中國(guó)人民解放軍駐沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司軍事代表室 陳海峰

中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)( 集團(tuán) )有限公司 李海偉 徐 戩 安春英

20世紀(jì)90年代后，飛機(jī)制造業(yè)對(duì)飛機(jī)裝配技術(shù)提出了高質(zhì)量、高效率、低成本并能適應(yīng)多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接采用的主要方法是機(jī)械連接，一架大型飛機(jī)上約有150萬～200萬個(gè)鉚釘和螺栓[1-2]。目前情況下這些鉚釘孔和螺釘孔的制孔過程都是操作者用手持風(fēng)動(dòng)工具通過手工控制進(jìn)行制孔，制孔質(zhì)量、連接質(zhì)量難以滿足高性能飛機(jī)的質(zhì)量要求。

目前，本單位承擔(dān)的某飛機(jī)尾翼盒段尺寸較大，尾翼壁板被稱為是亞洲最大的復(fù)合材料壁板，單面壁板制孔量高達(dá)5000以上，手工制孔工作量極大，效率極低。同時(shí)該機(jī)型研制生產(chǎn)采用民用飛機(jī)的管理模式，對(duì)緊固件孔的制造精度提出了很高的要求，φ4mm、φ6mm螺栓孔精度為H9，φ8mm及以上的孔精度為H7，對(duì)制孔精度要求的提高也給手工制孔帶來更大難度。為了保證裝配質(zhì)量要求，工人在制孔過程中要進(jìn)行預(yù)安裝-劃線-制初孔-透孔-擴(kuò)孔-鉸孔-锪窩一系列操作，操作過程中還要反復(fù)安裝并拆卸壁板，而飛機(jī)尾翼壁板尺寸大，反復(fù)拆裝并定位極不方便，增加了工人的工作量和安全隱患，而且生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量低。同時(shí)，復(fù)材構(gòu)件制孔過程中會(huì)產(chǎn)生碳纖維粉塵，嚴(yán)重危害操作者的健康，帶來健康隱患。因此，本單位在某飛機(jī)尾段裝配過程中首次引進(jìn)自動(dòng)制孔技術(shù)，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了很大作用，同時(shí)，對(duì)于提高軍機(jī)制造水平也具有重要意義。

1 自動(dòng)制孔系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)制孔系統(tǒng)針對(duì)飛機(jī)翼面的自動(dòng)制孔，解決手工裝配時(shí)復(fù)合材料(碳纖維)和鋁合金疊層材料制孔效率低下，制孔質(zhì)量穩(wěn)定性差等技術(shù)難題。該自動(dòng)制孔系統(tǒng)的作業(yè)范圍大，配合工裝系統(tǒng)可以滿足翼面類產(chǎn)品的裝配需求，應(yīng)用對(duì)象有一定的廣泛性和適用性。

本系統(tǒng)采用五坐標(biāo)立柱形式，由支撐移動(dòng)定位平臺(tái)和多功能末端執(zhí)行器組成。制孔時(shí)，要保證制孔主軸與工件表面垂直。制孔產(chǎn)生的屑渣和粉塵要及時(shí)抽走，壓腳的壓緊力可以根據(jù)不同的制孔情況調(diào)整。該制孔系統(tǒng)適用于鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等材料制件的制孔，能在鉆頭一次進(jìn)給中完成制孔和锪窩。制孔前后系統(tǒng)可對(duì)鉆頭的狀態(tài)進(jìn)行檢查，具有刀具破損檢測(cè)功能。設(shè)備有潤(rùn)滑、冷卻、主軸恒溫等輔助系統(tǒng)。對(duì)于不同的疊層材料，制孔要求一次完成。

本自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括：X軸、Y軸、Z軸、A軸、B軸及W軸(進(jìn)刀軸)。X軸采用雙齒輪消隙的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)形式，可以消除X軸行走過程中因齒輪齒條間隙而產(chǎn)生的誤差；Y、Z軸及W軸為直線導(dǎo)軌配滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)形式。A、B軸采用THK軸環(huán)配齒圈的驅(qū)動(dòng)。各軸均用光柵或磁珊檢測(cè)形成全閉環(huán)控制以保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度。自動(dòng)制孔主機(jī)采用德國(guó)西門子840D作為主控制系統(tǒng)，具有X、Y、Z、A、B五軸聯(lián)動(dòng)功能。同時(shí)系統(tǒng)還采用了激光測(cè)距、工業(yè)相機(jī)定位、光柵、磁柵等高精度測(cè)控技術(shù)，大大提高了機(jī)床在各種姿態(tài)下的定位精度。末端執(zhí)行器用于實(shí)現(xiàn)裝配部件基準(zhǔn)孔的照相定位、工件壓緊、法向測(cè)量及調(diào)整、自動(dòng)制孔、粉塵抽吸、孔徑和位置檢測(cè)等功能。

