航空发动机数字化装配技术探讨

航空发动机数字化装配技术探讨

刘加宁

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江哈尔滨 150066

摘要：现阶段，在国民综合实力不断增强的背景下，航空事业得到不断创新与发展。但与此同时暴露出来的问题也越来越多，尤其是针对航空发动机在装配技术上存在的缺陷更需要相关工程技术人员引起足够的重视，从而逐渐改善传统装配技术在装配过程中存在的不足，进而提高装配质量。本文针对航空发动机装配利用数字化技术所取得的发展及成就进行简要分析，并就其存在的问题深入探讨，从根本上改善我国航空发动机在装配技术等方面存在的问题。

关键词：航空发动机；数字化装配；工艺；技术

引言

航空发动机的装配质量关系着飞机的飞行安全。目前，我国的航空发动机制造生产企业，在进行发动机装配的过程中仍然采用传统的装配方式，简单地说就是通过人工的方式进行发动机的装配工作。通常来讲传统形式上的发动机装配主要有3种：首先是手工形式的发动机装配，其次是纸质形式的发动机装配，最后是人工形式的发动机装配。通过这三种形式的发动机装配，可以实现航空发动机零部件的整体装配。在航空发动机装配过程中，手工主要指的是在装配过程中，通过手动的形式对装配的质量进行检查和确认；纸质的含义是在发动机装配的时候，需要查阅相关的书面信息来进行发动机的装配指导；人工的含义主要就是在整个发动机装配的过程中根据相关的安装指导意见进行发动机零部件的装配；与此同时，在装配的过程中还要接受相关质检人员的检查。

1传统发动机装配技术存在的问题

航空发动机装配成本约占发动机总生产成本的30%左右，且装配质量影响航空发动机性能和可靠性。传统的航空发动机装配存在以下的劣势：①易出差错。装配工作以人力为主，很难避免失误，易发生错装或者漏装，容易造成严重的后果；②精准度差。人工装配不可避免会引入人为误差，关键参数控制精度较差，若误差大会影响发动机的使用寿命和安全性，甚至导致发动机损坏；③装配人员能力及专业技能水平方面存在差异。同一种产品经不同人员的装配会使得装配后的发动机的质量存在差异，影响发动机工作性能和使用寿命；④易造成零部件及精准仪器的损坏。航空发动机装配精准度高，对装配仪器要求高，装配人员要正确使用精密仪器，否则易造成零部件及仪器的损坏，造成巨大损失。

因此，为消除人工装配引入的操作误差，避免错装、漏装，从而提升发动机的装配质量和性能，应用数字化装配技术进行航空发动机的装配是十分必要且重要的。

2数字化装配的关键技术

2.1虚拟装配技术

（1）虚拟装配系统结构建立。虚拟装配系统是一个基于通用虚拟现实的用于指导产品设计及实际装配过程的软硬件集成的系统。虚拟装配环境中利用相应软件，将零件的几何模型、零件的物理特征信息、零件的公差信息输入到虚拟装配系统，生成虚拟装配系统需要的虚拟零件模型及虚拟工具模型。操作人员利用虚拟外设在虚拟环境中生成虚拟视点等实现视点跟踪、手势识别及声音识别等功能，直接与虚拟装配系统进行交互，完成虚拟装配的操作。虚拟现实算法包括各种坐标变化及碰撞检验算法，多细节层次模型自动生产算法等。仿真结果输出包括产品装配模型、零件装配轨迹、干涉检查报告、装配过程动画和零件装配顺序文件。装配过程动画可以用来对装配工人进行培训。

（2）装配模型建模技术。对产品的三维数字化设计模型进行二次轻量化处理，对装配体静态结构用装配结构的聚合关系和约束依赖关系，将工装、工具等作为零件处理，制定对应规则，通过时序关系的构造来反映交互的过程，由此表达整体装配体模型。这种基于时序的装配体模型特点是继承了经典装配体模型的优点，通过将装配关系进行分离和时序化，为交互过程的表达带来方便。

