舒　送　范　鑫　张小辉　马　俊

(国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007)



导管数字化制造技术在传统飞机修理中的应用*

舒送范鑫张小辉马俊

(国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007)

介绍了导管数字化制造技术在飞机修理中的应用。基于生产实际情况,对目标换新导管的筛选、关键点识别与标记、逆向测绘与标准化修改、精确下料与切割、导管加工批量确定等相关内容进行了研究，实现了某典型三代机相当比例导管的数字化批量生产。相比传统手工制造，通过数字化制造，目标导管制造效率与质量得到有效提升，导管安装调试时间明显减少，安装应力状况大为改善，产生了较好的经济效益与军事效益。

导管；数字化制造；飞机修理；批量生产

随着航空数字化设计与制造技术的不断发展，我国最新一代空军主力战机均已基本实现数字化设计与制造[1]。但对于航空修理企业，由于处在整个行业下游，其在修飞机绝大部分仍为传统二、三代飞机，原始数字化水平较低，这对在修理过程中推广数字化制造技术增加了不少难度，导致其相比上游航空制造业已形成明显差距。

作为航空数字化制造技术的重要组成部分，数控弯管相比传统手工弯管优势明显：可从三维数模中直接提取数据进行弯曲，无需机上取样，缩短导管制造周期；无需留有实样，节省空间；数字化制造的导管精度高、质量好[2]。但必须指出的是，导管数字化制造技术运用严重依赖于整机的数字化制造水平，因为在导管数字化设计阶段，其很多设计参考点均源于机体结构位置点，机体结构数模是导管数字化设计的母本。

针对现役飞机导管形状精度与安装应力问题，各航空修理企业均在积极引入与消化导管数字化制造技术，但现役飞机其设计制造均未实现数字化，在缺乏设计母本的前提下，如何实现在其修理过程中运用导管数字化制造技术，成为航空修理企业需要迫切解决的一个难题。本文提出了一整套导管数字化制造技术在传统飞机维修中的应用方案，实现了某典型三代机相当比例导管的数字化批量生产。

