羅繼業(yè) 金 英 / LUO Jiye JIN Ying

(1. 中國商用飛機有限責任公司，上海 200120； 2. 中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436 )

民機制造環(huán)節(jié)的重量控制和減重措施研究

羅繼業(yè)1金 英2/ LUO Jiye1JIN Ying2

(1. 中國商用飛機有限責任公司，上海 200120； 2. 中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436 )

重量控制貫穿民用飛機從設計、制造到運營的全生命周期。盡管飛機重量的決定性因素主要在設計環(huán)節(jié)，但從國內外飛機制造商的經(jīng)驗來看，在飛機量產(chǎn)階段仍有優(yōu)化的余地。對國內外飛機制造商在飛機制造環(huán)節(jié)的減重經(jīng)驗進行總結，并重點闡述波音公司在制造過程中的重量預警項目(Manufacturing Weight Awareness Process，簡稱MWAP)，以期有所啟發(fā)。

民機制造；重量控制；減重；措施

0 引言

在民機制造環(huán)節(jié)影響飛機重量的因素有很多，既可能是由民機主制造商自身的技術水平不過關引起的，也可能是由供應商的技術水平不過關引起的；既和制造工藝水平有關，也和設計階段所確定的制造工藝有關。從這些因素出發(fā)，可以探索出民機制造環(huán)節(jié)更有效的重量控制手段和減重措施，具體如圖1所示。

1 民機重量超差的常見原因及其解決措施

1.1 尺寸誤差的疊加

民機零部件數(shù)量巨大，即便所有零件的尺寸都在公差范圍內，但尺寸誤差的積累疊加效應也完全有可能導致零件的重量超差，因此，零件加工出的實際尺寸只有在越接近名義尺寸的情況下才能有效地保證重量在公差范圍內。通?？刹扇∫韵麓胧┍苊獬叽缯`差的疊加：

1)造商應制定相關制度來嚴格控制飛機制造過程中的實際重量，避免因人為因素導致飛機在制造階段重量超差。

2)有效的質量控制。原材料的質量、蒙皮加工的質量、連接件和壓制品加工的質量、復合材料結構成型過程中的灌注情況等都會影響飛機重量，需要在這些方面加強質量控制。

1.2 數(shù)控加工過程中的漏洞

在數(shù)控加工中，在輪廓兩側留的余量和機床的熱變形等因素會造成加工誤差?？刹扇∫韵麓胧┘右砸?guī)避：

圖1 影響民機制造環(huán)節(jié)重量變化的因素及其重量控制手段和減重措施

1) 提高編程規(guī)范性，保證源頭數(shù)據(jù)正確；

2) 改進裝夾定位方式，提高加工精度；

3)研究機床熱特性，降低對加工尺寸的影響[1]。

1.3 采用數(shù)字化設計后理論數(shù)模和實際數(shù)模之間存在差異

采用數(shù)字化設計技術后，在重量控制方面，設計人員往往僅考慮零件的純理論數(shù)據(jù)模型尺寸，得到的重量計算結果也是純理論數(shù)據(jù)模型的重量，而實際在制造過程中使用的工藝數(shù)據(jù)模型和理論數(shù)據(jù)模型之間有一定差異。推廣基于模型的工程定義(Model Based Definition，簡稱MBD)的應用是避免理論數(shù)模和實際數(shù)模出現(xiàn)差異的有效手段[1]。

2 通過優(yōu)化制造工藝實現(xiàn)減重

盡管飛機緊固件的選用，電纜、導管等的布局，以及結構成型、結構連接等選用的制造工藝都是在設計階段決定的，但制造人員可以根據(jù)裝配中的實際情況，向設計人員提出優(yōu)化建議，促進設計優(yōu)化和先進制造工藝的應用，實現(xiàn)減重。

2.1 優(yōu)化表面處理工藝

2.1.1 優(yōu)化噴漆工藝

在符合設計要求的前提下，通過優(yōu)化噴漆工藝，可以減輕飛機重量。譬如波音公司創(chuàng)新性地將噴漆機器人應用于波音777機翼的噴漆工藝，該技術不但使波音777機翼的噴漆時間從4.5h降低到24min，而且使油漆噴涂得更薄而均勻，成功實現(xiàn)每個波音777機翼減重31.78kg。