（3）装配过程仿真技术。从某种意义上来讲，仿真技术主要涉及两方面的内容：一是可装配性分析；二是装配精度分析。在仿真技术的初级阶段多半采取第一种技术来完成对装配过程中可能出现的问题进行诊断，从而验证装配设计是否符合其操作规定，进而针对问题第一时间做出合理判断加以解决。而在仿真初级阶段过后，随着装配工艺的不断加深，则对其产品零部件的装配工艺各零部件之间的可行性都有了新的要求和标准，这就需要对装配精度进行分析，做出合理判断。

图 1 装配过程仿真图

2.2数字化柔性设计

（1）实体建模技术。在虚拟装配过程中，应尽力减小累计误差，以保证误差在总的误差范围内，并且要注意保证尺寸的灵敏度。同时需要针对相关尺寸，进行尺寸随机的模型构建。

（2）工艺过程设计技术。根据发动机装配工艺的特点，应初步确定工作流程，在系统中需要导入相关信息的概念。在装配的相应数据信息库基础上，实现装配过程的自动化，以减少人力的投资。

（3）基于形位公差的装配容差分析技术。该技术是利用合适的计算方法，对零件的容差与装配容差的装配模型进行分析。通常需要考虑两零件表面的配合装配，而不考虑表面曲率、粗糙度等。当其中一个表面粗糙度较高，接触面便可以看为点面接触，这时，需要设置建立一个平面，增大两个平面的贴合率，达到完成装配的目的，该平面即为虚拟配合面。由上可以看出，虚拟装配面是以较为平滑的面为指标，其反映了两个平面的贴合程度。

2.3装配工艺可视化技术

航空发动机数字化装配技术中，装配人员按照装配工艺规程或装配卡上的指标装配，简化装配流程，提升工作效率。由于不能通过图片以及文字对装配过程动态处理，导致操作人员很难发现后续出现的问题，因此，引入可视化技术将文字信息与二维、三维技术结合，动态检测装配过程，发现问题及时解决。

3装配制造数字化

众所周知，航空发动机的装配是由特殊工序的特点决定，零部件繁杂、种类较多，且多数装配流程是由人工作业和自动化半人工操作相互配合而完成。这就要求装配技术人员必须熟练掌握装配技巧，对整个过程的装配精度要求都是比较高的。尤其是在装配定位方面，传统的航空发动机多半采用刚性装配的方式进行定位或是划线的方式进行定位，从某种意义上来讲，这两种装配定位方式都只是适应于特定型号的发动机并不能适应所有发动机的装配定位。所以在进行定位时，必须依据实际装配定位的要求进行相关零部件的定制或是生产，前期需要注意的是要对装配工艺有所了解，做到精益求精，方能减少成本的浪费，一定程度上也会缩短装配周期，提高航空发动机的装配质量。不仅如此，随着各种新技术的层出不穷，数字化的装配技术方式将越来越被应用到航空发动机的装配技术中，进而增强发动机运行的稳定性。

结语

航空发动机装配工艺技术是其制造工艺技术的重要组成，是其制造过程中的最后阶段，也是最为重要的阶段。航空发动机的结构特征在一定程度上决定着其装配过程特征。为了有效的解决复杂结构装配中提高装配效率的问题，应用先进的航空发动机装配方式迫在眉睫。因此，在传统的航空发动机装配技术水平下，引入数字化柔性装配方式，对于装配发动机的质量、性能、可靠性和生产率起着非常关键的作用。

参考文献

[1]徐延锋．航空发动机装配数字化关键技术研究与实现[D]．西安：西北工业大学，2006．

[2]王普，张光星，张姿，张晓东.我国航空发动机数字化设计/制造/管理技术现状及其发展［J］.航空制造技术，2005（10）：24-25

[3]希瑟・鲍德温，文修.发动机零件维修技术及商务现状[J].航空工程与维修，2001（5）：48-50.