復合材料筒段多主軸徑向自動制孔工藝

王　新，張凌東，郭鴻俊，聞　偉

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

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復合材料筒段多主軸徑向自動制孔工藝

王新，張凌東，郭鴻俊，聞偉

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

摘要：在大型復合材料筒段端部徑向制孔時，連接孔的向心性差，劃窩制孔精度和制孔效率低，復合材料制孔加工質量差。為此，針對某復合材料柱形筒段夾層結構端部(外部為金屬材料，內部為復合材料)的制孔問題，研究了一種多主軸徑向自動制孔工藝和裝置。工藝采用基于筒段回轉中心的向心制孔方法，通過自動制孔裝置，實現了從內向外的制孔方式，避免了復合材料制孔出口處產生纖維撕裂、分層等缺陷。采用2套高效精密制孔單元及面板控制單元PCU實現雙排孔并行制孔過程的自動化，能夠精確控制制孔精度。經實際工程應用驗證表明，采用該多主軸徑向自動制孔工藝和裝置，保證了復合材料筒段類產品的徑向制孔質量，提高了生產效率。

關鍵詞：復合材料；筒段；自動制孔；多主軸

先進的航天用大型筒段往往采用高比強度復合材料和金屬筒形構件組成的夾層結構，在有效減重的前提下，應保證對高溫高壓氣流強沖擊的抵抗能力[1]。某航天器柱形筒段的內層筒體采用碳纖維復合材料制成，外部為和其相配合的鋁合金金屬筒形構件，筒段端部通過沿徑向分布的沉頭螺栓進行聯接，因此需在筒段上沿徑向加工出螺栓聯接孔。目前，制孔方式基本上是依靠普通的鉆床和臥式車床等設備，加工質量差，生產效率低，尤其會造成劃窩深度偏差較大、孔出口纖維起絲和鼓包等制孔缺陷，缺少定位機構的設備也會造成孔軸線偏斜等問題，從而影響沉孔精度和連接可靠性；因此，需要研發高效自動化的制孔設備及工藝。

目前，由于大尺寸復合材料筒段的制造技術受到技術保密等條件限制，在實際應用中比較少見自動化的制孔設備和工藝。在航空航天領域，高效精密的自動制孔技術已成為研究熱點，美國空軍研究實驗室(AFRL)為滿足F-35復合材料進氣道上連接孔制孔需求，組織開發了由2臺機器人組成的機器人鉆孔(IDRD)單元，分別用于鉆孔和測量，鉆孔的重復定位精度達到±17.78 μm(0.007in)[2]。美國、歐洲等相關企業為飛機機身等部段連接孔鉆孔開發了爬行機器人式自動制孔系統，它具有很好的柔性，以適應不同型面的機身或壁板部件，避免了作業時使用各種專用輔助工裝，針對Boeing777、787機身對接區和A380主翼盒的裝配制孔研制開發的柔性導軌式自動制孔系統等都已得到實際應用[3-4]。國內航空625所、浙江大學、北航、南航和上海交大等科研院所針對自動鉆孔技術也有深入的研究[5-10]。然而，上述制孔系統或裝備要么采用傳統鉆削和真空吸附技術相結合的方式，大直徑孔鉆孔時設備難以承受過大的軸向力；或者體積龐大，專用性較強，成本居高不下。本文對大型復合材料筒段類構件的徑向制孔工藝開展了研究，并在此基礎上開發出多主軸的徑向自動制孔工藝裝備。

1復合材料筒段徑向制孔工藝

某復合材料筒段直徑>1.5 m，由內層的復合材料筒體和外部的鋁合金筒形組成，端部通過200余個沿筒段軸心徑向分布的φ20 mm孔聯接沉頭螺栓，沉頭螺栓聯接孔為錐形沉孔結構。為滿足溫度、氣壓及運動要求，沉頭螺栓聯接后沉頭面不能高出復合材料筒體內表面，凹陷量必須<0.5 mm；因此，加工時對(沉)孔向心性、劃窩深度等精度要求較高，而高精度要求往往限制了加工效率，常規加工方式無法滿足這些要求，應通過合理的制孔結構和制孔方向，結合加工精度控制和對刀形式等，才能確保效率和質量。