1　技术应用方案

在技术方案制定前，须对传统飞机导管制造特点进行系统梳理与分析，再针对性制定解决措施。

1.1传统飞机导管制造特点

传统飞机导管生产过程中均采用手工弯管模式，这一特殊模式主要体现在以下几点：

(1)无三维数模。现役二、三代飞机导管均通过实样比对制造，属于模拟量传递，无三维数字模型。

(2)管形未实现规整化。由于手工弯管工艺限制较少，传统飞机导管大量存在过大圆弧、任意曲线、复合弯以及大于180°的圆弧等不符合数控弯管工艺限制的情况。

(3)管形弯曲半径未实现标准化。现役二、三代飞机导管弯曲半径具有很大随意性，既没有考虑弯曲半径标准化，也没有考虑弯曲半径统一化。

(4)互换性差。由于手工弯管模拟量传递误差大，故现役二、三代飞机同图号导管形状架次间基本不具备统一性，互换性差。

1.2传统飞机修理中导管数字化制造技术应用方案

基于上述提及的传统飞机导管制造特点，可基本确定传统飞机导管数字化制造技术应用方案如下：

(1)通过逆向测量获取原机导管三维数字模型。

(2)机上实际查看并标记导管安装卡箍位置与可能发生干涉位置等关键控制点。

(3)通过自编接口实现逆向三维数模的CATIA平台导入。

(4)基于CATIA软件，结合关键控制点信息，修改三维数字模型，使其既能满足数控弯管工艺要求，又能满足机上安装实际要求。

(5)通过管路模块从修改后数模提取出导管加工信息并利用数控弯管机进行导管数字化制造。

(6)将已加工导管同时进行2～3个架次的试装，如发生安装困难或干涉情况，重复第4、5步直至达到试装要求，最终获取目标导管定型数模。

(7)对在修理飞机故检信息进行统计，建立全机导管修理数学模型，计算每根导管的报废概率，根据飞机修批量计算出每根导管的加工批量。

整个应用方案流程如图1所示。

2　技术应用关键步骤与要点

区别于飞机制造厂的导管数字化制造，传统飞机导管数字化制造技术应用过程中涉及到以下关键技术步骤或要点。

2.1数控弯制范围筛选

传统飞机导管由于采用手工制造，其弯制过程限制因素较少，形状缺乏规整性(如图2)，难以简单全盘照收采用数控弯制。在确定数控弯制范围与对象前必须进行必要的筛选。

筛选可采用目视检查的方式进行，当遇到以下情况时，则应将目标对象排除到数控批量弯制范围以外：

(1)当存在弯曲角度过大，超过或接近180°时，应予以剔除，否则将无法正常送料或退模。

(2)当存在过小直线段，同时确认由于机上实际情况难以进行形状优化时应予以剔除，否则数控弯制时由于夹持长度不够会造成不可接受的表面质量缺陷。

(3)当存在空间弯，同时确认由于机上实际情况难以进行形状优化时应予以剔除。因为空间弯违背了数控弯制必须是平面弯的原则，既不能进行逆向测绘也不能进行数控弯制。

2.2导管形状关键点识别与标记

为适应数控弯管工艺要求，对传统手工弯制导管进行数字化仿造前，必需对其进行形状优化以确保其在机上能顺利安装，为此首先须识别出影响导管机上安装效果的关键点。影响导管机上安装效果的因素很多，其中卡箍位置、间隙控制、两端直线段为最重要的3个因素。其识别与标记方法如下：

(1)关于卡箍位置，首先须将所有卡箍位置在目标导管上进行标记，同时还应关注其约束方式。若为固定式，由于其与机体通过结构件进行直接连接，其可调性很小；若为悬空式，由于其与机体机构无直接机械连接，所以具有一定的可调性。在进行导管形状修改时，卡箍位置所在直线段允许长度上有调整(保证卡箍安装长度)，但其空间方向与位置不允许有修改，尤其对于固定式卡箍。

(2)关于间隙控制，由于航空装配工艺规定导管与导管之间，导管与机体之间须有一定间隙，故需在目标导管靠近机体位置或其他导管位置处进行标记。在进行导管形状修改时，有间隙控制的位置点/面只可微调，不允许有较大幅度修改。

(3)关于两端直线段，两端直线段直接影响导管间的连接质量。在进行导管形状优化时，只允许对其向内长度方向进行修改(同时务必保证最小直线段长度)，不允许对管端位置和空间方位进行修改。

2.3逆向数据CATIA平台导入与定量编辑

由于需要借助CATIA平台来实现对目标导管逆向数据的更改，故必须解决逆向数据CATIA平台的导入问题。为解决逆向数据与CATIA要求的导入文件格式不一致问题，开发了相应的小型文件格式转换器数据的快速一键转换。针对导入后CATIA操作复杂，使其能够实现测量机逆向数据到CATIA导入的问题，利用CATIA二次开发技术对所有操作过程后台代码进行了集成化编程设计，也实现了一键快速操作。图3为逆向数据CATIA平台的导入流程示意图。

为实现对目标导管形状的定量修改，在CATIA平台Tube Design模块中，利用CATIA罗盘功能可以方便地实现导管形状控制坐标点的定量编辑。图4给出了对导管某一直线段长度进行定量延伸操作的示意图。编辑完的数字模型可通过CATIA内置文件输出器输出导管理论加工数据，如CSV文件。

2.4导管加工批量的确定

区别于飞机制造厂批量制造的生产特点，航空修理企业导管采用修造结合的生产方式，大部分导管只对故障部位进行针对性修理，只有无法修理或固定报废的导管才进行重新制造。传统作业方式以报废导管为原始参考，手工弯制成新导管装机使用，并不涉及批量制造的概念。而若要采用数字化制造技术，为发挥其最大优势，必须采用批量加工模式。

表1某型飞机大修时各报废频次与涉及导管数量信息表

报废频次数量占总量比例数量累计占比≥1064822.4%22.4%91986.8%29.2%…………52207.6%65.1%…………12047.1%100%总量2893

为确定所有导管批量加工的具体数值，必须通过对同型号一定批量的原机导管修理前故检信息进行数学统计，得出每根导管的平均报废概率，结合修理批量便可得出每根导管的制造批量。表1给出了某型飞机大修时(10架次统计样本)各报废频次与涉及导管数量信息表，一般认为报废率超过30%的导管就具备批量加工的可行性，而报废率超过50%的导管则能充分显示批量加工的优越性。

2.5导管的精确下料与切割

目前飞机制造厂一般采用大余量下料，弯制后采用标准钢丝样板对目标新管进行划线切割，但航修工厂由于缺乏制造时所用的标准钢丝样板而无法照搬此方法。为解决该难题，必须实现导管的精确下料长度计算。

