飛機裝配中的先進制孔技術(shù)與裝備*

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024）

飛機的裝配過程是將不同結(jié)構(gòu)與功能的部件按照一定要求進行連接，最終組裝成一個整體的過程。飛機裝配中運用到的連接技術(shù)多種多樣，包括機械連接、焊接、膠接等。鉚釘連接（簡稱鉚接）和螺栓連接（簡稱螺接）兩種機械連接形式是飛機裝配中最主要的連接形式[1]。鉚接和螺接的一個共同特點是需要在被連接的兩個零部件上預(yù)先加工連接孔。飛機裝配制孔具有如下特點:

（1）制孔數(shù)量巨大。一架大型飛機需要的制孔數(shù)量通常在百萬以上[2]。巨大的加工數(shù)量使得制孔成為了飛機裝配過程中主要工作之一。

（2）精度、質(zhì)量要求高。大量研究表明，來自連接部位的疲勞破壞是飛機機體破壞的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計，70%的飛機機體疲勞失效事故起因于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處[3]。為延長飛機服役時間，保證飛行安全，對連接過程中的制孔精度與質(zhì)量要求逐漸提高，不僅要保證足夠高的尺寸精度、圓度與位置精度，還必須有效抑制加工缺陷的產(chǎn)生。

（3）加工材料工藝性差。為提高飛機性能，復(fù)合材料、鈦合金等被大量應(yīng)用到飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，使用量已經(jīng)超過傳統(tǒng)鋼、鋁等[4]。復(fù)合材料、鈦合金等雖然性能優(yōu)異，但加工工藝性差，刀具磨損快，易產(chǎn)生加工缺陷。例如，目前主要采用的麻花鉆制孔方法對復(fù)合材料構(gòu)件加工時，加工過程中易出現(xiàn)復(fù)合材料分層、撕裂、毛刺等缺陷，對鈦合金材料加工時易產(chǎn)生燒傷。當(dāng)需要對復(fù)合材料/鈦合金疊層結(jié)構(gòu)一體化裝配制孔時，由于材料性質(zhì)存在巨大差異，加工出高質(zhì)量連接孔極為困難，制孔難度進一步加大。

（4）零件尺寸龐大，形狀復(fù)雜。飛機零部件多為大型曲面結(jié)構(gòu)，搬運、定位、裝夾困難，制孔加工中孔的位置與方向確定也更為復(fù)雜，通常無法使用傳統(tǒng)機床完成，必須有針對性地開發(fā)專用制孔設(shè)備，從而增加了制造周期與成本。

為解決飛機裝配制孔難題，國內(nèi)外經(jīng)過長期研究開發(fā)了多種制孔工藝方法和大量專用加工設(shè)備。本文介紹了不同制孔工藝方法與制孔裝備，分析了不同方法的特點，并指出了開發(fā)先進制孔技術(shù)和裝備的若干關(guān)鍵技術(shù)。

制孔工藝方法研究現(xiàn)狀

飛機裝備中有多重制孔工藝方法，麻花鉆制孔是主要方法，其原理如圖1（a）所示。經(jīng)過長時間的發(fā)展，麻花鉆制孔技術(shù)在刀具、加工設(shè)備、參數(shù)選取等各方面已基本成熟，可以滿足飛機裝配中的大部分制孔需求。通過制備特殊形狀的刀具，在鉆孔同時實現(xiàn)沉頭孔的加工，如圖1（b）和（c）所示。

圖1 麻花鉆制孔原理Fig.1 Principle of hole-machining with a twist drill

受限于其自身特點，麻花鉆制孔存在一些問題。首先，由于鉆頭主切削刃上各點處的前角和切削速度相差太大，前端靠近軸線部分前角過小，切削速度低，對加工材料的作用以擠壓為主，造成制孔時軸向切削力大；特別是橫刃有很大的負(fù)前角值，從而產(chǎn)生很大的軸向力。專用制孔設(shè)備與傳統(tǒng)機床相比剛性較差，過大的軸向力容易引起加工工件和加工設(shè)備的變形，影響加工精度；對于復(fù)合材料制孔，過大的軸向力還易引起分層缺陷，影響加工質(zhì)量[5]。其次，制孔過程中切削熱量不易排出，使得切削區(qū)域溫度逐漸升高，刀具壽命變短，同時還易造成加工材料的熱損傷，形成加工缺陷。再者，制孔加工過程中，切屑只能經(jīng)排屑槽被擠壓到外部，這個過程中切屑與已加工孔壁反復(fù)摩擦，使得加工質(zhì)量變差，同時也使得切削區(qū)溫度升高，當(dāng)加工鈦合金、鋁合金等塑性材料時，產(chǎn)生的連續(xù)切屑使該問題更加嚴(yán)重。

