专利名称：制造可互换和可更换部件的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造用于组装入较大结构的组件。尤其，本发明涉及可互换和可更换的组件面板的制造。
背景技术：
大多数复杂的结构都是由许多较小的组件组装而成的。在设计这些复杂结构时，希望组件是可更换的和可互换的。这样，组件在结构维护期间可以按照需要在结构之间迅速和简易地予以更换和互换。为了这种应用目的，可互换的零部件定义为在功能上和实体上彼此互等、从而它们能够在结构之间互换而在性能、可靠性或维修性方面无任何降低的组件；而可更换的零部件则定义为在实体上不同的组件，因此可更换零部件的安装需要一些专门的操作，诸如，钻孔、铰孔、切削，等等，以使组件正确地配装到结构上。
制造可互换和可更换的零部件存在两项主要问题(1)如果各个零部件制造得不是彼此等同，则它们不会正确地对准结构和其他组件，由此妨碍正确的安装；以及(2)如果各个零部件的公差未能被仔细保持，则公差积累将起来，而最终某一零部件将对准不当，由此妨碍正确的安装。后一问题在多个组件彼此邻接安装的结构中特别广泛地存在，诸如当组件是一些在居下框架结构上方形成蒙皮的面板时，就是这样。
通常，如果某一组件受损或需要更换，那么整个结构就必须停止使用，直至该组件被更换为止。在许多情况下，更换件无法充分密切地吻合原件，而必须或是重新加工以求切合，或是根本无法使用。重新加工更换件是一个费钱而又耗时的过程，往往导致不符合原来设计技术规范的组件被安装在结构上。此外，如果每种单独组件在最初被安装到结构上以前已经经受专门的钻孔、铰孔、切削等等作业的话，实际上不可能保持每种单独组件的库存。
采用可互换和可更换的零部件在飞机工业中是特别重要的。飞机飞行距离很大而往往离基地或维修设施很远。如果飞机上的某一组件，诸如机翼或机身上的某一面板，受到损坏或需要更换，则飞机必须落地，直至该组件被更换。通常，更换件必须从远处运来。这样作很花时间，并且成本很高。
储存、运送和维护一批更换件这一问题在军事上尤其敏感。对于军用飞机来说，绝对必要的是，受损的组件尽可能快地被更换，使得飞机停飞时间减为最少。对于后勤来讲，只将需要的备件运送到现场。为此，极其重要的是，每一可互换和可更换的零部件如愿地切合。
先前的一些实现可互换性和可更换性的方法和设备都是不成功的。一种这样的方法包括采用一些物理测量仪表和某一切削加工系列，后者与这些仪表相协调以制造和组装某些面板从而构成飞机的外部蒙皮。在此方法中，各种物理测量仪表是用以协调切削加工系列中的所有工具的控制工具。这一方法需要固定定位某些面板并装入其余一些面板。装入的这些面板切合得极好以获得各邻接面板之间的最佳间隙。一般情况下，一半的工程公差分配给零件，而另一半公差分配给生产该零件的切削加工工具。采用前述的切削加工方法，各种物理测量仪表按照工程附图予以检验，而根据这些仪表制成的各种工具本身又按照仪表予以检验。这样可导致细部切削加工符合工程要求。由细部切削加工制成的零部件然后在切削加工公差之内针对切削加工予以检查和检验，最终符合工程要求。许多这些现有技术中的设备利用碳环氧树脂粘合工具来粘合组合面板。这些碳环氧树脂粘合模具随时间劣化从而导致偏离标准的外形。这样会出现工具必须予以更换的时候，或是用重复切削加工，或是用较为持久的切削加工，往往最终决定施用金属工具。此外，发现发动机舱的各附属结构构架由于材料与粘合模具之间的热胀系数差别而偏离工程标准数值。由于这一热胀系数差别所造成的回弹，结构的外部型线不能予以适当控制。综合起来，问题是面板外形细部的变化。用于修整薄复合面板的常用过程和切削加工方法要求使用单轨手动放线工具(single rail handrouter tool)。不过，由于多数面板设计的复杂性，以及单轨手动放线器的局限性，手动放线完全不能够重复地在符合工程技术要求的零部件上实施修整。
