李 敏

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108）

0 引言

目前國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的公差設(shè)計(jì)與分析依然基于傳統(tǒng)的方法，以一/二維尺寸鏈為主，分析對(duì)象僅限于尺寸和位置公差，且各零件的公差類型與公差值的確定和裝配公差分析仍然采用手工方式，主要取決于設(shè)計(jì)人員的相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，裝配質(zhì)量難以得到保證，也難以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展要求。

隨著形位公差的日益推廣和應(yīng)用，以及產(chǎn)品功能要求的不斷提升和擴(kuò)展，公差分析技術(shù)，尤其是三維偏差分析技術(shù)，在過去20年間已得到了極大的發(fā)展。公差表達(dá)模型的發(fā)展，從無到有，從簡單到復(fù)雜。矢量化和幾何化的特征變動(dòng)描述，準(zhǔn)確地體現(xiàn)了公差本身的意義。為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量、縮短研發(fā)周期和降低開發(fā)成本，GE、西門子、阿爾斯通、羅羅

等公司高度重視幾何尺寸公差設(shè)計(jì)和裝配精度控制，相關(guān)專業(yè)部門均成立尺寸工程師團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)，投入大量人力財(cái)力建設(shè)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫[1]。且各大OEM自行編制了大量航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品型號(hào)的幾何形位公差技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，已成為各公司獨(dú)自占有或?qū)＠麎艛嗟纳虡I(yè)秘密。

近些年來，各種各樣的計(jì)算機(jī)輔助偏差分析軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、汽車和電子等各個(gè)行業(yè)，也推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的快速發(fā)展。目前來說，應(yīng)用較為廣泛的軟件主要包括VSA、CETOL和3DCS，其計(jì)算原理均為基于蒙特卡羅方法仿真[2]，可以區(qū)分和量化以往被忽略的形位公差，如方向和形狀公差，在得到精確結(jié)果的同時(shí)，也方便了公差優(yōu)化分配。本文主要介紹使用西門子公司的偏差分析軟件VSA對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)開展公差分析和分配[3]。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型連接結(jié)構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特征明顯，剛性大，且多為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子/靜子間采用止口定心，螺栓連接，常見結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中典型零件為機(jī)匣、盤和鼓，裝配過程就是機(jī)匣、盤和鼓的堆疊，如圖2所示。

對(duì)于典型零件A，通常情況下，主基準(zhǔn)一般設(shè)置為前安裝邊上面積最大的平面，即圖中的基準(zhǔn)面A，并設(shè)置A面的平面度；第二基準(zhǔn)通常為前安裝邊上面積較小的圓柱面，即圖中的基準(zhǔn)面B，并設(shè)置B面相對(duì)于A面的垂直度。對(duì)于后安裝邊，通常設(shè)置平面相對(duì)于主基準(zhǔn)面和第二基準(zhǔn)的跳動(dòng)或平行度；同時(shí)，設(shè)置圓柱面相對(duì)于主基準(zhǔn)和第二基準(zhǔn)的跳動(dòng)，典型零件B則采取相同原則。

圖1 常見的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子連接方案

圖2 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)公差設(shè)置

2 公差分析及分配

航空發(fā)動(dòng)機(jī)公差分析及分配研究，使得在概念設(shè)計(jì)階段就能綜合考慮后續(xù)加工制造及裝配質(zhì)量問題，為發(fā)動(dòng)機(jī)零組件公差設(shè)計(jì)提供輸入，避免人為憑經(jīng)驗(yàn)判斷。

通過尺寸分析軟件VSA開展裝配偏差仿真，分析各部件接口尺寸和形位公差對(duì)最終產(chǎn)品幾何精度的敏感度及貢獻(xiàn)率，結(jié)合加工、裝配、測(cè)量工藝分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)公差、定位基準(zhǔn)等進(jìn)行優(yōu)化，建立尺寸和形位公差分析及分配優(yōu)化方案，最終提煉出航空發(fā)動(dòng)機(jī)公差分析及分配流程，如圖3所示。

