首 都 航 天 機(jī) 械 公 司 章茂云 孟令博 孫立強(qiáng) 張秀艷 莊樹鵬

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 安立輝

隨著裝配制造業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，鉚接的機(jī)械化和自動(dòng)化已成為鉚接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，自動(dòng)鉆鉚做為機(jī)械連接的先進(jìn)技術(shù)之一，具有生產(chǎn)效率高、制孔和鉚接精度高、質(zhì)量好、工人勞動(dòng)環(huán)境好、操作便捷易掌握等優(yōu)點(diǎn)[1]。

自動(dòng)鉆鉚技術(shù)從20世紀(jì)50年代開始，經(jīng)歷了半自動(dòng)化、自動(dòng)化的發(fā)展階段，逐漸向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。美國是發(fā)展自動(dòng)鉆鉚技術(shù)最早的國家，GEMCOR公司是自動(dòng)鉆鉚機(jī)的最早制造廠商，它是世界各國飛機(jī)制造業(yè)自動(dòng)鉆鉚機(jī)的主要供應(yīng)商之一；Electroimpact（EI）公司在研制開發(fā)高自動(dòng)化龍門臥式鉚接裝配系統(tǒng)方面極具潛力[2]。另外，德國BR?TJE公司、意大利BISACH&CARRU公司和法國ALEMA公司也相繼對(duì)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。我國由于承擔(dān)國外一些民機(jī)小部件的鉚接裝配工作，20世紀(jì)80年代中期自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航空領(lǐng)域開始得到應(yīng)用，而在我國自行研制的飛機(jī)上并沒有得到應(yīng)用[3]。但我國對(duì)于自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的研究和應(yīng)用越來越重視，近年來西飛、成飛、沈飛等航空公司對(duì)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的工程應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空制造工程研究所等針對(duì)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)開展技術(shù)研究，取得了一定成果。

在航天裝配制造行業(yè)，由于國外先進(jìn)鉚接技術(shù)對(duì)我國實(shí)行封閉，幾十年來一直沿用傳統(tǒng)的手工鉚接工藝。近年來，為了提高航天產(chǎn)品鉚接效率、改善工人勞動(dòng)環(huán)境、確保產(chǎn)品裝配質(zhì)量，首都航天機(jī)械公司積極開展航天產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚工藝研究，為自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 運(yùn)載火箭殼段產(chǎn)品對(duì)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的應(yīng)用需求

運(yùn)載火箭殼段產(chǎn)品外形多為筒體和錐體，主要由鋁合金蒙皮、端框、中間框、桁條和大梁組成，各零件之間主要采用鉚釘和螺釘進(jìn)行連接，其中鉚接占90%以上。目前，運(yùn)載火箭殼段產(chǎn)品鉚接裝配仍然采用傳統(tǒng)氣動(dòng)手工鉚接裝配工藝，主要工作包含劃線、鉆導(dǎo)孔、透孔、制窩、鉚接，中間穿插去毛刺、清理等過程，操作過程主要使用風(fēng)鉆、鉚槍、頂鐵等工具。盡管現(xiàn)有的氣動(dòng)手工鉚接工藝能夠完成各型號(hào)研制生產(chǎn)任務(wù)，并取得了一定成績。但是，隨著航天產(chǎn)品單發(fā)研制向批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化過程中，手工鉆鉚效率和質(zhì)量受工人技能水平、勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)環(huán)境等因素的影響，已難以滿足急劇增長的發(fā)射任務(wù)需求，急需通過新技術(shù)的引進(jìn)來解決上述問題。

1.1 精確制孔對(duì)自動(dòng)鉆鉚的需求

在傳統(tǒng)手工鉆孔工藝中，孔的位置依靠工人手工劃線來確定，該方式一方面孔位置精度低、孔間距一致性差，另一方面效率較低。對(duì)于一些位置精度要求較高的孔則采用樣板來確定，但是設(shè)計(jì)和制造樣板會(huì)延長產(chǎn)品制造周期、增加制造成本。另外，由于手工鉆孔參數(shù)難以控制，致使鉆孔質(zhì)量難以保證，而孔的質(zhì)量直接影響鉚釘連接質(zhì)量，進(jìn)而影響產(chǎn)品的疲勞壽命[4]。采用自動(dòng)鉆孔不但可以提高孔的位置精度，而且可以大大改善鉆孔質(zhì)量。