為此，提出了一種復合材料筒段多主軸徑向自動制孔新工藝，該工藝通過設置雙主軸的制孔單元實現雙排孔同時制孔和劃窩。該工藝方法主要包括基于自動向心的雙主軸制孔工藝、沉孔劃窩過程的自動精確控制以及基于面板控制單元PCU的自動制孔控制。制孔工藝采用基于筒段回轉中心的向心加工方法，制孔方向實現了從內向外，即從內部復合材料筒體向外部金屬筒形構件方向，避免了制孔出口處纖維撕裂等缺陷的產生；通過PLC控制系統編程及其面板控制單元完成制孔過程的自動化，精確控制加工精度并加以反饋。

2多主軸徑向自動制孔裝備設計

根據大型復合材料筒段端部制孔結構特點，研制了自動制孔裝備。該裝備由包含雙主軸的制孔單元、制孔單元定位體、測量控制、PCU面板控制與顯示系統等組成。

2.1多主軸徑向自動制孔裝備機械結構

多主軸徑向自動制孔裝備機械結構(見圖1)是保證制孔質量和效率的核心部件，其包括輔助安裝用托架、2個制孔單元、制孔單元定位體及用于裝置和筒段之間固定的漲緊裝置等。

圖1　復合材料筒段多主軸徑向自動制孔裝備

制孔單元定位體為裝備的主框架，在制孔單元定位體外圓柱面上分布有沿徑向的三排孔，分別用于2個制孔單元制孔時的定位和制孔單元上接觸式位移傳感器的測量，消除筒段和制孔單元定位體存在的圓度誤差和裝配誤差，保證沉孔劃窩深度精度的要求。制孔單元定位體的外徑小于筒段的內徑，可以防止在裝夾過程中剮蹭內壁。

該裝備具有2套相同結構和功能的制孔單元，其回轉中心位于筒段中心，兩者存在一定的角度，用于加工筒段軸向方向不同位置的聯接孔，實現雙排孔并行制孔。制孔單元主軸和筒段徑向重合，制孔單元通過轉盤可繞裝置的心軸自由轉動，具有自向心的功能，以保證加工過程中聯接孔和沉孔的向心性，間接保證螺栓安裝后沉頭凹陷量的大小。采用從內向外的制孔方式，解決了孔出口處容易出現纖維撕裂、分層的傳統復合材料制孔難題。

制孔單元由定位推銷、位移傳感器、制孔刀具、進給和旋轉電動機以及進給機構等組成(見圖2)。制孔時，定位推銷在通過電磁控制作用下在制孔單元定位體中定位，旋轉電動機和進給電動機控制制孔刀具的旋轉和進給運動。接觸式位移傳感器實現劃窩的精確對刀，保證沉孔劃窩的深度尺寸。通過行程開關控制刀具進給量并在結束加工時促使刀具及定位銷自動退回。

圖2　制孔單元結構

2.2制孔控制與通信系統設計

系統單個制孔單元需要頻繁控制4個電動機做不同的運動，為實現參數設置和報警顯示等人機交互功能，控制系統的核心部件面板控制單元PCU將PLC、人機界面和通信功能集成于一體，提高了系統各單元之間的可靠性，并且易于安裝。裝備控制系統主要組成如圖3所示。可編程控制器PLC模塊因其獨特的優點可以實現多種控制功能，同時由于其體積小、維護方便等特點被廣泛采用。為滿足多主軸徑向自動制孔需要，選用三菱公司的型號為FX3u-64MR的可編程控制器。作為系統下位機，PLC編程控制各個電動機的運動、限位信號等功能。控制系統采用限位開關作為位置檢測信號，從而實現各個電動機的起動和停止。劃窩和制孔深度采用位移傳感器作為精度檢測信號，以實現深度的精確控制。