这种方法的缺点是很显著的，包括(1)控制工程偏离工程标准；(2)细部工具系列偏离控制工具；(3)接合表面(结构和面板)在组装期间无法控制；以及(4)组装装置不能固定定位关键零部件。
虽然制造工艺已经具有许多改进，但仍然留有一些显著的缺点，特别是在可互换和可更换的零部件领域方面。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种制造可互换和可更换零部件的方法和设备。
此目的是通过提供一种方法和设备予以实现的，由此结合专门切削加工工艺采用专门生产过程以提供一种切削加工过程成套设施，该设施能够通过在过程中每一工序处计及各种公差积累和过程变异而对它们予以控制。
本发明具有显著的优点，包括(1)控制工具更加密切地与工程标准相协调；(2)细部工具系列不易因过度热循环而产生变形，并代表控制工具；(3)附属结构和面板的接合表面在组装期间可以进行控制；(4)关键零部件在组装期间是固定定位的；(5)采用可以非常精确地机加工零部件的数控切削加工装置，从而减少各种公差；以及(6)实现组装变异减少和补偿措施。
另外一些目的，特性以及优点在以下文字说明中将清楚明了。
作为本发明特征的新颖性将在所附各项权利要求之中进行说明。不过，本发明自身、优选实施方式以及另外的一些目的和优点将参照以下详细说明并结合附图得以最好的理解，附图中图1是一种斜置旋翼飞机的透视图，此机具有根据本发明的可互换和可更换的零部件；图2A和2B是图1的斜置旋翼飞机左侧发动机舱的局部透视图；图3是示意图，表明构成图2A和2B的发动机舱的外部蒙皮的四块面板的典型相交处；图4是本发明制造过程的流程图；图5是根据本发明的一种组装设备的示意图；图6是结合图5的组装设备使用的一种粘合模具的透视图；图7是结合图5的组装设备使用的一种机器托持装置的透视图；图8是结合图5的组装设备使用的一种机加工中心的透视图；图9是透视图，该图示出模板和面板的安装以及在钻孔之前与其相关联的间隙的查验。
具体实施例方式
可以理解，本发明可以用于广为多样的制造用途。一种特别良好地适于本发明的用途是制造可组装起来以形成飞机蒙皮的面板，诸如斜置旋翼飞机的机翼、机身和发动机舱。因而，虽然本发明将就斜置旋翼飞机发动机舱的可互换和可更换的零部件的制造和组装予以说明，但应当理解，本发明可以用于任何工业或制造用途，其中由于与完全可互换和可更换的零部件相结合而要求严密的相对位置公差。
参照附图中的图1，其中图示一种按照本发明方法和设备制造的具有可互换和可更换的零部件的军用斜置旋翼飞机11。斜置旋翼机发动机舱总成15a和15b由翼件17a和17b托持，并分别枢转设置在翼件17a和17b的端部19a和19b。翼件17a和17b联接于机身20。斜置旋翼机发动机舱总成15a和15b包括发动机舱21a和21b，所述发动机舱装放发动机、传动装置和驱动旋翼螺旋桨23a和23b的螺旋桨齿轮箱。螺旋旋桨23a和23b分别设置在发动机舱21a和21b的前端25a和25b，并分别包括桨毂24a和24b以及旋翼螺旋桨叶片27a和27b。与传统的斜置旋翼飞机相同，旋翼螺旋桨23a和23b彼此相对反向转动，亦即如果在斜置旋翼飞机11处在飞机模式中时向尾部方向观看的话，旋翼螺旋桨23a反时针转动而旋翼螺旋桨23b顺时针转动。斜置旋翼机发动机舱总成15a和15b在直升机模式与飞机模式之间相对于翼件17a和17b转动，在前一模式中斜置旋翼机发动机舱总成15a和15b向上倾斜，使得斜置旋翼飞机11可以像传统直升机那样起飞、停悬、飞行和着陆，而在飞机模式中，斜置旋翼机发动机舱总成15a和15b向前倾斜，使得斜置机翼飞机11可以像传统固定机翼推进器驱动的飞机那样飞行。在图1中，斜置旋翼飞机11示于直升机模式。