1.2 鉚接質(zhì)量及可靠性對(duì)自動(dòng)鉆鉚的需求

在傳統(tǒng)氣動(dòng)手工鉚接中，工人技能水平對(duì)鉚釘外觀成形質(zhì)量有很大影響，同時(shí)氣動(dòng)手工鉚接一般要連續(xù)多次錘擊鉚釘，容易造成鉚釘冷作硬化[5]，使工人操作強(qiáng)度加大，長時(shí)間的高強(qiáng)度操作，難以對(duì)每個(gè)鉚釘?shù)腻N擊次數(shù)與錘擊力保持一致，使得鉚接質(zhì)量一致性差；另外，由于錘擊的不均勻性和不確定性導(dǎo)致手工操作對(duì)干涉配合鉚接的干涉量不便控制[6]，如果內(nèi)部干涉量不足則會(huì)使鉚釘連接強(qiáng)度降低，且不易被發(fā)現(xiàn)，給產(chǎn)品帶來質(zhì)量隱患。而自動(dòng)鉚接可以通過設(shè)定壓鉚參數(shù)來保證鉚釘成形質(zhì)量和一致性良好，同時(shí)便于控制干涉配合鉚接的干涉量，避免人為因素對(duì)鉚接質(zhì)量及可靠性的影響。

1.3 生產(chǎn)效率對(duì)自動(dòng)鉆鉚的需求

傳統(tǒng)工藝中，航天產(chǎn)品鉚接部段均采用手工方式進(jìn)行劃線、鉆孔、放釘和鉚接。從鉆孔到鉚接，一個(gè)中級(jí)工鉚接一顆φ4mm鋁合金鉚釘需要大約30s時(shí)間，即手工鉚接效率為2個(gè)/分鐘，與自動(dòng)鉆鉚單個(gè)連接點(diǎn)的工作循環(huán)只需8s左右[7]相比較，生產(chǎn)效率很低。低效率導(dǎo)致產(chǎn)品占用工位時(shí)間長、生產(chǎn)周期長，不能適應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)急劇增長的趨勢(shì)，不能滿足現(xiàn)代化高效率、快速響應(yīng)的制造模式，嚴(yán)重阻礙航天裝配制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，急需引進(jìn)高效的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)來改善這一現(xiàn)狀。

1.4 綠色生產(chǎn)制造對(duì)自動(dòng)鉆鉚的需求

傳統(tǒng)的手工氣動(dòng)鉚接需連續(xù)沖擊鉚釘，才能形成有效墩頭，這種鉚接沖擊產(chǎn)生的噪音達(dá)到110～130dB，產(chǎn)品內(nèi)部噪音更大，可達(dá)140dB。同時(shí)，鉚接沖擊力對(duì)操作人員的手關(guān)節(jié)沖擊很大，嚴(yán)重影響職工的身心健康。而自動(dòng)鉆鉚可采用噪聲小、勞動(dòng)強(qiáng)度低的壓鉚或電磁鉚接技術(shù)來替代氣動(dòng)沖擊鉚接，實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品鉚接技術(shù)向綠色生產(chǎn)制造方向發(fā)展。

圖1 骨架式裝配示意圖Fig.1 Diagram of framing assembly

2 運(yùn)載火箭殼段產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用分析

運(yùn)載火箭殼段產(chǎn)品裝配流程主要分為骨架式裝配和壁板式裝配。骨架式裝配是在工裝型架上將端框、中間框和桁條預(yù)先定位裝配成“鳥籠式”骨架結(jié)構(gòu)，然后在骨架外面鋪上蒙皮進(jìn)行鉚接，最終形成筒體或錐體殼段，如圖1所示；壁板式裝配是利用裝配孔或在壁板裝配夾具上將中間框、桁條與蒙皮進(jìn)行定位后鉚接，組裝成1/4、1/6或1/8的筒體或錐體，然后在工裝型架上將4塊、6塊或8塊壁板進(jìn)行鉚接，最終形成整個(gè)筒體或錐體殼段，如圖2所示。

