飛機裝配中的先進制孔技術與裝備

張艷

【摘?要】飛機機翼制孔系統孔位容易受到隨機波動干擾產生誤差，提出基于電控機械式誤差調節的飛機機翼制孔系統孔位自動校正方法，構建飛機機翼制孔系統孔位校正的執行機構控制模型，采用位移傳感器進行制孔系統孔位的誤差偏移測量，在執行機構中進行誤差的自適應調節和輸出穩定性控制，結合迭代學習控制方法進行飛機機翼制孔系統孔位自動校正過程中的誤差偏移修正，采用電控式的機械誤差調節方法，實現機翼制孔系統孔位自動校正優化。

【關鍵詞】飛機裝配中;制孔技術;應用

前言

隨著航空制造技術的發展，對飛機的機械工藝制造提出了更高的精度要求，飛機機翼制孔系統是實現飛機機翼制造的關鍵技術，在采用飛機機翼制孔系統進行飛機機翼制造過程中，由于單級同軸型脈沖管的整機性能擾動因素影響，導致飛機機翼制孔系統孔位自動校正誤差較大，需要進行飛機機翼制孔系統孔位自動校正模型的優化設計，構建飛機機翼制孔的誤差主動校正模型，采用自適應控制方法進行飛機機翼垂制孔校正過程中的誤差修正，提高飛機機翼制孔的自適應校正和誤差修正能力，相關的飛機機翼垂尾制孔系統孔位自動校正方法研究在提高機械的制孔能力方面具有重要意義。

1CFRP制孔技術

碳纖維增強樹脂基復合材料（carbon fiberreinforced polymer，CFRP）因具有比強度高、比模量大、剛性好、比重小、抗疲勞性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優點，在大型飛機的主承力結構中得到了大量的應用。例如，歐洲的A380空客，CFRP的含量占機身重量的22%，尤其是中央翼盒和后機身的蒙皮壁板部位，CFRP所占比例最大;中國的武直-9直升機，CFRP的比重約占60%;而美國的“旅行者”號輕型飛機，CFRP的應用率高達90%，可見，CFRP在航空、航天等領域的應用之廣。為了滿足大型飛機中CFRP主承力構件之間的裝配要求，需通過大量的鉚接和螺栓連接，因而制孔工藝是CFRP結構件制造中最常用的加工技術。因此，為了實現CFRP高效精密制孔，長期以來CFRP制孔技術的研究一直是飛機制造領域的熱點。

2CFRP鉆削加工機理

2.1切屑形成機理

CFRP是由碳纖維和樹脂固化而成的一種具有新性能的材料，其切削機理不同于金屬材料。CFRP因具有非勻質性和各向異性，在切削加工時，切屑的形成機理不僅受纖維和基體屬性以及纖維鋪層方向的影響，還與刀具形狀結構及工藝參數等因素有關，因此，不同于金屬材料的切屑形成機理。CFRP切屑形成機理的研究，有助于揭示加工缺陷的形成和刀具磨損過程。

2.2鉆削力

鉆削是CFRP制孔技術中最常用的加工方法，在CFRP鉆削過程中，軸向鉆削力與鉆削溫度、刀具磨損、孔壁表面質量和出口毛刺缺陷直接相關，且其變化規律可直接反映出瞬時切削狀態，有助于研究人員對鉆削過程進行分析，因此，軸向鉆削力是當前CFRP鉆削制孔加工研究的一個關鍵點。軸向鉆削力主要是由鉆頭橫刃和主切削刃在鉆削過程中與材料的相互作用所產生，受刀具幾何形狀、工件材料和加工工藝參數等多種因素的影響。

2.3鉆削溫度

在鉆削CFRP時，鉆削溫度對材料的性能、鉆頭的耐久性以及孔壁的質量有很大影響，但由于CFRP特殊的材料性能及半封閉式的鉆削加工特點，鉆削溫度的精準測量及影響因素的研究仍是CFRP制孔加工技術研究的一個難點。

3CFRP制孔刀具

鉆削加工是CFRP復合材料制孔加工的主要加工方式，然而，CFRP材料的高硬度、各向異性以及低層間應力等特點對制孔刀具的材料、結構等提出了更高的要求。優化刀具材料和幾何結構，進而提高制孔質量和刀具壽命，是解決CFRP高效精密制孔加工的重要舉措。

3.1刀具材料

刀具磨損而引起的制孔質量問題會嚴重影響裝配后飛機的整體服役性能。現階段航空構件中逐步開始使用的T800級CFRP，其纖維增強相強度更大、硬度更高，纖維磨蝕性更強，在鉆削加工過程中，刀具磨損劇烈，如何提高刀具硬度和耐磨性，延長刀具使用壽命，保證制孔質量，科研人員從刀具材料入手進行了大量的研究。目前，常用于CFRP制孔加工的刀具材料主要有硬質合金鉆頭、耐磨涂層鉆頭及金剛石磨料套料鉆等。

3.2刀具結構

通過對CFRP鉆削機理的研究發現，不僅鉆頭材料會對CFRP的鉆削性能有影響，鉆頭幾何結構也會對切屑形態、鉆削軸向力、鉆削溫度等產生一定的影響。合理設計鉆頭結構，不僅可以減少刀具磨損、提高刀具壽命，還能提高制孔質量。鑒于CFRP的各向異性和層間的低黏附性，研究人員通過優化鉆頭的幾何形狀開發了各種新型刀具，提高了制孔質量和刀具耐用度。

4CFRP鉆削加工仿真

研究人員通過對CFRP的制孔實驗研究，初步揭示了CFRP的切削機理和刀具磨損機理，建立了刀具幾何形狀和工藝參數等可變因素同制孔質量之間的內在聯系;但是，在CFRP制孔實驗過程中，不僅需要耗費大量的工件材料和新型結構刀具，而且鉆削是半封閉式加工，難以觀測切削的整個過程。隨著計算機與信息技術的快速發展，CFRP切削過程的有限元模擬仿真得到很多研究者的青睞。有限元仿真不僅可以直觀觀測切削的整個過程，有效地獲得應力、應變、溫度等分布云圖，而且還可以降低實驗研究成本，為CFRP高效精密制孔加工提供技術指導。

結束語

進行飛機機翼孔位自動校正模型的優化設計，構建飛機機翼制孔的誤差主動校正模型，采用自適應控制方法進行飛機機翼制孔校正過程中的誤差修正，提高飛機機翼制孔的自適應校正和誤差修正能力，提出基于電控機械式誤差調節的飛機機翼制孔系統孔位自動校正方法，構建飛機機翼制孔系統孔位自動校正的約束參量模型，采用位移傳感器進行制孔系統孔位的誤差偏移測量，根據孔位校正的執行機構控制的穩定性條件，進行飛機機制孔系統孔位校正的可靠性控制和自動校準。

參考文獻：

[1]魏明哲.機器人自動制孔控制系統軟件開發[D].杭州：浙江大學，2012.

[2]卜泳，許國康，肖慶東.飛機結構件的自動化精密制孔技術[J].航空制造技術，2009，52（24）：61–62.

（作者單位：中航飛機股份有限公司）