飞机装配中的先进制孔技术与装备

张艳

【摘 要】飞机机翼制孔系统孔位容易受到随机波动干扰产生误差，提出基于电控机械式误差调节的飞机机翼制孔系统孔位自动校正方法，构建飞机机翼制孔系统孔位校正的执行机构控制模型，采用位移传感器进行制孔系统孔位的误差偏移测量，在执行机构中进行误差的自适应调节和输出稳定性控制，结合迭代学习控制方法进行飞机机翼制孔系统孔位自动校正过程中的误差偏移修正，采用电控式的机械误差调节方法，实现机翼制孔系统孔位自动校正优化。

【关键词】飞机装配中;制孔技术;应用

前言

随着航空制造技术的发展，对飞机的机械工艺制造提出了更高的精度要求，飞机机翼制孔系统是实现飞机机翼制造的关键技术，在采用飞机机翼制孔系统进行飞机机翼制造过程中，由于单级同轴型脉冲管的整机性能扰动因素影响，导致飞机机翼制孔系统孔位自动校正误差较大，需要进行飞机机翼制孔系统孔位自动校正模型的优化设计，构建飞机机翼制孔的误差主动校正模型，采用自适应控制方法进行飞机机翼垂制孔校正过程中的误差修正，提高飞机机翼制孔的自适应校正和误差修正能力，相关的飞机机翼垂尾制孔系统孔位自动校正方法研究在提高机械的制孔能力方面具有重要意义。

1CFRP制孔技术

碳纤维增强树脂基复合材料（carbon fiberreinforced polymer，CFRP）因具有比强度高、比模量大、刚性好、比重小、抗疲劳性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，在大型飞机的主承力结构中得到了大量的应用。例如，欧洲的A380空客，CFRP的含量占机身重量的22%，尤其是中央翼盒和后机身的蒙皮壁板部位，CFRP所占比例最大;中国的武直-9直升机，CFRP的比重约占60%;而美国的“旅行者”号轻型飞机，CFRP的应用率高达90%，可见，CFRP在航空、航天等领域的应用之广。为了满足大型飞机中CFRP主承力构件之间的装配要求，需通过大量的铆接和螺栓连接，因而制孔工艺是CFRP结构件制造中最常用的加工技术。因此，为了实现CFRP高效精密制孔，长期以来CFRP制孔技术的研究一直是飞机制造领域的热点。

2CFRP钻削加工机理

2.1切屑形成机理

CFRP是由碳纤维和树脂固化而成的一种具有新性能的材料，其切削机理不同于金属材料。CFRP因具有非匀质性和各向异性，在切削加工时，切屑的形成机理不仅受纤维和基体属性以及纤维铺层方向的影响，还与刀具形状结构及工艺参数等因素有关，因此，不同于金属材料的切屑形成机理。CFRP切屑形成机理的研究，有助于揭示加工缺陷的形成和刀具磨损过程。

2.2钻削力

钻削是CFRP制孔技术中最常用的加工方法，在CFRP钻削过程中，轴向钻削力与钻削温度、刀具磨损、孔壁表面质量和出口毛刺缺陷直接相关，且其变化规律可直接反映出瞬时切削状态，有助于研究人员对钻削过程进行分析，因此，轴向钻削力是当前CFRP钻削制孔加工研究的一个关键点。轴向钻削力主要是由钻头横刃和主切削刃在钻削过程中与材料的相互作用所产生，受刀具几何形状、工件材料和加工工艺参数等多种因素的影响。

2.3钻削温度

在钻削CFRP时，钻削温度对材料的性能、钻头的耐久性以及孔壁的质量有很大影响，但由于CFRP特殊的材料性能及半封闭式的钻削加工特点，钻削温度的精准测量及影响因素的研究仍是CFRP制孔加工技术研究的一个难点。

3CFRP制孔刀具

钻削加工是CFRP复合材料制孔加工的主要加工方式，然而，CFRP材料的高硬度、各向异性以及低层间应力等特点对制孔刀具的材料、结构等提出了更高的要求。优化刀具材料和几何结构，进而提高制孔质量和刀具寿命，是解决CFRP高效精密制孔加工的重要举措。

3.1刀具材料

刀具磨损而引起的制孔质量问题会严重影响装配后飞机的整体服役性能。现阶段航空构件中逐步开始使用的T800级CFRP，其纤维增强相强度更大、硬度更高，纤维磨蚀性更强，在钻削加工过程中，刀具磨损剧烈，如何提高刀具硬度和耐磨性，延长刀具使用寿命，保证制孔质量，科研人员从刀具材料入手进行了大量的研究。目前，常用于CFRP制孔加工的刀具材料主要有硬质合金钻头、耐磨涂层钻头及金刚石磨料套料钻等。

3.2刀具结构

通过对CFRP钻削机理的研究发现，不仅钻头材料会对CFRP的钻削性能有影响，钻头几何结构也会对切屑形态、钻削轴向力、钻削温度等产生一定的影响。合理设计钻头结构，不仅可以减少刀具磨损、提高刀具寿命，还能提高制孔质量。鉴于CFRP的各向异性和层间的低黏附性，研究人员通过优化钻头的几何形状开发了各种新型刀具，提高了制孔质量和刀具耐用度。

4CFRP鉆削加工仿真

研究人员通过对CFRP的制孔实验研究，初步揭示了CFRP的切削机理和刀具磨损机理，建立了刀具几何形状和工艺参数等可变因素同制孔质量之间的内在联系;但是，在CFRP制孔实验过程中，不仅需要耗费大量的工件材料和新型结构刀具，而且钻削是半封闭式加工，难以观测切削的整个过程。随着计算机与信息技术的快速发展，CFRP切削过程的有限元模拟仿真得到很多研究者的青睐。有限元仿真不仅可以直观观测切削的整个过程，有效地获得应力、应变、温度等分布云图，而且还可以降低实验研究成本，为CFRP高效精密制孔加工提供技术指导。

结束语

进行飞机机翼孔位自动校正模型的优化设计，构建飞机机翼制孔的误差主动校正模型，采用自适应控制方法进行飞机机翼制孔校正过程中的误差修正，提高飞机机翼制孔的自适应校正和误差修正能力，提出基于电控机械式误差调节的飞机机翼制孔系统孔位自动校正方法，构建飞机机翼制孔系统孔位自动校正的约束参量模型，采用位移传感器进行制孔系统孔位的误差偏移测量，根据孔位校正的执行机构控制的稳定性条件，进行飞机机制孔系统孔位校正的可靠性控制和自动校准。

参考文献：

[1]魏明哲.机器人自动制孔控制系统软件开发[D].杭州：浙江大学，2012.

[2]卜泳，许国康，肖庆东.飞机结构件的自动化精密制孔技术[J].航空制造技术，2009，52（24）：61–62.

（作者单位：中航飞机股份有限公司）