圖2 壁板式裝配示意圖Fig.2 Diagram of panel assembly

在骨架式裝配工藝中，組裝骨架只是預(yù)先定位鉚接部分鉚釘，鉚接工作量較少，大量的鉚接工作主要集中在骨架外面鋪上蒙皮后的大面積鉚接；在壁板式裝配工藝中，產(chǎn)品的鉚接工作主要集中在將蒙皮與框、桁梁組合成壁板類產(chǎn)品，而在工裝型架上有較少部分鉚接工作將幾塊壁板組裝成整個(gè)筒體或錐體殼段。

在骨架式裝配工藝中，組裝骨架只是預(yù)先定位鉚接部分鉚釘，鉚接工作量較少，大量的鉚接工作主要集中在骨架外面鋪上蒙皮后的大面積鉚接；在壁板式裝配工藝中，產(chǎn)品的鉚接工作主要集中在將蒙皮與框、桁梁組合成壁板類產(chǎn)品，而在工裝型架上有較少部分鉚接工作將幾塊壁板組裝成整個(gè)筒體或錐體殼段。

根據(jù)航天產(chǎn)品鉚接部段的結(jié)構(gòu)特征、產(chǎn)品的裝配工藝流程以及鉚接工作量的分配，從壁板類產(chǎn)品、筒體殼段和錐體殼段3個(gè)方面進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航天產(chǎn)品的應(yīng)用展望。

2.1 壁板類產(chǎn)品

2.1.1 壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用分析

自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航空領(lǐng)域民機(jī)的壁板裝配中應(yīng)用較為廣泛，飛機(jī)壁板外形大多較為復(fù)雜，針對(duì)飛機(jī)壁板實(shí)心鉚釘?shù)你T接大多采用自動(dòng)鉆鉚機(jī)加托架定位系統(tǒng)的形式[8]，如圖3所示。自動(dòng)鉆鉚機(jī)用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鉆孔和鉚接，托架定位系統(tǒng)用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)姿，保證產(chǎn)品鉆孔和鉚接的部位與鉆鉚機(jī)動(dòng)力頭呈法向。其中，自動(dòng)鉆鉚機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)水平面上的X向和Y向移動(dòng)，托架系統(tǒng)則沿兩側(cè)立柱實(shí)現(xiàn)Z向移動(dòng)及沿A軸、B軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于壁板類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成的類似性，運(yùn)載火箭壁板類產(chǎn)品的自動(dòng)鉆鉚應(yīng)用可以借鑒自動(dòng)鉆鉚機(jī)加托架定位系統(tǒng)的形式。

圖3 GEMCOR公司的G2000自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of GEMCOR's G2000 automatic drilling and riveting system

根據(jù)最終組裝成的筒體或錐體殼段，壁板可分為筒體壁板和錐體壁板。由于筒體壁板的外形構(gòu)成較為簡單，且桁梁在蒙皮圓周方向上呈平行均勻分布，故其托架定位系統(tǒng)的調(diào)姿較為容易實(shí)現(xiàn)，只需能夠?qū)崿F(xiàn)沿A軸的旋轉(zhuǎn)及與鉆鉚機(jī)在X向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即可保證產(chǎn)品鉆孔和鉚接的法向。如圖4所示為首都航天機(jī)械公司的壁板半自動(dòng)化鉚接設(shè)備，該設(shè)備為固定龍門結(jié)構(gòu)，托架上有齒條帶動(dòng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠沿水平導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)，設(shè)備采用人工送釘方式能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)鉆孔和自動(dòng)鉚接等功能。相對(duì)筒體壁板而言，錐體壁板外形構(gòu)成雖然簡單，但桁梁在蒙皮上成放射形分布，故其托架定位系統(tǒng)的調(diào)姿實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，可以參照?qǐng)D3所示的托架系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)壁板的定位及法向找正。