现在参照附图中的图2A和2B，其中图示了左发动机舱21b的两个局部透视图。在这些视图中，可以看到形成发动机舱21b蒙皮的多种面板。一些面板I设计成可以互换；其他一些R设计成只是可以更换的面板；一些面板H设计成以铰链方式连接于居下的框架结构；而其他一些面板F设计成永久固定于居下的框架结构。这些面板有许多是承载构件，需要特定的严密公差以及固紧件。本发明提供一种装置，通过该装置，诸如发动机舱21b的结构能够供以设计、制造、组装和维护，从而最大化可用性并且最小化劳力、废料、维护时间、停机时间和成本。
现在参照附图中的图3，图示了发动机舱21b四块面板的典型相交处31。在此实例中，相交处31位于飞机11的367.60/82.40工位处，并包括四块单独的面板33、35、37和39的接合，其中面板33和35是固定面板，面板37是可互换和可更换的面板，面板39是铰接面板。相交处31是由工程师利用计算机辅助设计和制造软件设计而成的。如图3的实例中所示，发动机舱21b在所有面板和舱门之间具有标称的0.080″的间隙，铰接舱门的零安装能力(rigging capability)，并且米尼玛克(Mini-Mark)IV型固紧件具有0.010″的径向游隙。不过，0.080″间隙一般在指定的工位处是对分的。这样严格的设计公差是很具代表性的，并且是严格的空气动力平滑性和承载要求的结果。
本发明是一种独特的组合，其中专门的生产过程与专门的切削加工工艺结合使用。本发明的过程提供一种切削加工过程成套设施，该设施能够通过在过程中的每一工序处计及公差积累和过程变异而对其予以控制。面板的可互换性和可更换性是通过结合专门的切削加工和各种能够以最少的操作干预来补偿和调节各种过程和切削加工变量的过程而获得的。
现在参照附图中的图4，图中图示了表明本发明制造过程各工序的流程图51。该过程在工序53处开始，建立一些与实际仪表相协调的工具，如当前在太空切削加工工业中的实践那样；但是与工程电子模型相协调。这样就减小了各种切削加工装置所需的公差量。下一工序，工序55采用可形成最小变异量的方法来制造各组件的细部。这一工序采用可供使用的切削加工装置产生尽可能接近于工程设计技术规范的组装细部。
该过程继续到工序57处，此工序要生产一些可“复制”零部件作用方式的切削加工模板。这是很重要的，因为模板需钻出结构必须匹配面板的孔眼。没有这种匹配，就不可能具有真正可互换和可更换的零部件。为了实现工序57，各工具按照实际零件制成。通过采用与用在零部件上的相同的制作过程，得出的工具具有“最小”的切削加工公差。通过在产品与切削加工之间分担公差，有可能制成能够达到严格的工程设计公差的真正的可互换和可更换面板。此过程在工序59处完成，工序59表示采用精确切削加工精密装置和制成真实零部件形状的切削加工模板进行的零部件的最后制作和组装。
现在参照附图中的图5-9，图中图示了根据本发明的组装设备71的优选实施例。组装设备71包括用于定位附属结构组件的装置、组装安装工具77以及切削加工零件，从而钻出将用以定位面板模板(用于钻出可互换和可更换面板的各种孔眼形状)和固定面板的安装协调特征。机加工中心73使得可互换和可更换的组件可被加工成工程电子模型。粘合模具75主要控制面板的外部型线以确保一致的表面将符合空气的气流。机器托持装置79采用真空托持装置将面板托持于面板的内部型线，这种设计思想背后的原理是要调节面板与附属结构外形之间的变化。利用电子模型机加工零件周边以及钻出孔眼可形成新的切削加工系列，该系统与工程电子模型相协调而不与进一步减少公差状态的任一实际仪表相协调。为此原因，组装设备71要求组装发动机舱和定位面板具有较小的工程设计公差，同时在需要的情况下获得较大的灵活性，以补偿过程变异，从而使所进行的组装符合工程技术规范。
