機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化

中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 張 輝 郭洪杰

空軍駐沈陽地區(qū)軍事代表局 王 巍

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 卜 泳

新一代飛機(jī)研制具備隱身、多品種、長(zhǎng)壽命、小批量、輕質(zhì)和高效等特點(diǎn)[1]。隱身要求飛機(jī)表面質(zhì)量高，因而對(duì)裝配中锪窩深度控制提出了較為苛刻要求；長(zhǎng)壽命對(duì)裝配鉆孔質(zhì)量特別是孔的垂直度提出了較高要求；輕質(zhì)使飛機(jī)中鈦合金用量大幅度增加，導(dǎo)致裝配制孔難度加大。為適應(yīng)新型飛機(jī)的制造需求，手工制孔難以滿足現(xiàn)代化飛機(jī)制造需求[2]，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞自動(dòng)制孔技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作，其研究重點(diǎn)多集中于制孔裝備和制孔工藝對(duì)孔加工質(zhì)量、疲勞壽命及毛刺生成控制等方面，如徐紅爐、劉軍等[3]分析研究了采用Winslow制孔工藝可較明顯地提高緊固孔的疲勞壽命和降低分散性，并能使裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶變窄。劉軍、劉勇俊等[4-5]利用有限元法分析了孔的圓度、表面粗糙度及孔口劃傷等加工質(zhì)量指標(biāo)對(duì)孔疲勞壽命的影響。鑒于缺少基于機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)，不同疊層構(gòu)件鉆削工藝參數(shù)方面的系統(tǒng)研究，合理制孔工藝參數(shù)是實(shí)現(xiàn)鉆孔自動(dòng)化的基礎(chǔ)，本文以鋁鋁、鈦鈦和鈦鋁3種典型疊層構(gòu)件為研究對(duì)象，研究了機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)在飛機(jī)組部件裝配中應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

選用牌號(hào)為TC4鈦合金和牌號(hào)為7B04鋁合金2種材料進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削試驗(yàn)，這2種采用試片均為板材，鈦、鋁試片尺寸都為350×220×（2.5～10）mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要由機(jī)器人和制孔執(zhí)行器2部分組成。其中，機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)具備高可靠性和高穩(wěn)定性，可滿足5×5×3m范圍內(nèi)自動(dòng)鉆孔，人機(jī)功能友好，制孔效率高，刀柄采用通用接口，可快速更換，操作簡(jiǎn)單。機(jī)器人自動(dòng)制孔設(shè)備主軸為電主軸，主軸轉(zhuǎn)速500～12000r/min，主軸扭矩8.0Nm，可加工的孔徑范圍是φ4～φ10mm。機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)需要在專用試片臺(tái)上完成。自動(dòng)制孔試驗(yàn)制孔質(zhì)量檢測(cè)工具的工作環(huán)境溫度10～35℃，工作環(huán)境濕度不大于95%RH，有效測(cè)量范圍25×25mm，檢測(cè)精度0.01mm，測(cè)量時(shí)間小于5s。鉆削試驗(yàn)鉆孔選用2種直徑分別為φ5mm和φ6mm的刀具，刀具機(jī)體材料為硬質(zhì)合金，刀具表面帶有金剛石涂層。

2 鉆削工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 鋁鋁疊層構(gòu)件鉆削參數(shù)優(yōu)化