2.1.2 壁板自動(dòng)鉆鉚工藝流程

圖4 壁板半自動(dòng)化鉚接設(shè)備Fig.4 Semi-automatic drilling and riveting machine for panel

在航天領(lǐng)域傳統(tǒng)的鉚接工藝中，裝配壁板類產(chǎn)品時(shí)，多采用兩種工藝方法，一種是利用壁板裝配夾具來確定框、桁梁與蒙皮之間的相對(duì)位置，通過人工定位、鉚接成為壁板；另一種是利用框、桁梁與蒙皮之間的協(xié)調(diào)裝配孔進(jìn)行定位，然后放在普通托架上進(jìn)行手工鉚接。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)需要選擇不同的裝配工藝。

自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)中托架定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壁板的定位和調(diào)姿，但是無法實(shí)現(xiàn)對(duì)桁梁、中間框與蒙皮之間的定位，故在進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚之前，需要進(jìn)行壁板預(yù)裝配。根據(jù)自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)的壁板鉚接裝配工藝，形成壁板類產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚工藝流程如圖5所示。

圖5 壁板類產(chǎn)品自動(dòng)鉆鉚工藝流程Fig.5 Automatic drilling and riveting process for panel products

2.2 筒體殼段

2.2.1 筒段自動(dòng)鉆鉚技術(shù)應(yīng)用分析

對(duì)于整個(gè)筒體殼段來說，由于其結(jié)構(gòu)的封閉性，給自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的應(yīng)用帶來一定困難。在飛機(jī)機(jī)身裝配時(shí)，一般會(huì)設(shè)計(jì)工藝分離面，將整個(gè)筒段分為幾塊壁板，其工作流程是首先將蒙皮、長桁、角片和框等零件組裝成壁板，然后將幾塊壁板組裝成半筒段，最后將上、下2個(gè)半筒段對(duì)接成整個(gè)筒段。由于考慮到工作量、開敞性和成本等因素，半筒段和整個(gè)筒段的組裝對(duì)接多采用自動(dòng)制孔、人工鉚接的形式，只在組裝壁板時(shí)采用自動(dòng)鉆鉚形式[9]。

一直以來，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在整體筒段裝配中應(yīng)用極少，隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上逐漸推廣選用，復(fù)合材料的整體筒段也隨之出現(xiàn)，波音787機(jī)身第43段復(fù)合材料整體筒段與鈦合金框已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配[10]，系統(tǒng)采用內(nèi)外兩套獨(dú)立裝置，在裝配時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定位、夾緊、制孔，但該系統(tǒng)用于安裝環(huán)槽鉚釘。

雖然自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在實(shí)心鉚釘雙面對(duì)鉚形式的整體筒段中沒有得到應(yīng)用，但是前人的研究對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有很好的借鑒意義。由于航天產(chǎn)品筒體殼段外形結(jié)構(gòu)為單曲面，桁條與中間框在蒙皮上均勻分布，鉚釘排布較為規(guī)律，且外形尺寸相對(duì)于飛機(jī)來說要小一些，使得自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在整體筒段的應(yīng)用更有實(shí)現(xiàn)的可能。參照壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和波音787機(jī)身整體筒段自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，整體筒段的自動(dòng)鉆鉚形式主要包括定位系統(tǒng)和產(chǎn)品內(nèi)外用于實(shí)現(xiàn)鉆鉚的兩個(gè)獨(dú)立裝置，該組成形式中，定位系統(tǒng)與內(nèi)外鉆鉚裝置之間只需要實(shí)現(xiàn)沿產(chǎn)品母線方向的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)、沿產(chǎn)品外圓方向的相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)?？紤]到制造成本和便于骨架式預(yù)裝配的進(jìn)行，可采用立式定位，同時(shí)由于航天產(chǎn)品部段對(duì)接的需求，在自動(dòng)鉆鉚完成后需保證產(chǎn)品上下端框的圓度、同軸度、平行度和平面度等形位公差符合設(shè)計(jì)文件要求，故需要在定位系統(tǒng)上增加保形工裝。綜上所述，筒體殼段自動(dòng)鉆鉚形式可采用內(nèi)外獨(dú)立鉆鉚裝置實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，水平轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的圓周運(yùn)動(dòng)，通用工裝用于定位產(chǎn)品并保證產(chǎn)品的形位公差。如圖6所示為上海拓璞數(shù)控科技有限公司研制的筒體殼段自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)中下端工裝與水平轉(zhuǎn)臺(tái)連接，上、下端工裝的相對(duì)位置利用立柱來保證。

