性制的关系，即协调性是保证互换性的必要条件，只有在解决了结构元件之间协调性的基础上，才有条件全面深入地解决互换性问题。而达到了协调性的结构元件，并非都具有互换性；达到了互换性的结构元件，则必然具有协调性。鉴于上述联系，在飞机制造中，通常把这两个不同概念的术语合称为互换协调。
保证互换协调的尺寸传递原理
从保证飞机产品几何准确度的角度来看，产品的制造过程乃是将产品图纸上的理论尺寸以最小的误差传递到产品上去的过程。在采用传统的飞机制造模式来制造薄壁结构的飞机时，由于飞机的结构特点，大部分的结构零件，特别是与外形有关的零件，多为尺寸大，刚性小，形状和配合关系复杂、容易变形的钣金零件和型材零件。这些零件不能用一般的机械加工方法来制造，而是利用大量标准和专用的工艺装备来制造。这些工艺装备能以实物模拟量体现产品的尺寸和形状。在将这些零件装配成组合件和部件时．其装配准确度和互换性的保证方法，也不能像一般机械产品那样靠零件的制造准确度本身来保证，而必须要以上述装配工艺装备来保证。因此，要保证飞机的制造准确度以及生产中的协调性和互换性，首先必须保证各类生产工艺装备的制造准确度和协调准确度。工艺装备不仅是制造产品的手段，而且是保证产品装配协调和互换的依据。在飞机制造中，将产品理论尺寸传递到工艺装备上去往往要经过很多传递环节和多次反复的移形过程；因此，保证各类成套工艺装备间的协调性，就成为飞机制造中的突出问题。在制定产品的装配和协调方案时，要十分注意选择合理的、能保证各类工艺装备协调的尺寸传递体系(通常称之为协调路线)。
工艺装备的协调路线是，根据所采用的尺寸传递体系说明，由产品图纸通过实物模拟量(模线、样板、标准工艺装备)或数字信息(产品几何数学模型等)，将机体上某一配合或对接部位中一个或一组协调的尺寸和形状，传递到有关工艺装备上去的传递环节、传递关系和传递流程图。
保证协调准确度的基本方法
无论是采用一般机器制造中的公差配合制度，还是采用模线样板方法作为飞机制造中保证互换性的方法，产品互换性的基础都是保证生产准确度、制造准确度和协调准确度。
我们知道，制造任何一种零件，其几何形状和尺寸的形成一般都是根据图纸所确定的理论形状和尺寸。在生产中通过一定的量具、工艺装备(夹具、量具等)或机床而获得的。在这一过程中．首先需要根据标准的尺度和量具，制造出生产过程中使用的各种测量工具或仪器；然后用它们制造各种工艺装备，最后通过工艺装备或机床来加工出工件的形状和尺寸。由此可见，整个生产过程是尺寸的传递过程。
显然，要使两个相互配合零件的同名尺寸相互协调，它们的尺寸传递过程之间就必然存在一定的联系。如图2.1所示，零件A和B是要相互协调的。假定LA和LB是协调尺寸，则它们的形成经过了许多次尺寸传递．其中有的是两个尺寸公共的环节，有的是两个尺寸各自的环节。后者将产生两个尺寸的协调误差ΔAB
可以用一个联系因数K来表示两个零件在尺寸传递过程中的联系紧密程度，即
式中：m——尺寸传递中公共环节的数量；
n1、n2——零件A、B尺寸传递中各自环节的数量。
若m＝1，则两个零件在尺寸传递中只有一个公共环节。此时K值最小，相当于两个零件各自独立制造。随着m值的增大，K值亦增大，两个零件有关尺寸的联系愈加密切。若n1＝n2＝1，则此时K值最大，这表明两个零件相当于修配制造，协调调性最佳。
基于这一原理．在生产中有3种不同原则来取得LA、LB两个尺寸协调的过程,也即3种尺寸传递的过程：独立制造原则、相互联系原则和相互修配(或补偿)原则。
独立制造原则 这种协调原则传递尺寸的过程如图2 2所示。它是以标准尺上所定的原始尺寸来开始尺寸传递的。对于LA和LB，原始尺寸是它们发生联系的环节，被称为公共环节。在这里，尺寸传递过程中只有一个公共环节，以后的各个环节都是单独进行的，所以，称它为独立制造原则。
此时制造误差方程式可以写为下列形式。
式中：Δ0——原始尺寸的误差。