以鋁鋁疊層構(gòu)件為對(duì)象，機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削工藝參數(shù)試驗(yàn)分別以低轉(zhuǎn)數(shù)小進(jìn)給、中轉(zhuǎn)數(shù)中進(jìn)給和高轉(zhuǎn)數(shù)大進(jìn)給3大類進(jìn)行，工藝參數(shù)試驗(yàn)變化區(qū)間范圍是主軸轉(zhuǎn)速在3500～8000r/min、進(jìn)給速度在40mm/min～1500mm/min。工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是通過孔徑尺寸、內(nèi)壁劃痕情況、出口毛刺和鉆削效率4個(gè)參數(shù)來進(jìn)行判斷。工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)從低轉(zhuǎn)數(shù)小進(jìn)給方式開始制孔，參數(shù)變化區(qū)間分別是主軸轉(zhuǎn)數(shù)3500r/min、進(jìn)給速度40～600mm/min。從試驗(yàn)結(jié)果可見，低轉(zhuǎn)數(shù)小進(jìn)給制孔試驗(yàn)結(jié)果均不理想，并且制孔效率低，且鋁合金鉆屑不斷劃傷孔壁，制孔質(zhì)量不好。工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)選用高轉(zhuǎn)數(shù)大進(jìn)給方式開始制孔，參數(shù)變化區(qū)間分別是主軸轉(zhuǎn)數(shù)大于6000r/min、進(jìn)給速度大于1300mm/min。從試驗(yàn)結(jié)果可見，制孔噪音突然提高，共振現(xiàn)象嚴(yán)重，并且通過提高主軸轉(zhuǎn)速仍然存在共振現(xiàn)象。工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)選用中轉(zhuǎn)數(shù)中進(jìn)給方式開始制孔，參數(shù)變化區(qū)間分別是主軸轉(zhuǎn)數(shù)大于4000r/min、主軸進(jìn)給速度在600～1200mm/min之間時(shí)，共進(jìn)行了10組鉆削試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，孔徑實(shí)測(cè)值均分布在6.000～6.018mm精度范圍之內(nèi)，利用優(yōu)化后工藝參數(shù)機(jī)器人自動(dòng)制孔精度可以達(dá)到H8，自動(dòng)制孔效果良好，沒有出現(xiàn)制孔缺陷。在制孔質(zhì)量和鉆削效率綜合參考下，采用主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，主軸進(jìn)給速度1200mm/min進(jìn)行鉆削試切試驗(yàn)，通過上述試驗(yàn)研究表明：利用機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)在鋁鋁疊層構(gòu)件鉆孔時(shí)，通過一次性連續(xù)制孔方式可實(shí)現(xiàn)高精度制孔，其主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min，進(jìn)給速度為1200mm/min較為合適。

圖1 以優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行鋁鋁疊層自動(dòng)制孔孔徑尺寸Fig.1 Hole diameter graph of aluminum-aluminum laminated automatic hole with the optimized process parameters

2.2 鈦鈦疊層構(gòu)件鉆削參數(shù)優(yōu)化

以鈦鈦疊層構(gòu)件為對(duì)象，機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削工藝參數(shù)試驗(yàn)分別以低轉(zhuǎn)數(shù)大進(jìn)給、中轉(zhuǎn)數(shù)大進(jìn)給和高轉(zhuǎn)數(shù)小進(jìn)給3大類進(jìn)行，工藝參數(shù)試驗(yàn)變化區(qū)間范圍是主軸轉(zhuǎn)速在 500～1700r/min、進(jìn)給速度在 5～30mm/min，工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是通過孔徑尺寸、內(nèi)壁劃痕情況、出口毛刺、鉆削效率和刀具壽命5個(gè)參數(shù)來進(jìn)行判斷。其試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)鈦鈦疊層構(gòu)件自動(dòng)制孔，當(dāng)工藝參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速大于1000r/min時(shí)， 緊固孔孔徑明顯增大，明顯超出精度要求范圍，并伴隨著切削粘刀和發(fā)熱嚴(yán)重等現(xiàn)象，即使將主軸進(jìn)給速度降低為5mm/min時(shí)，仍然出現(xiàn)切削粘刀現(xiàn)象。當(dāng)工藝參數(shù)運(yùn)用低轉(zhuǎn)數(shù)大進(jìn)給時(shí)，即利用主軸轉(zhuǎn)數(shù)為500r/min、主軸進(jìn)給速度為30mm/min自動(dòng)制孔，刀具壽命大幅度降低，并且孔的表面粗糙度急劇增大，制孔質(zhì)量不好。通過對(duì)鈦鈦疊層構(gòu)件反復(fù)試切試驗(yàn)，試驗(yàn)研究表明鈦鈦疊層構(gòu)件可以通過一次性連續(xù)制孔方式完成高精度制孔，鉆削工藝參數(shù)在主軸轉(zhuǎn)速為800r/min和進(jìn)給速度30mm/min下較為合適。