圖1為自動(dòng)制孔系統(tǒng)工作示意圖。圖2為自動(dòng)制孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

1.1 系統(tǒng)各部分構(gòu)成

(1) 主機(jī)部分。

圖1 自動(dòng)制孔系統(tǒng)工作效果圖Fig.1 Rendering of automatic drilling system

X軸采用GUDEL導(dǎo)軌配齒輪齒條，Y、Z軸及換刀軸和主軸進(jìn)刀軸為直線導(dǎo)軌配滾珠絲杠。A、B軸采用THK軸環(huán)配齒圈。各軸均用磁珊檢測(cè)形成大閉環(huán)以保證機(jī)床精度。

(2) 地基部分。

地基部分由大鋼制型材鋪設(shè)，同時(shí)用快固水泥與地面固定，保持設(shè)備的地基穩(wěn)固使機(jī)床運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。導(dǎo)軌支撐梁下有萬向型調(diào)整墊，可以保證導(dǎo)軌安裝的精度要求。

(3) 裝配后的調(diào)整要求。

機(jī)床各部分落穩(wěn)調(diào)好后3個(gè)月要進(jìn)行復(fù)查，校驗(yàn)看是否有變化，如有變化要重新調(diào)整。最終保證整體設(shè)備精度的穩(wěn)定性。每次安裝固定產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)品的加工孔位都要與機(jī)床坐標(biāo)系保持一致，誤差不超過0.5mm。鉆孔前要定義鉆頭的位移傳感器的加工孔的深度位置，以確保加工深度。每次開機(jī)時(shí)先查看各位置的監(jiān)控設(shè)備是否工作正常。

(4) 自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

1.2 系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)

本自動(dòng)制孔系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

表1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)移動(dòng)定位平臺(tái)技術(shù)。

該系統(tǒng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)采用高精度、輕質(zhì)量、多坐標(biāo)的設(shè)計(jì)模式，工作頭采用五坐標(biāo)的設(shè)計(jì)模式。另外，由于驗(yàn)證件的尺寸相對(duì)較大，相應(yīng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸也比較大。

(2)多功能末端執(zhí)行器技術(shù)。

在有限的安裝空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)制孔、壓緊、抽塵、制孔進(jìn)給等功能部件的布置安裝，且要求具有質(zhì)量輕，可靠性高的特點(diǎn)。

(3)精益制孔技術(shù)。

涉及啄式自動(dòng)制孔技術(shù)、夾層壓緊技術(shù)、液態(tài)墊片技術(shù)和聚晶金剛石刀具技術(shù)等的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)壁板裝配過程中的精密制孔，提高裝配質(zhì)量和減少裝配工時(shí)。

(4)系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理技術(shù)。

對(duì)移動(dòng)定位平臺(tái)和多功能末端執(zhí)行器等進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和故障處理，確保柔性自動(dòng)制孔設(shè)備的各單元可靠運(yùn)行。

(5)系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)技術(shù)。

涉及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成調(diào)試，系統(tǒng)各單元的協(xié)同控制，系統(tǒng)全線運(yùn)行聯(lián)調(diào)。

(6)數(shù)字化仿真技術(shù)。

利用CATIA、DELMIA等加工、裝配仿真軟件，對(duì)制孔過程進(jìn)行可視化仿真，從而進(jìn)行制孔路徑的干涉分析，并利用其有限元分析功能，實(shí)現(xiàn)刀具參數(shù)及加工工藝參數(shù)的初步選取。

(7)制孔刀具選取技術(shù)。

在數(shù)字化仿真的基礎(chǔ)上，初步確定刀具的結(jié)構(gòu)形式與主要參數(shù)，并通過在壁板模擬件及試驗(yàn)件上的各種制孔試驗(yàn)，獲得所用刀具的最佳刀具參數(shù)。