由于零部件变化和用于现有技术制造方法中的切削加工工艺，不可能精确地控制结构和面板之间的接合表面。而这本来在保持邻接各面板之间的间隙方面是至关重要的。本发明通过改变零部件在组装过程期间固定定位的方式来解决这一问题。比如，组装安装工具77包括一些更接近地表示相应面板的特征的孔眼图形，并用以定位安排来钻出飞机结构中面板孔眼的钻具。每个单独固紧件允许0.010英寸的径向游隙，但由于公差积累，游隙可能在定位第二固紧件之后就“用光”了，导致要求所有其他固紧件被名义上定位以确保可互换性和可更换性。此外，组装设备71的那些另外会经受热胀冷缩的组件是由不经受热力循环的材料制成的。这些改进会得到一致的接合表面。
本发明通过控制各面板在组装高度处的位置而解决了固定定位某些面板和其余一些面板的装入问题。这是通过在附属结构组件上安置一个或多个定位孔眼并且将切削加工装置固牢于定位孔眼而实现的。定位孔眼与面板中的固紧件孔眼共用，对于固定的面板，所有的其余孔眼同时被钻过零部件和居下框架结构。对于可互换和可更换的面板来说，定位过程是一样的，例外的是一种切削加工模板用以代替面板，因为实际面板已经装上固紧硬件，该硬件可防止向结构内回钻孔眼。这种固定定位过程可确保所有的孔眼都是对齐的，而且所有的机加工和组装都是以其工程设计标准相对于切削加工装置而完成的。已公知的是，在其他工厂制成的固定面板以及可互换和可更换面板中都有一些导引孔眼，辅助结构孔眼按照它们回钻而成，并且切削加工模板用于钻出辅助结构孔眼。这种对齐核查方法示出于图9中。
采用图5-9的组装设备71和本发明的方法，固定面板F采用以下过程安装到发动机舱21b上。首先，提供具有两个定位孔眼的框架的组件。然后，框架部件采用用以将此部件经由两个定位孔眼固牢于组装设备的切削加工销来被固牢于组装设备71的适当位置处。接着，与组装设备71操作关联的钻件在框架部件上钻出两个协调孔眼以容纳固定面板F。不在框架部件上预先钻出各协调孔眼的原因是要消除来自其他工厂的差异。钻件包括导引钻头的钻套。然后，固定面板F采用协调孔眼中的切削加工销件被固牢于框架部件。这样就确保固定面板F相对于框架部件和组装设备71得到正确的定位。在此优选实施例中，固定面板F具有所有其所需的预先钻有微小导向孔眼的孔眼。一旦固定面板被牢固于框架部件，所有必需的孔眼都同时钻穿框架部件和固定面板F。
可互换和可更换的面板的制造过程等同于上述过程，例外的是，一钻孔模板用来代替真实的可互换和可更换的面板。
按照本发明，制作产品零部件的相同过程用以制作用于钻出与可互换和可更换零部件共用的结构孔眼的模板。通常，产品零件是挠性面板。这些挠性模板也可以称作“保形模板”。保形模板允许模板复制产品零部件的可挠性。
前述过程还包括一种最终变异补偿措施。该最终变异补偿措施出现在协调孔眼已经被钻出以及各个固定面板与可互换和可更换的模板已经被定位于所述结构之后，并在任何额外面板固紧孔眼被钻出之前。在该优选实施例中，作为最终误差减除工序，所有组件与小型销件一起被定位于附属结构。这样，在需要时允许最大的移位和调节。在此过程中，比如，一框架部件被永久地安装。然后，小型销件被安放到框架部件上的小型孔眼之内。接着，邻接面板的两块模板被定位在框架部件上方。小型销件穿过第一模板的正常大小的孔眼。如果第一模板不匹配于第二模板，那么第一模板被移动到直至其或是处在获得标称间隙的正确位置上，或是与销件相接触。一旦两个模板被正确定位，那么销件就被移去而使钻头穿过模板上的正常大小的孔眼，并穿过框架部件钻出正常大小的孔眼。这种钻削过程在框架部件上钻出小型孔眼。这一过程必要时予以重复。然后，与面板安装有关的最终组装得以实现。