圖2 不同工藝參數(shù)下進(jìn)行鈦鈦疊層自動(dòng)制孔孔徑尺寸Fig.2 Hole diameter graph of titanium-titanium laminated automatic hole under the different process parameters

2.3 鈦鋁疊層構(gòu)件鉆削參數(shù)優(yōu)化

以鈦鋁疊層構(gòu)件為對(duì)象，機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)鉆削工藝參數(shù)試驗(yàn)分別以改變主軸轉(zhuǎn)數(shù)方式和不改變主軸轉(zhuǎn)數(shù)方式2大類進(jìn)行。工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是通過孔徑尺寸、內(nèi)壁劃痕情況、出口毛刺、鉆削效率和刀具壽命5個(gè)參數(shù)來進(jìn)行判斷。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)疊層構(gòu)件厚度大于10mm時(shí)，疊層構(gòu)件的制孔采用多次變主軸轉(zhuǎn)速方式制孔較好，其各層的制孔工藝參數(shù)可根據(jù)本層材料進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)疊層構(gòu)件厚度小于10mm時(shí)，采用多次變主軸轉(zhuǎn)速方式制孔的制造效率較低，選取此種方式進(jìn)行自動(dòng)制孔不合適。鈦鋁疊構(gòu)件利用同樣工藝參數(shù)一次性連續(xù)進(jìn)給方式進(jìn)行制孔時(shí)，如果以鋁合金的工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)制孔，制孔刀具難以承受，導(dǎo)致刀具壽命大幅度縮短。而以鈦合金制孔參數(shù)進(jìn)行制孔，效果良好，可以滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。但當(dāng)制孔轉(zhuǎn)速過低時(shí)，出現(xiàn)了鋁合金孔壁粗度較低等現(xiàn)象，可通過加入微量潤滑改善孔壁粗糙度，且盡可能選擇鈦合金上限主軸轉(zhuǎn)數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）鋁鋁疊層構(gòu)件可通過一次性連續(xù)制孔方式實(shí)現(xiàn)高精度制孔，主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min，進(jìn)給速度為1200mm/min較為合適。

（2）鈦鈦疊層構(gòu)件可以通過一次性連續(xù)制孔方式完成高精度制孔，制孔參數(shù)選擇主軸轉(zhuǎn)速為800r/min和進(jìn)給速度30mm/min較為合適。

（3）鈦鋁疊層構(gòu)件當(dāng)厚度大于10mm時(shí)，采用多次變主軸轉(zhuǎn)速方式制孔較好，且根據(jù)材料設(shè)計(jì)制孔參數(shù)；當(dāng)厚度小于10mm時(shí)，利用一次性連續(xù)方式制孔，且以鈦合金制孔參數(shù)進(jìn)行制孔。

[1] 許國康.大型飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù).航空學(xué)報(bào), 2008,29(3):734-740.

[2] 范玉青.飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)綜述——飛機(jī)制造的一次革命性變革. 航空制造技術(shù),2006(10):44-48.

[3] 王黎明,馮潼能.數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用.航空制造技術(shù), 2008(11):42-45.

[4] 徐紅爐,劉軍,章剛,等.制孔工藝對(duì)緊固孔疲勞性能的影響.飛機(jī)設(shè)計(jì), 2008, 28(3):25-30.

[5] 劉軍,劉勇俊,劉永壽,等. 開孔試件的表面粗糙度對(duì)疲勞壽命影響的定量分析.中國機(jī)械工程,2008,19(3):327-329.