(8)自動(dòng)化法線測(cè)量技術(shù)。

在制孔工程中，法線的準(zhǔn)確程度是制孔質(zhì)量的最重要部分，也是自動(dòng)制孔過程中最難以保證的部分。通過在自動(dòng)化制孔設(shè)備上添加法線測(cè)量設(shè)備的手段，最終保障法線測(cè)量與控制。

2 自動(dòng)制孔系統(tǒng)工藝參數(shù)分析研究

2.1 壁板壓緊的最佳形式及壓緊力

飛機(jī)裝配無毛刺的要求主要體現(xiàn)在零件之間的貼合面上，也就是連接的2個(gè)或2個(gè)以上的零部件之間不允許有毛刺和切屑[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)制孔過程中貼合面處如何減少毛刺產(chǎn)生問題的理論研究較少。人工制孔過程中可以將制孔零件拆除后進(jìn)行去毛刺操作，但這一過程很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，所以在自動(dòng)制孔過程中實(shí)現(xiàn)無毛刺制孔工藝意義重大。在自動(dòng)制孔過程中，控制毛刺產(chǎn)生問題的關(guān)鍵因素就是壓緊力大小。

某飛機(jī)尾翼壁板采用復(fù)合材料，肋骨采用鋁合金的結(jié)構(gòu)形式，壁板由于尺寸大，所以剛度較差，同時(shí)，表面曲率不同，在需要鉆孔的區(qū)域如果兩個(gè)貼合面存在加工誤差，就會(huì)使兩層貼合面之間產(chǎn)生間隙，如圖3(a)所示；同時(shí)在制孔時(shí)，鉆削軸向進(jìn)給力也會(huì)引起貼合面之間的間隙，如圖3(b)所示，這些間隙就為貼合面的毛刺提供了成長(zhǎng)空間，直接影響了貼合面上的鉆孔質(zhì)量[1]。

為了解決該問題，自動(dòng)制孔系統(tǒng)通過局部施加壓緊力來克服夾層界面分離，使裝配的零件在制孔時(shí)“形成”一體，避免貼合面上出現(xiàn)過大毛刺，從而達(dá)到工藝要求?？梢哉f解決貼合面毛刺問題，壓緊力比其他影響因素更重要。如圖3(c)所示，在合理的壓緊力情況下，貼合面可以達(dá)到理想范圍內(nèi)的貼合，從而有效控制毛刺高度。因此如何得到一個(gè)合適的壓緊力才是關(guān)鍵，不僅達(dá)到“無毛刺”制孔的要求，同時(shí)還要兼顧壓緊力對(duì)結(jié)構(gòu)撓度的影響。通過合理施加單向壓緊力，來保證零件貼合面無毛刺的前提下，盡量減少產(chǎn)品表面的變形和制孔設(shè)備的負(fù)載[3]。

圖3 壓緊力對(duì)貼合面間隙的影響Fig.3 Influence of compaction force for clearance of joint surface

本文在某飛機(jī)尾翼試驗(yàn)件上進(jìn)行了一組試驗(yàn)，分析壓緊力對(duì)夾層結(jié)構(gòu)毛刺產(chǎn)生的影響。具體為：在設(shè)備操作界面“參數(shù)設(shè)置”選項(xiàng)中將壓緊力分別設(shè)定為150、300、500、700、900、1100N 情況下制孔時(shí)夾層結(jié)構(gòu)之間的最大間隙，在該最大間隙的貼合面上研究不同的壓緊力對(duì)間隙的影響，研究不同的壓緊力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毛刺的影響。

試驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形式包括“工字型”肋骨及壁板，示意圖見圖4。

圖4 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of test pieces

通過系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著壓緊力增加，夾層結(jié)構(gòu)貼合面間隙逐漸減小，當(dāng)壓緊力為700～900N時(shí)，貼合面間隙變化趨勢(shì)漸緩，為0.01～0.016mm，當(dāng)壓緊力繼續(xù)增加至1100N左右時(shí)，貼合面的間隙逐漸增大，間隙增大則毛刺產(chǎn)生的問題相對(duì)嚴(yán)重。

