浅析飞机装配自动进给钻应用及精度控制

2021-12-23马正管黎明

科学与信息化 2021年2期

马正管黎明

西安飞机工业有限责任公司陕西西安 710089

引言

在飞机装配过程中，制孔工作量大，且制孔质量对飞机结构的完整性以及制孔效率对装配周期都有很大的影响。为了降低飞机结构重量、提高结构强度，在新机型中大量采用复合材料，这些复合材料的大量使用，导致复杂材料叠层（如复合材料和金属叠层）的应用日趋广泛，使得飞机在装配过程中的制孔操作面临更大的挑战。在新机型的研制周期逐步缩短的情况下，在满足交付进度、降低制造成本、提高产品质量方面，制孔质量和效率已成为飞机装配中的一个焦点问题。近年来，在制孔方面有很多新的工艺和工具设备在飞机装配中使用，尤其是半自动和自动制孔工艺及工具设备，本文主要介绍了半自动和自动制孔工具设备在飞机装配制孔过程中的应用。

1 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，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。通过制备特殊形状的刀具，在钻孔同时实现沉头孔的加工。

受限于其自身特点，麻花钻制孔存在一些问题。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[1]。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。

2 制孔主要面临的挑战

目前飞机装配制孔面临两个主要的挑战：一方面是随着复材及钛合金的广泛使用，装配制孔时的材料叠层种类越来越多，且复杂材料叠层结构大量使用，如铝-钛叠层、复合材料叠层及复合材料与金属叠层等。尤其是在钻制复合材料或复合材料与金属材料组成的复杂叠层时，传统的手工制孔难以保证制孔质量；另一方面为了满足飞机的研制及交付周期的要求，针对制孔困难的复材及钛等材料，对制孔效率也提出了更高的要求。

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，所用刀具与通常机械加工设备制孔刀具不同，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[2]。

3.1 先进的制孔末端执行器设计

末端执行器是制孔系统的核心部件，直接完成孔的切削加工任务。除切削加工必需的主轴单元和进给单元之外，末端执行器通常还要集成其他多种机构。例如，为实现加工孔位与工件法向的检测，末端执行器必须集成不同类型的传感器；为实现排屑，必须集成吸尘机构；为实现制孔加工中的构件压紧，必须集成压力可控的压脚机构；为适应不同刀具的自动化批量制孔，必须能实现刀具快速更换；当需要同时实现自动制孔和铆接时，还必须集成复杂的铆接单元；为避免制孔加工中的几何干涉和便于与机器人等装置的集成，制孔末端执行器必须严格控制其体积与重量。功能要求的多样性决定了自动制孔末端执行设计的复杂性。对于螺旋铣孔和超声振动制孔末端执行器，由于系统相对复杂，设计难度较大。

3.2 自动化控制技术

全自动制孔系统的控制系统既包括末端执行器切削加工的多运动控制，还包括机械手、数控机床等设备运动的控制，同时根据制孔需求还需集成工件位置视觉识别系统、刀具相对构件法向的调整系统、构件压紧和吸尘排屑等辅助系统、故障诊断系统等。为实现高效自动化制孔，上述设备和辅助装置全部需要统一有序的控制，控制系统的研制成为一项复杂的工程。此外，飞机结构件的装配多为多品种小批量生产，装配构件变化后即需要重新制定制孔工艺，从而对控制系统的离线编程技术也有较高要求[3]。