本发明的这种方法和设备利用了允许工具更加密切地与工程设计值相协调而又要求不大的工程设计公差的工具制造新工艺。这允许在组装过程期间采用较大的公差。另外，公差的变异和积累利用可补偿这些因素的新式切削加工而在整个过程中予以减少。这些过程和切削加工工艺只是在彼此结合使用时才是一种有效的解决办法。
显然，已经说明并图示了一种具有显著优点的发明。虽然本发明是以有限数量的形式示出的，但并不只局限于这些形式，而可在不偏离其精神的情况下进行多种变化和改进。
权利要求
1.一种制造具有可互换组件的结构的方法，包括以下各工序设置精确的数控组装和机加工工具(assembly and machining tool)；设置多个框架组件；将所有的框架组件固定定位在所述组装和机加工工具上；设置多个零部件；将所有所述零部件固定定位在所述组装和机加工工具上；使至少一个细部模板操作联接于所述组装和机加工工具；以及使用所述细部模板同时机加工所述框架组件和所述零部件，从而生产可从一种结构互换至另一结构的零部件。
2.按照权利要求1所述的方法，其中将所有零部件固定定位在所述组装和机加工工具上的工序通过在所述框架组件上预先钻出至少两个定位孔眼而实现，所述定位孔眼与所述组装和机加工工具中的对应定位孔眼对齐。
3.按照权利要求1所述的方法，其中将所有零部件固定定位在所述组装和机加工工具上的工序包括以下各步骤在所述框架组件上钻出至少两个协调孔眼；在所述零部件上预先钻出与所述框架组件上的协调孔眼对齐的至少两个协调孔眼；在所述协调孔眼处将所述零部件连接于所述框架组件；
4.按照权利要求1所述的方法，还包括以下各工序在所述零部件上预先钻出一些小导引孔眼；以及在所述零部件已经被固定定位在所述框架组件上之后通过所述导引孔眼钻出连接孔眼。
5.按照权利要求1所述的方法，还包括以下各工序在所述框架组件上设置小型孔眼；将邻接的细部模板定位在所述框架组件上面；在所述模板中设置连接孔眼，所述连接孔眼大于所述小型孔眼；使用穿过所述连接孔眼和所述小型孔眼的小型销件将所述框架组件和所述零部位配装在一起；通过相对于另一细部模板移动一个细部模板来调整所述细部模板的装配，所述移动由所述小型销件予以限制；移去所述小型销件；使用与所述连接孔眼具有相同直径的钻头钻穿所述连接孔眼和所述小型孔眼，以便钻出(bore out)所述小型孔眼；用所述零部件代替所述细部模板；以及将所述零部件固紧于所述框架组件。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述零部件是形成飞机外部蒙皮的可互换面板。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述零部件是形成飞机外部蒙皮的可更换面板。
8.按照权利要求1所述的方法，其中所述零部件是形成飞机外部蒙皮的铰接面板。
9.按照权利要求1所述的方法，其中所述零部件是形成飞机外部蒙皮的固定面板。
全文摘要
本发明公开一种制造方法和设备，由此，特定生产过程结合特定切削加工工艺从而提供一种切削加工过程成套设施，该设施能够通过在过程中的每一工序处计及公差积累和过程变异而对其进行控制。本发明特别适用的一种应用场合是制造可以组装起来以形成斜置旋翼飞机(11)的蒙皮的各种面板。
文档编号B64F5/00GK1839003SQ200480023834
公开日2006年9月27日 申请日期2004年2月20日 优先权日2004年2月20日
发明者迈克尔·A·格林 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司