Δi——零件A尺寸传递中的第i个环节的误差，
Δj——零件B尺寸传递中的第j个环节的误差，
n1、n2：——分别为零件A、B尺寸链的环节总数量。
因此，零件A和B尺寸的协调误差ΔAB可表示为
协调误差带公式为
由此得出一个重要结论：对于相互配合的零件，当按独立制造原则对其进行协调时，协调准确度实际上要低于各个零件本身的制造准确度。
相互联系原则进行协调
按相互联系原则传递尺寸的过程如图2. 5所示。
当零件按相互联系制造原则进行协调时，零件之间的协调准确度只取决于各零件尺寸单独传递的那些环节，而尺寸传递过程中公共环节的准确度，并不影响零件之间的协调准确度．此时，制造误差的方程式可写成下列形式：
式中，Δk——m个公共环节中第k个环节的误差，
Δi——零件A尺寸传递中的第i 个环节的误差，
Δj——零件B尺寸传递中的第j 个环节的误差，
因此，零件A和B尺寸的协调误差ΔAB可表示为
协调误差带的基本公式为
从这里又得出一个重要结论：如果其他条件相同，那么当采用独立制造和相互联系制造两种不同的协调原则时，即使零件制造的准确度相同，得到的协调准确度也不同。按相互联系制造原则能得到更高的协调准确度。而且，在尺寸传递过程中，公共环节数量愈多，协调准确度也愈高。
相互修配原则进行协调
按相互修配原则传递尺寸的过程如图2．7所示
它的联系系数K最大。在一般情况下．按这种协调原则比较相互联系制造原则能够达到更高的协调准确度。此时，制造误差的方程式也可写成下列形式：
式中：Δm+1，——零件A尺寸传递给零件B的环节误差。
因此，零件A和B尺寸的协调误差ΔAB可表示为
协调误差带基本公式为
由此可以得出另一个结论：当采用相互修配原则进行协调时，协调准确度仅决定于将零件A的尺寸传递给零件B这一环节的准确度。
3种尺寸传递原则的应用
[1)根据飞机构造和制造的特点，对于与气动外形有关的零件，要达到较高的制造准确度比较困难，或者在经济上不合理。但是，为了保证互换，首先必须保证协调准确度。实际上，在飞机生产中出现的大量问题是协调方面的问题。若采用独立制造原则，为了达到协调准确度的要求，就必须对零件的制造准确度提出更高的要求。这一点用目前常规的制造方法是难以做到的。
(2)对形状复杂的零件采用相互联系制造原则。在制造过程中，将那些技术难度大、制造准确度不可能达到很高的环节，作为尺寸传递的公共环节，这样就能显著地提高零件之间的协调准确度。由于飞机构造上的特点，采用这种原则来保证协调具有特别重要的现实意义。而独立制造原则仅适用于那些形状比较简单的零件，例如起落架、操纵系统等机械加工类零件。
(3)采用独立制造原则便于组织生产，能够平行、独立地制造零件、组合件或部件以及各种工艺装备，故扩大了制造工作面。这有利于缩短生产准备期,也便于开履广泛的协作。而当采用相互联系制造愿则时，生产中所用的工艺装备都必须按一定的协调关系依次制造，显然使生产淮备期拖长。
(4)按相互修配原则进行协调，虽然能够保证零件之间有很好的协调性，但不能满足零件互换性的要求。而且修配劳动量大，装配周期长。只有当其他协调原则在技术上和经济上都不合理，而且不要求零件具有互换性
计算机输助设计和计算机辅助制造技术的迅速发展，即数字化产品定义的逐步推广，为在飞机制造中广泛采用独立制造原则创造了条件。飞机的外形可以通过建立相应的数学模型来准确地加以描述，飞机结构件的几何形状和尺寸也可以准确地存储在计算机内。在此基础上，产品的几何信息就直接传递给计算机绘图设备和数控加工设备，以输出图形和进行加工。这样，机械加工零件、成形摸具以及与外形有关的工艺定位件等工艺装备，可以达到很高的制造准确度．这不但保证了协调要求，还可能提高协调准确度。因此，随着计算机辅助设计和计算机辅助制造技术应用的深入，飞机产品的全数字化定义有利于在飞机制造中实现独立制造原则以及实施并行工程，这是飞机制造技术的发展方向。