圖6 筒體殼段自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of automatic drilling and riveting system for cylindrical shell

2.2.2 筒段自動(dòng)鉆鉚工藝流程

根據(jù)骨架式裝配工藝流程，筒體殼段的自動(dòng)鉆鉚需要預(yù)先在傳統(tǒng)工裝型架上進(jìn)行組裝骨架，或者在自動(dòng)鉆鉚水平轉(zhuǎn)臺(tái)上借助通用工裝進(jìn)行。在傳統(tǒng)筒體殼段鉚接裝配工藝的基礎(chǔ)上，借鑒壁板自動(dòng)鉆鉚裝配工藝，形成筒體殼段自動(dòng)鉆鉚工藝流程，如圖7所示。

圖7 筒體殼段自動(dòng)鉆鉚工藝流程示意圖Fig.7 Automatic drilling and riveting process for cylindrical shell

2.3 錐體殼段

整體錐段產(chǎn)品同樣為封閉結(jié)構(gòu)，由于鉆鉚時(shí)要保證工作頭與產(chǎn)品成法向，使得錐體殼段的自動(dòng)鉆鉚形式相對(duì)筒體殼段較為復(fù)雜。該系統(tǒng)組成形式同樣包括內(nèi)外獨(dú)立鉆鉚裝置、定位系統(tǒng)和通用工裝，但內(nèi)外獨(dú)立鉆鉚裝置需要實(shí)現(xiàn)沿錐體產(chǎn)品母線進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，為了使該系統(tǒng)能夠適用不同的錐度，可選用自由度較高的機(jī)器人系統(tǒng)；定位系統(tǒng)可以采用筒體殼段的水平轉(zhuǎn)臺(tái)加立柱形式，也可以采用龍門結(jié)構(gòu)滿足不同高度的產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚。具體形式如圖8所示。

圖8 錐體殼段自動(dòng)鉆鉚形式示意圖Fig.8 Diagram of automatic drilling and riveting system for conical shell

因整體錐段采用骨架式裝配，故其工藝流程與整體筒段自動(dòng)鉆鉚類似，這里不再贅述。同樣的，筒體殼段自動(dòng)鉆鉚也可采用機(jī)器人和龍門結(jié)構(gòu)形式。由于機(jī)器人系統(tǒng)和龍門結(jié)構(gòu)形式靈活度較高，便于實(shí)現(xiàn)在增加部分設(shè)備的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)鉆鉚工位，在節(jié)約成本的同時(shí)進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié)束語

在生產(chǎn)任務(wù)急劇增加的形勢(shì)下，航天產(chǎn)品對(duì)高質(zhì)量、高可靠性、快速響應(yīng)和綠色生產(chǎn)制造的鉚接工藝需求越來越強(qiáng)烈，本文結(jié)合自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航空領(lǐng)域幾十年的應(yīng)用發(fā)展，通過針對(duì)航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的自動(dòng)鉆鉚形式和工藝流程分析可知，自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在航天產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用前景十分廣闊。在航天裝配制造領(lǐng)域開展自動(dòng)鉆鉚技術(shù)研究，不僅僅是鉚接工藝向機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展的要求，更主要的是產(chǎn)品本身性能的要求，自動(dòng)鉆鉚代替手工鉚接是提高航天產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭力的必然發(fā)展趨勢(shì)。

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