2.1.2 優(yōu)化磨削工藝

表面粗糙度是決定金屬板材厚度公差的重要因素，通過優(yōu)化磨削工藝可以減小表面粗糙度，從而減小厚度公差，實現(xiàn)減重。

2.2 優(yōu)化緊固件、孔和墊片的應用

緊固件、孔和墊片在飛機上的應用量很大，優(yōu)化緊固件、孔和墊片的應用所實現(xiàn)的減重效果較明顯。例如，波音747飛機緊固件以鈦代鋼后，其重量降低1 814kg。又如，波音運用虛擬制造和3D打印技術，在機身對接中用單個拼接元件替代原先的多個墊片，實現(xiàn)減重[2]。

2.3 優(yōu)化結構成型工藝

先進的結構成型工藝也可達到減重的效果。例如，雙層真空袋滲透工藝具有提高滲透物體強度、減重、降低孔隙率和增加纖維含量四大優(yōu)勢，美國碳纖維復合材料制造商CFC公司應用雙層真空袋滲透工藝制造了發(fā)動機罩等飛機結構件，與原有工藝相比，重量減輕50%[3]。

2.4 優(yōu)化結構連接工藝

國外飛機制造商的經(jīng)驗表明，攪拌摩擦焊技術和激光焊接技術等創(chuàng)新的結構連接制造工藝可以實現(xiàn)整機減重。

2.4.1 攪拌摩擦焊技術

攪拌摩擦焊技術可以應用于飛機機身、機翼、地板、口蓋等結構中。用攪拌摩擦焊替代鉚釘或螺栓連接，可以減少飛機連接件(鉚釘和螺栓)的數(shù)量，從而減輕飛機結構重量。同時，攪拌摩擦焊還可以實現(xiàn)異種材料的連接，為飛機結構輕量化設計提供新的思路。譬如，中航工業(yè)用攪拌摩擦焊代替了某型飛機地板約80%的機械連接，減重效果明顯[4]。又如，空客公司把攪拌摩擦焊技術用于機身縱縫連接以取代傳統(tǒng)的鉚接，這項技術使A350的設計組把縱縫連接機身面板從8塊減少到4塊，大大減輕了重量。

2.4.2 激光焊接技術

激光焊接可以取代傳統(tǒng)的鉚接，用于蒙皮與長桁的連接。由于省去了鉚釘、密封膠、墊板和止裂板，降低了制造成本，減輕了飛機結構重量。以空客A380機身壁板蒙皮與長桁的連接為例，使用激光焊接技術后，與傳統(tǒng)的鉚接工藝相比，節(jié)省制造成本約20%，且因結構連接造成的重量減少了10%，同時還提高了抗腐蝕能力，可避免飛機在運營中因腐蝕而增加重量[4]。此外，激光焊接還能解決傳統(tǒng)焊接造成的薄壁零件(如燃油導管、液壓導管、環(huán)控導管等異形封閉零件)的重量超差問題。

2.5 優(yōu)化系統(tǒng)安裝

通過優(yōu)化系統(tǒng)安裝的設計方式，可以實現(xiàn)飛機減重。一般通過優(yōu)化電纜、管路和導管的布局、減少支撐結構的尺寸和數(shù)量等方式來實現(xiàn)。

2.6 優(yōu)化密封工藝

目前常用的密封技術是使用注膠槍、注射器或小型涂敷工具手工涂敷密封劑，這種工藝方法可能存在未完整密封的隱患，還會造成密封劑的浪費，導致飛機超重。為了避免這種現(xiàn)象，波音、空客等民機制造商在實踐中不斷改進飛機密封工藝，盡量少用密封填料以及氣動密封、壓力容器密封和油箱密封的密封劑。如果必須使用密封劑，則采用重量輕的產(chǎn)品，如鉻酸鹽密封劑。例如，波音工藝規(guī)范BAC 5361要求在飛機復合材料結構部位必須使用密封帽對螺栓等緊固件頭部進行密封，從而減少密封劑在飛機上的用量，實現(xiàn)減重。

