淺析飛機裝配自動進給鉆應用及精度控制

馬正 管黎明

西安飛機工業有限責任公司 陜西 西安 710089

引言

在飛機裝配過程中，制孔工作量大，且制孔質量對飛機結構的完整性以及制孔效率對裝配周期都有很大的影響。為了降低飛機結構重量、提高結構強度，在新機型中大量采用復合材料，這些復合材料的大量使用，導致復雜材料疊層（如復合材料和金屬疊層）的應用日趨廣泛，使得飛機在裝配過程中的制孔操作面臨更大的挑戰。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、提高產品質量方面，制孔質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備，本文主要介紹了半自動和自動制孔工具設備在飛機裝配制孔過程中的應用。

1 制孔工藝方法研究現狀

飛機裝備中有多重制孔工藝方法，麻花鉆制孔是主要方法，經過長時間的發展，麻花鉆制孔技術在刀具、加工設備、參數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，從而產生很大的軸向力。專用制孔設備與傳統機床相比剛性較差，過大的軸向力容易引起加工工件和加工設備的變形，影響加工精度；對于復合材料制孔，過大的軸向力還易引起分層缺陷，影響加工質量[1]。其次，制孔過程中切削熱量不易排出，使得切削區域溫度逐漸升高，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，切屑只能經排屑槽被擠壓到外部，這個過程中切屑與已加工孔壁反復摩擦，使得加工質量變差，同時也使得切削區溫度升高，當加工鈦合金、鋁合金等塑性材料時，產生的連續切屑使該問題更加嚴重。

2 制孔主要面臨的挑戰

目前飛機裝配制孔面臨兩個主要的挑戰：一方面是隨著復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，且復雜材料疊層結構大量使用，如鋁-鈦疊層、復合材料疊層及復合材料與金屬疊層等。尤其是在鉆制復合材料或復合材料與金屬材料組成的復雜疊層時，傳統的手工制孔難以保證制孔質量；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

通常機加設備的主軸為剛性主軸，其主軸徑向跳動影響著孔徑精度、質量和穩定性。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備制孔刀具不同，刀具尺寸、導套與刀具的配合尺寸是決定孔徑精度的關鍵因素[2]。

3.1 先進的制孔末端執行器設計

末端執行器是制孔系統的核心部件，直接完成孔的切削加工任務。除切削加工必需的主軸單元和進給單元之外，末端執行器通常還要集成其他多種機構。例如，為實現加工孔位與工件法向的檢測，末端執行器必須集成不同類型的傳感器；為實現排屑，必須集成吸塵機構；為實現制孔加工中的構件壓緊，必須集成壓力可控的壓腳機構；為適應不同刀具的自動化批量制孔，必須能實現刀具快速更換；當需要同時實現自動制孔和鉚接時，還必須集成復雜的鉚接單元；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行設計的復雜性。對于螺旋銑孔和超聲振動制孔末端執行器，由于系統相對復雜，設計難度較大。

3.2 自動化控制技術

全自動制孔系統的控制系統既包括末端執行器切削加工的多運動控制，還包括機械手、數控機床等設備運動的控制，同時根據制孔需求還需集成工件位置視覺識別系統、刀具相對構件法向的調整系統、構件壓緊和吸塵排屑等輔助系統、故障診斷系統等。為實現高效自動化制孔，上述設備和輔助裝置全部需要統一有序的控制，控制系統的研制成為一項復雜的工程。此外，飛機結構件的裝配多為多品種小批量生產，裝配構件變化后即需要重新制定制孔工藝，從而對控制系統的離線編程技術也有較高要求[3]。

4 結束語

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