圖3　裝備控制系統主要組成

數控系統軟件是利用Visual Basic對編程軟件GX-Developer的二次開發后實現的，為滿足實際制孔需求，在面板上增加了點動控制單元(見圖4)。通過編程端口可實現對PLC的程序修改，從而實現對劃窩深度、轉速及控制流程的修改和完善。

圖4　軟件平臺主窗口

3應用驗證

以某復合材料柱形筒段為典型部段進行應用驗證。通過控制面板啟動制孔單元，對一組孔制孔或劃窩后，需對筒段進行周向旋轉，以進行下一組孔的加工。劃窩時采用接觸式的位移傳感器進行對刀，劃窩工具采用自制的金剛石劃窩磨頭進行加工。對刀合適后，將接觸式位移傳感器接觸筒壁并固定其相對位置，在操作面板上就可精確控制劃窩的深度尺寸。螺栓擰緊安裝后，會對復合材料形成一定壓縮量，導致螺栓沉頭面凹陷量超差，因此，劃窩前需對劃窩尺寸進行試加工，以確認控制系統中實際的劃窩加工深度，保證最終的精度要求。復合材料筒段多主軸徑向自動制孔工藝流程如圖5所示。通過用托架上手輪調整鉆模沿導軌X、Y和Z方向直線移動，實現裝備和復合材料筒段的配合對位。將漲緊機構頂緊復合材料筒段內壁，來保證工藝裝備和筒段間夾緊和固定的可靠性。

圖5　復合材料筒段多主軸徑向自動制孔工藝流程

經檢測，沉頭螺栓安裝至連接孔后沉頭面凹陷量全部<0.5 mm，一次全部加工合格，滿足精度要求(見圖6)，采用多主軸徑向自動制孔工藝裝備加工的孔沒有出現纖維起絲、鼓包等制孔缺陷，孔軸線完全滿足螺栓的安裝精度要求。此外，采用本文提出的方法，單件筒段連接孔加工效率提高了2～3倍，產品一次合格率達到100%。

圖6　復合材料筒段制孔及連接效果

4結語

本文提出了一種復合材料筒段多主軸徑向自動制孔的新工藝技術，實現了基于筒段回轉中心的從內向外的徑向制孔方式，并結合多主軸的制孔單元和控制系統，提高了聯接孔的向心性、劃窩制孔精度、制孔效率和復合材料制孔質量等關鍵指標。利用多主軸徑向自動制孔工藝裝備，優化了復合材料筒段類產品的徑向制孔工藝。經某航天器柱形筒段為典型部段的實際工程應用驗證表明，采用本文提出的工藝方法和裝置，有效解決了復合材料筒段端部的徑向制孔問題，具有較高的應用及推廣價值。

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責任編輯馬彤

Radial Automatic Drilling Process with Multi-tool Spindle for Composite Cylinder Component

WANG Xin， ZHANG Lingdong， GUO Hongjun， WEN Wei

(Aerospace Research Institue of Materials&Processing， Beijing 100076， China)

Abstract：Drilling quality,such as accuracy of hole axis along radial direction and hole dimensional accuracy, drilling efficiency,composite drilling quality,is easy to be poor during drilling processing for large-scale composite cylinder component. In order to solve the above-mentioned issue of a component end with sandwich structure(metal materials (inside)and composite (outside)),a new process of radial automatic drilling process with multi-tool spindle and its equipment are proposed.Radial drilling method based on rotary center of cylinder component,and the drilling direction—from inside of cylinder component to its outside—is enablemented,and the composite drilling defect is avoided.Two drilling units and the Panel Control Unit(PCU) controling drilling accuracy are adoped in the equipment. The application authentication shows that the process and equipment provide an efficient way for the drilling quality and the efficiency of composite cylinder component.

Key words:composite, cylinder component, automatic drilling, multi-spindle

中圖分類號：V 461

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-12-29

作者簡介：王新(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事復合材料及其構件先進制造技術等方面的研究。