2.1 關(guān)鍵尺寸控制要求及要素確定

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)公差分析及分配流程

確定關(guān)鍵尺寸控制要素及要求，以明確公差分析對(duì)象，為計(jì)算設(shè)定分析目標(biāo)。通過翻閱OEM維修手冊(cè)及調(diào)研目前在研發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸控制需求，整機(jī)級(jí)尺寸控制主要包括：

（1）轉(zhuǎn)靜子間隙測(cè)量要求；

（2）封嚴(yán)間隙測(cè)量要求；

（3）軸向間隙測(cè)量要求；

（4）同軸度測(cè)量要求；

（5）軸承裝配參數(shù)測(cè)量要求；

（6）安裝檢測(cè)要求。

以安裝檢測(cè)要求為例，高壓轉(zhuǎn)子同軸度檢測(cè)，CFM56-3測(cè)量篦齒盤盤心跳動(dòng)量，要求跳動(dòng)量不大于0.038mm（0.0015inch）；GE90跳動(dòng)值不大于0.05 mm，如果超差，需將高壓渦輪轉(zhuǎn)子重新裝配到高壓壓氣機(jī)上。

2.2 公差初始分配

航空發(fā)動(dòng)機(jī)公差初始分配通?？刹捎脴O值法、統(tǒng)計(jì)法、蒙特卡洛法等。與傳統(tǒng)的極值法和統(tǒng)計(jì)法相比，蒙特卡洛法在解決三維尺寸設(shè)計(jì)方面具有一定的優(yōu)越性。該法在進(jìn)行公差分析時(shí)，把求解封閉環(huán)尺寸及其公差的問題，當(dāng)作求一個(gè)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)量的問題來處理。

由于尺寸鏈中各組成環(huán)的尺寸是在產(chǎn)品零件加工過程中得到的，其數(shù)值是在其公差范圍內(nèi)并符合一定分布規(guī)律的隨機(jī)變量。尺寸鏈方程決定的封閉環(huán)尺寸，則是一組組成環(huán)尺寸的隨機(jī)變量的函數(shù)，所以它也是一個(gè)隨機(jī)變量。

因此，封閉環(huán)尺寸及其公差的確定，完全可以采用隨機(jī)模擬和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的方法，在一定條件下，用這種方法得到的結(jié)果比較符合實(shí)際情況[3]。

2.3 建立公差分析模型

使用VSA軟件建立整機(jī)公差分析模型。首先使用CAD軟件進(jìn)行實(shí)體建模，將零件實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成*.jt格式文件，其包含了與公差分析有關(guān)的全部GD&T信息，然后將*.jt文件導(dǎo)入VSA軟件，在VSA軟件中設(shè)置的參數(shù)包括圖紙參數(shù)輸入及裝配工藝輸入[4]。

前者主要包括零件基準(zhǔn)、零件公差、組件公差及測(cè)量要求，即可參考圖2的公差設(shè)置方法定義初始公差分配結(jié)果。后者主要包括裝配基準(zhǔn)、裝配順序、裝夾方式及夾具公差，以圖4的高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件為例，輸入要素包括測(cè)量基準(zhǔn)A1、左邊測(cè)量端、裝配順序（從右往左）、虛擬夾具以及引入的夾具公差。

依據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及裝配性要求，輸入相應(yīng)參數(shù)，建立整機(jī)三維公差分析模型，模型示意圖如圖5所示。

2.4 公差分析

VSA軟件可采用多種形式的表格和圖形來輸出公差分析的結(jié)果，例如均值、方差、合格率、敏感度和貢獻(xiàn)度等信息，圖6所示分別為軟件計(jì)算后得到的統(tǒng)計(jì)直方圖和各組成環(huán)的貢獻(xiàn)率、敏感度列表。

圖4 裝配工藝輸入

圖5 整機(jī)公差分析模型示意圖

直方圖用于判斷合格率是否滿足要求，因VSA軟件采用隨機(jī)抽樣的蒙特卡洛原理，存在所有公差都為極值的惡劣情況且軟件中未有考慮形位公差的周向分布和相位信息等，通常航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品要求合格率≥70%。

