飞机装配自动进给钻应用及精度控制

王伟，董卫萍，邢欣，王志超，李阳

（中航飞机股份有限公司，陕西 西安 710089）

1 引言

飞机装配过程中存在大量联接件的装配制孔，数量巨多，精度、质量要求严苛，主要有手工、半自动和自动三种制孔方式。手动制孔是采用手持风钻、钻套、刀具进行制孔；半自动制孔一般采用自动进给钻(Automatic Drilling Unit，简称ADU)和配套刀具、导套等进行制孔；自动制孔是采用机器人、钻铆机等自动设备完成制孔。随着新型钛合金材料、复合材料、高硬度高强度钢等难加工材料在飞机制造中大量采用以及飞机装配工艺对制孔精度、效率要求的提高，传统的手动制孔逐步被半自动制孔和设备制孔取代。由于自动进给钻制孔相比机器人、钻铆机等设备具有制孔空间需求小、操作简单、工具费用低等优势，在飞机装配中逐渐被推广应用。目前，国内飞机装配领域使用的自动进给钻及自动钻应用技术均从国外引进，国内对自动进给钻应用技术及影响其制孔精度的配套刀具、钻套技术研究较少，ADU应用技术长期依赖国外工具供应商。本文详细介绍了自动进给钻的应用选型，并开展了自动进给钻精度控制试验，研究刀具结构参数及导套精度对其制孔精度的影响，提出自动进给钻配套刀具、钻套的关键设计要素，以满足制孔精度及稳定性要求。

2 自动进给钻应用选型

自动进给钻主要部件包括动力部件、连接定位部件(钻模板、压紧钉、引导套)、切削刀具等。在飞机装配制孔过程中，自动进给钻提供扭矩、转速、进给、冷却、碎屑等功能，关键参数包括结构、功率、进给、转速、行程等。通常情况下，自动进给钻的应用选型原则如下。

（1）根据制孔空间和制孔要求，选择自动进给钻的结构，有转位卡口型、膨胀夹头型、C型、偏移头型等几种形式，不同的结构的制孔功能和空间需求不同。在空间允许的条件下，一般选用转位卡口型，钻锪一体时选用膨胀夹头型，制孔空间狭小时，选用偏移头型。

（2）根据被加工材料及孔径大小确定自动进给钻的转速、进给。在多种叠层材料制孔时，自动进给钻参数选用采用“就难”原则(如钛合金和铝合金叠层制孔，转速、进给以钛合金加工参数为准)。

（3）自动进给钻功率与制孔孔径大小、材料加工难易程度相关，通常选用涡轮马达且主轴输出功率大于1.3kW。

（4）根据材料厚度、钻模厚度、排屑空间、钻套系列及刀具结构，确定自动进给钻的加工行程。

3 自动进给钻制孔精度控制

通常机加设备的主轴为刚性主轴，其主轴径向跳动影响着孔径精度、质量和稳定性。而自动进给钻为浮动主轴，仅为刀具提供制孔动力，所用刀具与通常机加设备制孔刀具不同，刀具尺寸、导套与刀具的配合尺寸是决定孔径精度的关键因素。

本文以刀具结构及自动进给钻导套精度为研究对象，开展常见自动进给钻精度控制试验。针对钻削刀具结构，研究刀具刃带和倒锥对制孔精度的影响，采用多点支撑的双刃带钻头和机加常用单刃带钻头做精度对比切削试验，刀具刃带结构如图1所示；采用刃部外径无倒锥的钻头与传统的带倒锥的钻头做精度对比试验，刀具倒锥如图2所示；针对导套与刀具的配合精度，进行制孔精度控制试验，自动进给钻导套结构示意图如3，研究影响制孔精度的因素。

图1 刀具参数示意图

图2 自动进给钻导套示意图

3.1 试验方案

本试验采用单因素变量法，针对钻削刀具的不同刃带结构、倒锥形式及导套内径分别进行切削试验，研究刀具结构参数、导套与刀具配合精度对自动进给钻制孔精度的影响。

（1）制孔试验条件：制孔空间开敞，试验件为铝合金与钛合金叠层制孔，叠层厚度为18mm，终孔孔径为 9.52 ～ 9.57mm，无初孔。

（2）自动进给钻选取：根据制孔条件确定的自动进给钻功率为2.1kW、转速2360r/min、进给0.05mm/r，钻模版厚度为20mm，排屑间隙10mm，选用A22000系列导套，外径为φ22.5-0.007mm。

（3）刀具参数：刀具材料统一选用双螺旋30°硬质合金棒料，采用同一加工刀具设备和刀具测量设备，总长L=180mm，刃长L1=90mm，刀具直径名义值为φ9.54mm。

3.2 试验结果

采用数显内径千分尺测量被加工工件的孔径大小，以加工工件不同深度处的三点孔径大小，以其平均值作为孔径大小，具体结果如下所示：

（1）图3为刃带及倒锥对制孔孔径影响结果图，使用导套内径的名义尺寸为φ9.54。可以看出，双刃带不带倒锥钻头的孔径测量结果更稳定，更贴近刀具实际尺寸，有利于精度控制。

图3 钻头倒锥对孔径大小的影响

（2）图4为不同导套内径对应的孔径结果测量图，可以看出，导套内径为中9.545的孔径较为稳定，孔径尺寸更贴近于刀具尺寸，导套与刀具间隙越大，孔径稳定性越差。

4 结语

（1）双刃带钻头比普通的单刃带钻头具有更好的制孔精度和稳定性，双刃带刀具在导套内可获得多点支撑，具有更好的稳定性。因此，ADU刀具齿背需采用双刃带或多刃带设计。

（2）在切削过程中，带倒锥刀具随着切削加深，刀具与钻套之间的间隙增大，由于自动进给钻主轴直接与刀具连接，随着刀具的摆动，制孔精度和稳定性降低。不带倒锥刀具具有更好的制孔精度。

（3）自动进给钻导套内径与刀具外径配合间隙越小，刀具在切削过程的摆动越小，孔径更稳定，制孔精度和稳定性越高。一般刀具公差取孔径容差的40%，导套与刀具公差配合选用G6/h6。