螺旋轨迹制孔技术在航空制造中的应用.pdf

《螺旋轨迹制孔技术在航空制造中的应用.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、在航空制造中的应用ApplicationofSpiralTrajectoryDrillingTechnologyonAviationManufacturing中航工业北京航空制造工程研究所张云志刘华东邹方中国商飞上海飞机制造有限公司陈磊张云志工学博士．高级工程师，JSME会员。就职于中航工业北京航空制造工程研究所．曾长期从事舶用机器人应用环境及自动控制研究，现任数字化柔性装配技术研究室柔性装配研发部部长。随着航空产品不断的升级换代，轻质、高强度材料在产品结构上的应用比重不断加大，且已成为衡量航空产品结构先进性的重要标志之一。这些新材料的应用，虽

2、然满足了飞行器零部件的高刚性、高强度、轻量化等要求，但同时也给后续的零件加工及装配制孔带来了新的难34航空制造技术·2013年第22期笔者以机器人为载体，利用国产刀具，在所研制的实机上完成了对钛合金、CFRP等难加工材料的$1J子L验证，制孔精度、孔内表面粗糙度等均达预期，证明了螺旋轨迹制孔装置设计、控制方法的合理性和有效性，使一种刀具Jjn-r多种直径的孔成为现实。题。特别是对钛合金及复合材料(CFRP)等难加工材料的大径制孔，已成为业界关注的热点。如何很好地解决难加工材料制孔过程中存在的刀具过热失效，有效地抑制CFRP层间分离和孔口毛边，避

3、免切屑划伤制孑L内表，提高制孔效率，满足制孑L精度和光洁度以及长寿命连接要求，已成为航空产品装配技术领域不可回避的问题。迄今，国内很多学者在此方面做了大量研究，提供了一些实用方法，如采用CBN刀具、金刚石刀具、陶瓷刀具【11等并结合啄式进给方式，在难加工材料的制孔方面取得了一定的成果。但从制孔综合方面，并未完全解决诸如CFRP层间分离和孔口毛边、切屑划伤等根本性问题。关于螺旋轨迹制孔技术，国内除了对Novator产品的概念性介绍和对螺旋铣孔动力学【21研究外，尚未见有关深层报道。本文借鉴国内外螺旋轨迹制孔技术的研究经验，在国内率先研制出螺旋轨迹

4、制孔装置，该装置具有如下特征：(1)在线调整刀具中心(ToolCenterPoint，TCP)径向变位，以适应不同孑L径加工要求；(2)具有曲面法向测量功能，可搭载机器人在自由曲面上沿制孔点位的法矢实施螺旋轨迹制孔；(3)压紧力可调，以对应CFRP和混合叠层材料制孔对压紧力的要求；(4)真空排屑功能，将制孑L过程中产生的粉末状切屑及时从制孔区域排除。螺旋轨迹制孔技术的比较优势螺旋轨迹制孑L在切削机理上与传统的钻削制孑L有着本质差别。图1、图2分别描述了传统钻削制孑L和螺旋轨迹制孑L的特性和区别。传统钻削制孑L是一个连续切削过程【3】。制孔过程中

5、，刀具中心即为孑L的中心，孔径大小取决于制孔刀具直径，两者呈强线性对应关系。图1传统制孔钻削模型如图1所示，制孔切屑成连续卷曲状从导屑槽和孔壁形成的空间(也称散热空间)向孑L外旋转排出。实践证明，采用啄式进给断屑，只是在不同程度上减小了切屑长度，依然无法避免切屑卷曲、刮蹭孔壁，也难以解决CFRP材料的层间分离和孔口劈裂、剥离等问题。螺旋轨迹制孑L过程与传统钻削制孔不同，是一个非连续铣削过程，通过无级调整TCP变位参数P，用同一种规格的刀具加工多种直径的孔。如图2所示，根据制孔孔径要求，让刀具回转中心相对制孔中心产生径向变位，刀具以∞．自转的同时

6、以∞，公转，这种非连续铣削方式不仅有利于刀具的散热，降低了传为外调整套回转中心，也是制孔中心；O，为内调整套回转中心；O，为刀具中心。根据图3所示，制孑L的几何参数、刀具直径和描述刀具TCP的位置参数存在如下关系：2R=2h+d=D，(1)式中，D为制孑L直径。刀具中心点的位置h与内外调整套偏心距有如下关系式成立：h=sqrt(e12+e22—2eIe2cos们。(2)式(2)反映了TCP径向变位与调整套运动参数之间的联系，也称螺旋轨迹制孔装置TCP径向变位运动学方程。联立式(1)和式(2)，得到下式：‰cos[竺掣]，(3)式中，由于e．和e

7、：为已知的结构参数，d为刀径，一旦制孔的孑L径得到确定，就可以根据所选刀具，利用式(3)得到内外调整套相对转角。为了方便校准零位，使制孔结束后内外调整套均止于准停位，该制孔装置在技术设计时，考虑了el=e，=e，代人式(3)可简化如下：0：彻s[1一掣】。(4)式(4)变形，可写成如下形式：D=d+2e·sqrt(2—2COS0)。(5)由此可见，制孔孑L径仅与刀具直径、调整套偏心距和转角这3个参数有关。根据式(5)，在调整套偏心距一定的情况下，对装置制孑L能力进行数值仿真，结果如图4所示。随刀具直径增大，制孑L能力曲线上移，当刀具规格一定时，

8、随内外调整套相对调整套转角0的增大，制孔能力呈非线性递增。根据式(2)，可得到图5所示的TCP径向变位h与内、外调整套相对转角0关系曲线。2013年第