为此，通过借鉴总结已有经验，辅以相关试验，对所得数据进行有效整合，得出了航空导管数控弯管精确下料的计算为

L精确下料=L理论下料-L形变修正+L工艺补偿

其中：Y代表理论直线进给距离，C代表理论弯角大小，B代表两个弯曲平面的夹角，R为弯曲半径。

同时为了现场使用方便，通过计算机方法实现了自动化，其界面如图5所示。

基于导管下料长度的精确计算结果，一种情况可直接采用精确下料后的管材进行无余量加工，另一种情况针对那些必须留有弯管工艺余量的导管，则可以在弯管程序中加入人工干涉步骤，采用边弯管边划线的方式进行加工。

2.6结构修理信息与制造厂原始批次信息考量

区别于飞机制造厂新机导管装配过程中机体结构一致性好的特点，航修企业在飞机大修过程中或多或少会对相关机体结构进行改装或加强，这势必会影响与其匹配的导管安装形状，故在目标导管纳入批量制造时应将此因素纳入考量，或对结构修理改装高发部位导管剔除出批量加工范围，或根据实际改装情况重新测绘以确保新形状能够适应装配需求。

对于非数字化设计传统机型，虽然导管也是批量制造，但该批量仅适合小批次范围内，对于机型全批次范围内，往往存在一定变化。故在确定目标导管批量制造数模时，应对其批次间的差异进行比较确认，若无批次变化则统一使用一个原始加工数模，若批次间变化较为明显，则应使用多个数模以适应其变化。

3　导管数字化制造技术在某型三代机上的应用效果

某典型三代机，全机导管数量约为1 400根，每架次平均报废数量约为300根，其中固定报废与高概率报废导管数量约为200根，占报废总量的2/3，除去那些不符合数控弯管工艺且同时无法进行形状优化的导管，超过1/2的报废换新导管实现了导管数字化制造。相比传统手工制造，其制造效率和产品质量得到明显提高与改善。在飞机维修后总装进行导管安装时应力状况大大改善，大幅减少了以前导管由于应力过大在机上补弯曲造成质量不好的现象。导管的数字化制造使导管的连接性能得到极大的优化，实现了导管无应力安装，漏油率降到了最低点。

4　结语

传统机型导管由于缺少原始数模支撑，架次间互换性差，使得导管数字化制造技术难以推行，但通过一系列技术手段后，仍有可观比例的导管可成功实现数字化制造。通过该技术，可降低航修企业换新导管制造的成本，有效缩短飞机装配调试周期，保证最终导管装配质量。导管数字化技术在某传统机型维修过程中的成功应用，有效促进了先进数字化制造技术在航修领域的应用。

[1]白雪山.导管数字化制造技术在某新型飞机研制中的应用[J]．航空制造技术，2014(14)：83-85.

[2]许旭东，李光俊．飞机导管数字化生产线探讨[J]．航空制造技术，2005(9)：84-85，89.

[3]张敏，苏兰海，王君英．基于CAA的CATIA用户自定义特征创建[J]．机械设计与制造，2008(9)：27-30.

[4]周桂生，陆文龙．CATIA二次开发技术研究与应用[J]．机械设计与制造，2010(1)：81-83.

[5]陶智君,杨合，李恒，等．基于CATIA的数控弯管数模转换系统研究与开发[J].塑性工程学报,2011，18(4):90-95.

[6]王立新．矢量弯管[M]．北京：国防工业出版社，2003.

[7]蒋代兵．CATlA管路环境客户化定制[J]．航空标准化与质量，2006(3)：45-48.

[8]张吉辉．丁国富，许明恒．数控弯管精确下料长度的确定和下料方案优化[J]．机械设计与制造，2009，(2)：28-32.

(编辑孙德茂)

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Application of tube digital manufacturing technology in the repair of conventional plane

SHU Song, FAN Xin, ZHANG Xiaohui, MA Jun

(State-owned Machinery Factory in Wuhu, Wuhu 241007, CHN)

Application of tube digital manufacturing technology in the repair of conventional plane has been introduced. Based on the actual production, the filtration of the target tube, the identification and marking of the key points, the reverse mapping and standard modification, the precision cutting, the batch and other related contents have been studied. The digital batch production of a considerable part of the tubes has been realized in a typical third generation battle plane. Compared with the traditional handmade, higher quality and precision tube can be achieved through digital manufacturing, the commissioning time of the installation has been significantly reduced and the installation stress situation has been greatly improved although. A better economic and military benefit has been produced.

tube; digital manufacturing; aviation repairing; batch production

TP18；TP27；V25

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.029

舒送，男，1986年生，男，工程师，硕士研究生，主要研究方向：先进数字化制造技术

2015-11-17)

160645

* 空军装备部2014 重点支持项目(装工[2013]194 号)