通過分析，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象與肋骨的截面形式是有關(guān)系的，肋骨的截面成“工”字型，出現(xiàn)最大間隙的區(qū)域處于“工”字框“|”一側(cè)，在該區(qū)域，“工”字框的剛度很差，造成了“工”字框的變形比較大，因此在達(dá)到了900N以上時(shí)，兩者貼合面的間隙出現(xiàn)了“不降反升”的現(xiàn)象，因此確定了在該結(jié)構(gòu)形式下，自動(dòng)制孔系統(tǒng)壓緊力為700～900N時(shí)可以很好地控制毛刺產(chǎn)生。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度

除了保證孔邊毛刺達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)外，制孔過程中還要保證孔壁和锪窩表面粗糙度符合要求，其主要影響因素為制孔過程中的主軸轉(zhuǎn)速及刀具進(jìn)給速度。

本文分別設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min、3000r/min、5000r/min、7000r/min，進(jìn) 給 量 為 300mm/min、700mm/min、1100mm/min、1500mm/min 時(shí)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行制孔，制孔質(zhì)量結(jié)果如表2所示。

表2 不同主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量時(shí)的制孔結(jié)果

根據(jù)表2結(jié)果，通過分析得出本自動(dòng)制孔系的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的最佳參數(shù)分別為5000r/min和700mm/min。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，總體上相同轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)給量越大，粗糙度相應(yīng)越大，毛刺高度越大，越容易劃傷孔壁；相同進(jìn)給量時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)制孔質(zhì)量的影響并不明顯。經(jīng)過分析，試驗(yàn)結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)與理論存在部分偏差，原因可能是由于制孔時(shí)刀具參數(shù)的變化引起的，在制孔過程中，刀具本身的磨損也會(huì)影響制孔質(zhì)量。

3 自動(dòng)制孔系統(tǒng)工藝流程

經(jīng)過對(duì)自動(dòng)制孔系統(tǒng)近半年的試運(yùn)行及系列試驗(yàn)，自動(dòng)制孔系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用于某飛機(jī)尾翼的裝配過程中，其主要工藝流程如下。

(1)調(diào)整刀具。將鉆頭、刀柄放在對(duì)刀儀上，在對(duì)刀儀上進(jìn)行激光檢測(cè)，測(cè)量刀尖長(zhǎng)度、刀具總長(zhǎng)度等參數(shù)，并在設(shè)備上填寫刀具信息表，其中刀尖長(zhǎng)度、刀具總長(zhǎng)度為實(shí)測(cè)值，锪窩深度等為理論值(不同直徑的鉆頭各項(xiàng)參數(shù)需要分別設(shè)置，并在選定直徑后在刀具信息表上勾選出所選刀具的規(guī)格，此時(shí)刀具參數(shù)才會(huì)在自動(dòng)制孔過程中生效；建議每次安裝刀具前均對(duì)刀具的尺寸在對(duì)刀儀上進(jìn)行校對(duì)，換刀時(shí)需扶住鉆頭，防止刀具彈出)。

(2)校準(zhǔn)。用自動(dòng)制孔設(shè)備上的相機(jī)拍攝試片臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，最少重復(fù)拍攝兩次，若結(jié)果偏差較小(0.05～0.1mm左右)，則可以正常進(jìn)行試鉆。若結(jié)果偏差較大，不可繼續(xù)操作，需對(duì)相機(jī)和自動(dòng)制孔機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，直至校準(zhǔn)結(jié)果正常。

(3)試鉆。根據(jù)制孔直徑選擇合適的刀具，并在試片臺(tái)上進(jìn)行試鉆。試鉆過程中需要檢查锪窩深度、孔徑及孔精度，壓力傳感器是否正常工作；切削過程中切屑是否正常，對(duì)不符合要求的參數(shù)進(jìn)行修正(每次更換刀具時(shí)，均需重新進(jìn)行校準(zhǔn)與試鉆)。

(4)導(dǎo)入制孔信息。將三維模型中的產(chǎn)品連接釘位空間信息(包括釘位的三維坐標(biāo)及垂直零件外表面的法向量參數(shù))導(dǎo)入自動(dòng)制孔系統(tǒng)中。

(5)制孔。選擇釘位進(jìn)行自動(dòng)制孔。自動(dòng)制孔設(shè)備具有激光尋法功能，當(dāng)鉆頭與零件表面垂直度超過允許值時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)報(bào)警，需要人工對(duì)此處點(diǎn)位的向量信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

