飞机装配中的先进制孔技术与装备.pdf

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1、飞机装配中的先进制孔技术与装备球康仁科，杨国林，董志刚，朱祥龙，郭东明(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连116024)【摘要】制孔加工是飞机装配过程中的重要工作之一。生产效率的高要求，加工质量、精度的苛刻标准，以及复合材料、钛合金等难加工材料的大量使用，使得飞机装配制孔技术不断面临新的挑战。而基于不同切削原理的制孔新方法与技术装备，成为解决当下飞机装配制孔难题的途径之一。关键词：飞机装配；制孔；螺旋铣；超声；末端执行器DOI：10．16080巧．issnl671-833x．2016．10．016康仁科大连理工大学教授、博士生导师。主要研究方向为超精

2、密与特种加工技术、难加工材料高效加工技术．计算机辅助设计与制造。主持国家“973计划”和“863计划”课题、国家基金重点项目和其他科研项目20多项。获国家技术发明一等奖1项、二等奖1项、省部级技术发明奖励多项。+基金项目：国家“863”计划课题(2013AA040104)，国家“973计划”课题(2011CB013201)和国家自然科学基金面上项目(51575085)。16航空制造技术·2016年第10期飞机的装配过程是将不同结构与功能的部件按照一定要求进行连接，最终组装成一个整体的过程。飞机装配中运用到的连接技术多种多样，包括机械连接、焊接、胶接等。铆钉连接(简

3、称铆接)和螺栓连接(简称螺接)两种机械连接形式是飞机装配中最主要的连接形式[1】。铆接和螺接的一个共同特点是需要在被连接的两个零部件上预先加工连接孑L。飞机装配制孔具有如下特点：(1)制孔数量巨大。一架大型飞机需要的制孔数量通常在百万以上[2】。巨大的加工数量使得制孑L成为了飞机装配过程中主要工作之一。(2)精度、质量要求高。大量研究表明，来自连接部位的疲劳破坏是飞机机体破坏的主要形式之一。据统计，70％的飞机机体疲劳失效事故起因于结构连接部位，其中80％的疲劳裂纹发生于连接孔处[3]。为延长飞机服役时间，保证飞行安全，对连接过程中的制孔精度与质量要求逐渐提高，不

4、仅要保证足够高的尺寸精度、圆度与位置精度，还必须有效抑制加工缺陷的产生。(3)加工材料工艺性差。为提高飞机性能，复合材料、钛合金等被大量应用到飞行器结构设计中，使用量已经超过传统钢、铝等【4】。复合材料、钛合金等虽然性能优异，但加工工艺性差，刀具磨损快，易产生加工缺陷。例如，目前主要采用的麻花钻制孔方法对复合材料构件加工时，加工过程中易出现复合材料分层、撕裂、毛刺等缺陷，对钛合金材料加工时易产生烧伤。当需要对复合材料／钛合金叠层结构一体化装配制孔时，由于材料性质存在巨大差异，加工出高质量连接孔极为困难，制孔难度进一步加大。(4)零件尺寸庞大，形状复杂。飞机零部件多

5、为大型曲面结构，搬运、定位、装夹困难，制孔加工中孑L的位置与方向确定也更为复杂，通常无法使用传统机床完成，必须有针对性地开发专用制孔设备，从而增加了制造周期与成本。为解决飞机装配制孔难题，国内外经过长期研究开发了多种制孑L工艺方法和大量专用加工设备。本文介绍了不同制孔工艺方法与制孑L装备，分析了不同方法的特点，并指出了开发先进制孑L技术和装备的若干关键技术。制孔工艺方法研究现状飞机装备中有多重制孔工艺方法，麻花钻制孔是主要方法，其原理如图I(a)所示。经过长时间的发展，麻花钻制孔技术在刀具、加工设备、参数选取等各方面已基本成熟，可以满足飞机装配中的大部分制孔需求。

6、通过制备特殊形状的刀具，在钻孑L同时实现沉头孔的加工，如图1(b)和(P)所示．1IJ』组含脎化l占制孔(cj组@州E锚舢l技求：图1麻花钻制孔原理Fig．1Principleofhole-machiningwithatlfI，istdrill受限于其自身特点，麻花钻制孑L存在一些问题。首先，由于钻头主切削刃上各点处的前角和切削速度相差太大，前端靠近轴线部分前角过小，切削速度低，对加工材料的作用以挤压为主，造成制孔时轴向切削力大；特别是横刃有很大的负前角值，从而产生很大的轴向力。专用制孔设备与传统机床相比刚性较差，过大的轴向力容易引起加工工件和加工设备的变形，影响

7、加工精度；对于复合材料制孔，过大的轴向力还易引起分层缺陷，影响加工质量陋】。其次，制孔过程中切削热量不易排出，使得切削区域温度逐渐升高，刀具寿命变短，同时还易造成加工材料的热损伤，形成加工缺陷。再者，制孔加工过程中，切屑只能经排屑槽被挤压到外部，这个过程中切屑与已加工孔壁反复摩擦，使得加工质量变差，同时也使得切削区温度升高，当加工钛合金、铝合金等塑性材料时，产生的连续切屑使该问题更加严重。复合材料、钛合金等难加工材料大量使用之后，麻花钻制孔的上述问题更加突出。对于一些要求较高的大直径连接孔，单一的麻花钻钻孔工艺已不能满足质量与精度要求，生产中需要采用“钻一扩一铰”

8、的多工序方