圖6 VSA軟件輸出的公差分析結(jié)果

根據(jù)敏感度和貢獻(xiàn)率信息可完善公差分配，優(yōu)化敏感度/貢獻(xiàn)率較高的零件公差。通常重要件的公差等級(jí)選取5～6級(jí)，其他可選取7～8級(jí)；對(duì)于盤/軸類的幾何形位公差加工精度要求較高，通常取端面平面度為0.02～0.04 mm，柱面相對(duì)于端面垂直度為0.01～0.03 mm，后端面相對(duì)于前基準(zhǔn)的跳動(dòng)要求為0.02～0.05 mm。

通過逐步調(diào)整各組成環(huán)的零組件公差及相應(yīng)的VSA仿真，反復(fù)迭代，在滿足合格率基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)公差的優(yōu)化分配[5]。

2.5 公差分配優(yōu)化

因公差分析及分配結(jié)果受裝配基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)、零組件精度等級(jí)、裝配順序等影響，以下對(duì)上述因素的優(yōu)化原則加以細(xì)述：

（1）裝配基準(zhǔn)優(yōu)化：整機(jī)裝配基準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相一致，以利于在裝配過程中保證轉(zhuǎn)靜子軸向、徑向間隙；整機(jī)裝配基準(zhǔn)應(yīng)具有足夠的剛性且為轉(zhuǎn)、靜子軸向尺寸控制的基準(zhǔn)點(diǎn)。針對(duì)雙轉(zhuǎn)子航空發(fā)動(dòng)機(jī)，為便于整機(jī)裝配，裝配基準(zhǔn)通常設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框架上。同時(shí)，整機(jī)裝配基準(zhǔn)也應(yīng)遵循零件基準(zhǔn)設(shè)計(jì)原則，選擇端面作為裝配的第一基準(zhǔn)，裝配過程中首先保證止口端面間的接觸，保證止口端面的剛度，避免因?yàn)槎ㄎ换鶞?zhǔn)變形而造成定位失效。

（2）測(cè)量基準(zhǔn)優(yōu)化：調(diào)整測(cè)量基準(zhǔn)的目標(biāo)是達(dá)到基準(zhǔn)一致性，測(cè)量基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)盡量保持一致，防止基準(zhǔn)變換引入不必要的誤差。

（3）精度等級(jí)優(yōu)化：應(yīng)綜合考慮零件加工成本與產(chǎn)品合格率，其設(shè)計(jì)過程可以采用以上步驟作為零件公差等級(jí)初始設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的方法，該方法對(duì)零件公差初始設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義[6]。

（4）零組件精度等級(jí)優(yōu)化：對(duì)于零組件公差精度等級(jí)設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮零件加工成本與產(chǎn)品合格率，以VSA軟件輸出的敏感度和貢獻(xiàn)率為參考來確保某些關(guān)鍵位置的公差要求和功能需求。

（5）裝配順序優(yōu)化：裝配順序也是影響裝配質(zhì)量的重要因素之一，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際裝配過程中，一般是零件先組裝成組/部件，部件合格后再組裝成整個(gè)單元體直至整機(jī)。因此，在進(jìn)行VSA仿真計(jì)算時(shí)需要結(jié)合實(shí)際的裝配過程，將公差分析模型分解成組/部件級(jí)來進(jìn)行分析。

3 結(jié)語

通過三維偏差分析技術(shù)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與形位公差分析模型，可為公差設(shè)計(jì)及分配提供可量化的輸入，避免人為憑經(jīng)驗(yàn)判斷、設(shè)計(jì)/加工/裝配的反復(fù)迭代，可在概念設(shè)計(jì)階段綜合考慮尺寸/形位公差、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)、裝配順序、裝配精度等對(duì)最終裝配結(jié)果的影響，使得在概念設(shè)計(jì)階段就能考慮和解決后續(xù)的制造質(zhì)量問題，對(duì)設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行優(yōu)化。

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