(6)檢驗(yàn)。每鉆20個(gè)孔左右需進(jìn)行一次檢查，驗(yàn)證刀具是否可以正常使用。若存在問題，則需更換新的鉆頭。

4 自動(dòng)制孔技術(shù)應(yīng)用結(jié)果分析

(1) 生產(chǎn)效率方面。

在某飛機(jī)尾翼裝配過程中，制孔操作占裝配工作量的30%左右，傳統(tǒng)制孔操作一般經(jīng)過3至5次加工才能完成，高精度孔甚至需要更多次的加工，而且，手工制孔完成后由于鉆孔過程中夾層中間存在毛刺及切屑，需將夾層結(jié)構(gòu)分離，逐一清理毛刺和切屑后再重新定位，大大增加了工人的勞動(dòng)量和勞動(dòng)時(shí)間；應(yīng)用自動(dòng)制孔系統(tǒng)進(jìn)行制孔，可一次高速鉆出優(yōu)質(zhì)孔位，通過在某飛機(jī)尾翼裝配過程的試驗(yàn)，自動(dòng)制孔系統(tǒng)的應(yīng)用使裝配周期比手工裝配縮短30%以上，大大提高了裝配效率。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量方面。

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配中的制孔主要以手持風(fēng)動(dòng)工具鉆孔為主，制孔過程全靠人為控制，易形成孔徑偏大、孔垂直度不滿足要求、毛刺多等缺陷，通過對(duì)比某飛機(jī)尾翼復(fù)合材料壁板手工制孔和應(yīng)用自動(dòng)制孔技術(shù)制孔后孔質(zhì)量及孔周邊毛刺情況發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用自動(dòng)制孔系統(tǒng)制得的緊固件孔周邊毛刺明顯少于手工制孔；傳統(tǒng)制孔過程中，制孔精度完全依賴于工人技術(shù)水平，對(duì)工人技術(shù)熟練程度要求過高，人為因素影響無法避免。

在孔位精度控制方面，傳統(tǒng)孔位確定主要通過簡(jiǎn)易工裝或人工劃線完成，孔位精度無法保證。自動(dòng)制孔系統(tǒng)調(diào)試完成后，按照預(yù)定工藝流程和加工要求進(jìn)行了大量的制孔試驗(yàn)。首先根據(jù)飛機(jī)壁板三維模型數(shù)據(jù)，采用基準(zhǔn)邊定位的方式在長(zhǎng)約2000mm、寬約500mm、壁厚5mm的鈦合金板上進(jìn)行了制孔測(cè)試試驗(yàn)。刀具選用精度為H7級(jí)的鉆鉸復(fù)合刀。試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，進(jìn)給為0.08mm/r。圖5為制孔試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)完成后采用明膠板對(duì)點(diǎn)的方式檢測(cè)系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度，明膠板幾何尺寸以及各個(gè)孔位置分布與飛機(jī)壁板完全相同，其上以十字交叉線表示各個(gè)孔中心，通過檢測(cè)，系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度大約為±0.3mm，相比于傳統(tǒng)制孔，應(yīng)用自動(dòng)制孔系統(tǒng)制得的孔位精度更高、更穩(wěn)定。

圖5 自動(dòng)制孔試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Test site of automatic drilling

5 結(jié)束語

近年來我國(guó)的柔性裝配技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但與國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)裝配技術(shù)相比較，仍然存在差距，有些方面甚至還處于空白，制約了飛機(jī)研制生產(chǎn)水平的提高。因此，推行數(shù)字化裝配技術(shù)是飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]，而數(shù)字化裝配技術(shù)離不開先進(jìn)的自動(dòng)制孔技術(shù)。同時(shí)，伴隨航空結(jié)構(gòu)件向著薄壁化、整體化和復(fù)雜化方向發(fā)展，機(jī)體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量、高效率、氣動(dòng)等方面的要求，使裝配制孔比以往要求更高、更精[5]，為了提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，引入自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)精密制孔是一個(gè)很重要的途徑[6]。

自動(dòng)制孔系統(tǒng)的應(yīng)用，不但能使飛機(jī)裝配周期大大縮短，而且能夠提高裝配質(zhì)量、降低制造成本，推動(dòng)和加速我國(guó)飛機(jī)的研制工作，對(duì)促進(jìn)我國(guó)飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)盡快達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的跨越式發(fā)展具有重要意義。

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