2.7 優(yōu)化其他制造工藝

除了以上方法外，其他制造工藝的優(yōu)化也能實現(xiàn)減重，主要包括：

1)減少制造過程中的返工，例如，避免因修補裂紋、空隙和打錯位置的孔而增加額外的重量。

2)在倒角、圓角、扇形邊緣、鈑金壁板上采用化銑、倒角刀等方法去除多余材料。

3 民機主制造商對供應商的重量控制措施

隨著外包比例的增加，采購件占飛機整體重量的比重越來越大，主制造商對原材料的重量也要嚴加把關。主制造商對供應商的的重量控制始于供應商競標階段，貫穿于民機設計和制造的全過程。

1)在供應商競標過程中，供應商需向主制造商說明所競標部件或系統(tǒng)的重量，以及重量控制計劃。

2)在簽訂合同的過程中，雙方需在合同中明確所要交付的部件或系統(tǒng)的重量，并確定相應的獎懲措施。例如，某供應商交付的部件超重20lb，主制造商會讓其返工，直到滿足重量要求為止。反之，某供應商實現(xiàn)部件減重2lb，每磅可獲得1 000美元的獎勵。

3)在民機研制的整個過程中，供應商和民機制造商需始終保持密切聯(lián)系，并盡早建立有效的重量溝通渠道，包括設計審查、重量審查、階段報告、信息交流[6]。

目前，供應商代表通常參與到設計團隊中，主制造商也可能派代表駐扎在供應商工廠里，重量工程師應與這些代表保持良好的溝通。在部件或系統(tǒng)通過初始設計評審和關鍵設計評審后，雙方的重量工程師要合作確定該部件的重量，這一重量是該部件通過生產(chǎn)評審的標準。在部件進入制造階段后，主制造商的重量工程師應對該部件的重量進行監(jiān)控，以確保部件不超重。

4 綜合案例：波音MWAP項目

4.1 項目背景

20世紀80年代，波音被747- 400飛機的重量問題所困擾，為了解決這一難題，波音啟動了制造中的重量預警項目(Manufacturing Weight Awareness Process，簡稱MWAP)，其目標是在MWAP項目的周期內，在不進行重大設計變更的前提下使747- 400飛機減重907.19kg(在MWAP項目啟動初期，波音預期747- 400的減重潛力為3628.74kg)[8]。

4.2 技術上的優(yōu)化措施

在MWAP項目開始時，波音就選定了幾個具有減重潛力的方面(包括表漆和底漆、緊固件、電子設備、表面預加工、密封方法等方面)，成立了跨職能工藝優(yōu)化團隊(Process Improvement Team),對這些方面進行重點攻關。該團隊由工程人員(材料工程師、重量工程師、設計工程師、聯(lián)絡工程師)、質保人員、采購人員、工業(yè)工程人員、制造工程人員、研發(fā)人員、統(tǒng)計過程控制(SPC)人員、持續(xù)質量改進(CQI)人員和車間技師組成。該團隊類似于波音后期組建的IPT團隊，制造人員可以把制造中發(fā)現(xiàn)的問題及時反饋給設計人員，有助于設計人員通過優(yōu)化設計實現(xiàn)減重。通過技術攻關，該團隊使波音747-400在2年內成功減重約1 500lb(出廠空重降低2%～3%)，每個方面的減重效果及未來的減重潛力如圖2所示。

圖2 波音實現(xiàn)的747-400的減重目標及其未來的減重潛力(1991年)

從圖2可以看出，通過優(yōu)化表漆和底漆的應用(波音一方面與客戶合作，減少表漆和底漆的噴漆面積，另一方面則通過工藝優(yōu)化減小噴漆厚度)獲得的減重效果最快、最明顯，而通過優(yōu)化緊固件應用能實現(xiàn)的減重潛力最大。每個方面的具體減重措施如表1所示。

