淺析飛機裝配自動進給鉆應(yīng)用及精度控制

馬正 管黎明

西安飛機工業(yè)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710089

引言

在飛機裝配過程中，制孔工作量大，且制孔質(zhì)量對飛機結(jié)構(gòu)的完整性以及制孔效率對裝配周期都有很大的影響。為了降低飛機結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)強度，在新機型中大量采用復(fù)合材料，這些復(fù)合材料的大量使用，導(dǎo)致復(fù)雜材料疊層（如復(fù)合材料和金屬疊層）的應(yīng)用日趨廣泛，使得飛機在裝配過程中的制孔操作面臨更大的挑戰(zhàn)。在新機型的研制周期逐步縮短的情況下，在滿足交付進度、降低制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面，制孔質(zhì)量和效率已成為飛機裝配中的一個焦點問題。近年來，在制孔方面有很多新的工藝和工具設(shè)備在飛機裝配中使用，尤其是半自動和自動制孔工藝及工具設(shè)備，本文主要介紹了半自動和自動制孔工具設(shè)備在飛機裝配制孔過程中的應(yīng)用。

1 制孔工藝方法研究現(xiàn)狀

飛機裝備中有多重制孔工藝方法，麻花鉆制孔是主要方法，經(jīng)過長時間的發(fā)展，麻花鉆制孔技術(shù)在刀具、加工設(shè)備、參數(shù)選取等各方面已基本成熟，可以滿足飛機裝配中的大部分制孔需求。通過制備特殊形狀的刀具，在鉆孔同時實現(xiàn)沉頭孔的加工。

受限于其自身特點，麻花鉆制孔存在一些問題。首先，由于鉆頭主切削刃上各點處的前角和切削速度相差太大，前端靠近軸線部分前角過小，切削速度低，對加工材料的作用以擠壓為主，造成制孔時軸向切削力大；特別是橫刃有很大的負前角值，從而產(chǎn)生很大的軸向力。專用制孔設(shè)備與傳統(tǒng)機床相比剛性較差，過大的軸向力容易引起加工工件和加工設(shè)備的變形，影響加工精度；對于復(fù)合材料制孔，過大的軸向力還易引起分層缺陷，影響加工質(zhì)量[1]。其次，制孔過程中切削熱量不易排出，使得切削區(qū)域溫度逐漸升高，刀具壽命變短，同時還易造成加工材料的熱損傷，形成加工缺陷。再者，制孔加工過程中，切屑只能經(jīng)排屑槽被擠壓到外部，這個過程中切屑與已加工孔壁反復(fù)摩擦，使得加工質(zhì)量變差，同時也使得切削區(qū)溫度升高，當(dāng)加工鈦合金、鋁合金等塑性材料時，產(chǎn)生的連續(xù)切屑使該問題更加嚴重。

2 制孔主要面臨的挑戰(zhàn)

目前飛機裝配制孔面臨兩個主要的挑戰(zhàn)：一方面是隨著復(fù)材及鈦合金的廣泛使用，裝配制孔時的材料疊層種類越來越多，且復(fù)雜材料疊層結(jié)構(gòu)大量使用，如鋁-鈦疊層、復(fù)合材料疊層及復(fù)合材料與金屬疊層等。尤其是在鉆制復(fù)合材料或復(fù)合材料與金屬材料組成的復(fù)雜疊層時，傳統(tǒng)的手工制孔難以保證制孔質(zhì)量；另一方面為了滿足飛機的研制及交付周期的要求，針對制孔困難的復(fù)材及鈦等材料，對制孔效率也提出了更高的要求。

3 自動進給鉆制孔精度控制

通常機加設(shè)備的主軸為剛性主軸，其主軸徑向跳動影響著孔徑精度、質(zhì)量和穩(wěn)定性。而自動進給鉆為浮動主軸，僅為刀具提供制孔動力，所用刀具與通常機械加工設(shè)備制孔刀具不同，刀具尺寸、導(dǎo)套與刀具的配合尺寸是決定孔徑精度的關(guān)鍵因素[2]。

3.1 先進的制孔末端執(zhí)行器設(shè)計

末端執(zhí)行器是制孔系統(tǒng)的核心部件，直接完成孔的切削加工任務(wù)。除切削加工必需的主軸單元和進給單元之外，末端執(zhí)行器通常還要集成其他多種機構(gòu)。例如，為實現(xiàn)加工孔位與工件法向的檢測，末端執(zhí)行器必須集成不同類型的傳感器；為實現(xiàn)排屑，必須集成吸塵機構(gòu)；為實現(xiàn)制孔加工中的構(gòu)件壓緊，必須集成壓力可控的壓腳機構(gòu)；為適應(yīng)不同刀具的自動化批量制孔，必須能實現(xiàn)刀具快速更換；當(dāng)需要同時實現(xiàn)自動制孔和鉚接時，還必須集成復(fù)雜的鉚接單元；為避免制孔加工中的幾何干涉和便于與機器人等裝置的集成，制孔末端執(zhí)行器必須嚴格控制其體積與重量。功能要求的多樣性決定了自動制孔末端執(zhí)行設(shè)計的復(fù)雜性。對于螺旋銑孔和超聲振動制孔末端執(zhí)行器，由于系統(tǒng)相對復(fù)雜，設(shè)計難度較大。

3.2 自動化控制技術(shù)

全自動制孔系統(tǒng)的控制系統(tǒng)既包括末端執(zhí)行器切削加工的多運動控制，還包括機械手、數(shù)控機床等設(shè)備運動的控制，同時根據(jù)制孔需求還需集成工件位置視覺識別系統(tǒng)、刀具相對構(gòu)件法向的調(diào)整系統(tǒng)、構(gòu)件壓緊和吸塵排屑等輔助系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等。為實現(xiàn)高效自動化制孔，上述設(shè)備和輔助裝置全部需要統(tǒng)一有序的控制，控制系統(tǒng)的研制成為一項復(fù)雜的工程。此外，飛機結(jié)構(gòu)件的裝配多為多品種小批量生產(chǎn)，裝配構(gòu)件變化后即需要重新制定制孔工藝，從而對控制系統(tǒng)的離線編程技術(shù)也有較高要求[3]。

4 結(jié)束語

（1）在切削過程中，帶倒錐刀具隨著切削加深，刀具與鉆套之間的間隙增大，由于自動進給鉆主軸直接與刀具連接，隨著刀具的擺動，制孔精度和穩(wěn)定性降低。不帶倒錐刀具具有更好的制孔精度。

（2）自動進給鉆導(dǎo)套內(nèi)徑與刀具外徑配合間隙越小，刀具在切削過程的擺動越小，孔徑更穩(wěn)定，制孔精度和穩(wěn)定性越高。一般刀具公差取孔徑容差的40%，導(dǎo)套與刀具公差配合選用G6/h6。