4.3 管理上的改進措施

4.3.1 加強車間生產(chǎn)過程中的重量控制，提高全員減重意識

民機生產(chǎn)包括幾百萬道工序，波音通過加強車間生產(chǎn)過程中的重量控制來減少這些工序出現(xiàn)的超差，采取的措施包括：

1)重量控制工程師、車間管理人員、生產(chǎn)線質保人員共同討論每一道工序減小公差的可能性，車間工人則力爭實現(xiàn)減小公差的目標。

2)重量預警數(shù)據(jù)被寫在車間的顯示屏、警示板、抽認卡等工具上，包括當前的重量和預期實現(xiàn)的減重目標。

3)超差問題解決后，全體車間人員開會討論重量控制工作中的經(jīng)驗和需要突破的障礙，并記錄在車間記錄薄(Factory Crew Log Book)中。

4.3.2 邀請供應商參與到減重中來

供應商所生產(chǎn)的部件和系統(tǒng)的重量在飛機整體重量中占有很大比例，因此，波音邀請供應商共同參與到747- 400飛機的減重中，包括：

1) 讓供應商生產(chǎn)現(xiàn)場的所有員工認識到超重問題的存在。

2) 波音把重量控制的經(jīng)驗傳授給供應商。

表1 波音747-400的減重措施

3)對供應商的生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。

4)供應商代表在波音工廠與波音員工共同研究供應商所提供的產(chǎn)品的減重潛力。

4.3.3 與客戶就重量控制保持聯(lián)系

客戶(航空公司)無疑是最關心飛機重量的對象之一，因此，在飛機重量問題上，波音一直與客戶保持溝通。通過這種溝通，波音在表漆、底漆、防腐劑(corrosion inhibiting compounds)、表面預加工、電子設備上實現(xiàn)了減重。波音與客戶的溝通措施可概括為：

1)讓客戶正確認識波音在747- 400飛機減重上所作的努力，讓客戶參與波音公司的減重會議，從而諒解波音在表漆、底漆等方面作的減重措施。

2)讓客戶正確認識預防飛機在運營過程中重量增加的措施，包括預防因維修導致的飛機重量增加等。

6 結論

綜上所述，主制造商可以從技術和管理兩方面加強民機重量控制。

在技術上，主制造商可借鑒國內外先進經(jīng)驗，從中選擇公司已具有一定技術基礎的領域進行技術攻關，以實現(xiàn)制造環(huán)節(jié)的減重。

在管理上，主制造商應有效統(tǒng)籌設計人員、制造人員、各大供應商以及航空公司在民機減重項目中的工作職責和關系。一方面，設計團隊應與制造團隊進行密切交流與合作，通過深入分析實際生產(chǎn)制造中所產(chǎn)生的問題來避免不合理的設計所帶來的民機超重問題。另一方面，主制造商應與上游供應商密切合作，共同優(yōu)化采購件的重量，或直接購買更輕的系統(tǒng)或部件，此外，還可讓客戶參與減重過程，以增強客戶對所訂購飛機的信心。

[1] 陳代鑫，韓雄，劉適，張威.飛機薄壁結構件數(shù)控加工重量誤差控制研究[J].航空制造技術，2014，5：78-82.

[2] B·J·馬什，K·D·范斯考特，K·M·馬倫-赫格里.無需墊片的拼接機身區(qū)段：中國，CN 101646983 B [P].2011-06-29.

[3] 飛機結構件的灌注：減重一半的工藝[J] .復合材料世界，2013，4.

[4] 任曉，寇飛行.FSW技術在飛機大型整體地板結構中的應用[C]//第五屆中國航空學會青年科技論壇，2012.

[5] 谷斌.民機先進連接制造技術概況[J] .硅谷，2014，2.

[6] 袁紅璇，岳瑛，蔡鳴豪.一種緊固件的密封工藝方法：中國，CN 102678927 A [P].2012-09-19.

[7] Society of Allied Weight Engineers. Introduction to Aircraft Weight Engineering [M]. SAWE，1996.

[8] Andreas K. Leitl (PE). Weight Improvement in the Manufacturing Process Environment and Its Relationship to Overall Weight Control(747-400 Processes and Experience)[C]//SAWE.50th Annual International Conference, 1991.

Research of Weight Control and Lightening Practice for Civil Aircraft

(1. Commercial Aircraft Corporation of China,Ltd., Shanghai 200120, China；2. Shanghai Aircraft Manufacturing Co., Ltd. of COMAC, Shanghai 200436, China)

Weight control runs through the entire life cycle of civil aircraft from design, manufacturing to operation. Though the pacing factor of aircraft's weight majorly stays in the link of design, in the view of the experience of domestic and foreign manufacturers, it still has optimization in the stage of aircraft mass production. This article generalizes the lightening experience of domestic and foreign manufacturers during the manufacturing of aircrafts, while majorly representing MWAP(Manufacturing Weight Awareness Process) during the manufacturing of Boeing as an expected heuristics.

civil aircraft manufacturing; weight control; lightening; practice

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.006

V221+.5

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