復(fù)合材料、鈦合金等難加工材料大量使用之后，麻花鉆制孔的上述問題更加突出。對于一些要求較高的大直徑連接孔，單一的麻花鉆鉆孔工藝已不能滿足質(zhì)量與精度要求，生產(chǎn)中需要采用“鉆—擴—鉸”的多工序方案，某些制孔加工中甚至需要多達十幾道工序，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本也隨之增加。近年來，隨著飛機裝配制孔要求的提高和加工方法的不斷進步，除麻花鉆制孔外，出現(xiàn)了一些基于新原理的制孔技術(shù)，如磨削套料制孔、螺旋銑制孔和超聲輔助制孔等，得到航空裝備制造業(yè)的關(guān)注，并在飛機裝配中獲得實際應(yīng)用。

1 金剛石工具磨削制孔

金剛石工具磨削制孔是采用固結(jié)金剛石磨粒的磨削套料工具，通過金剛石磨粒磨削在工件上去除一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)的材料實現(xiàn)制孔的方法，圖2為孔實例。金剛石工具磨削制孔工藝已經(jīng)在陶瓷、玻璃等硬脆材料零件的制孔中得到廣泛應(yīng)用。在飛機裝配制孔中對金剛石工具磨削制孔的應(yīng)用研究主要針對復(fù)合材料展開，研究和應(yīng)用結(jié)果表明:與麻花鉆制孔相比，磨削套料制孔工具為空心結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生制孔時由于鉆頭橫刃和軸心部分切削速度低造成軸向力過大的現(xiàn)象，同時金剛石磨削為多刃高速切削，可顯著減小切削力，有效抑制復(fù)合材料分層和毛刺等缺陷的產(chǎn)生；磨削套料制孔時只去除環(huán)形區(qū)域內(nèi)的材料，材料去除量大大減少，可降低切削功率，提高加工效率，減少切屑排放；磨削套料制孔比較容易通過空心工具內(nèi)部通入壓縮空氣或冷風(fēng)，可降低切削區(qū)域溫度，提高制孔質(zhì)量；磨削套料制孔對于大直徑孔具有明顯優(yōu)勢。

圖2 金剛石工具磨削套料制孔質(zhì)量Fig.2 Quality of machined holes by diamond trepanning tool

金剛石磨削制孔也有一些不足。首先，鈦合金、鋁合金等塑性合金材料磨削性能差，金剛石工具易堵塞；其次，與鉆頭、銑刀等其他刀具相比，金剛石工具的制造精度和尺寸一致性不易保證，制約了其制孔精度。

2 螺旋銑制孔

螺旋銑制孔是采用特制立銑刀，通過銑刀高速旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）形成主切削運動，并通過銑刀沿孔軸向的直線進給運動和繞孔軸線的圓周進給運動（公轉(zhuǎn)）形成螺旋軌跡進給，在工件上銑削出大于刀具直徑的圓孔。

與傳統(tǒng)麻花鉆制孔相比，螺旋銑制孔具有許多突出優(yōu)點，主要表現(xiàn)在:（1）加工孔徑不完全由刀具直徑?jīng)Q定，采用同一規(guī)格銑刀，通過改變螺旋進給軌跡直徑（調(diào)整刀具自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)軸線的中心距）即可改變加工孔徑，使得制孔過程中孔徑的控制具有很大的靈活性，便于實現(xiàn)自動化制孔；（2）加工范圍廣，不但可以加工通孔、平底盲孔，而且通過控制螺旋進給軌跡，還可以加工臺階孔和錐孔等異型孔；（3）銑削為多刃切削，刀刃前角大，切削力小，特別是軸向切削力比鉆削小得多，可大大減小合金材料制孔的出入口飛邊和毛刺，抑制和消除復(fù)合材料制孔的分層和毛刺等缺陷，顯著改善制孔質(zhì)量[6]；（4）斷續(xù)切削，加工區(qū)域開敞性好，切削溫度低，散熱容易，可有效抑制燒傷等加工缺陷，減小刀具磨損；（5）加工精度和質(zhì)量好，加工效率高，可以在工件實體材料上一次性直接加工出較大直徑的高精度孔，實現(xiàn)單工序短流程制孔，與傳統(tǒng)的“鉆—擴—鉸—锪”的多工序長流程制孔工藝相比，可減少刀具數(shù)量和加工時間，降低加工成本，提高生產(chǎn)率；（6）在加工鋁、鈦等塑性合金材料和復(fù)合材料制孔時，斷續(xù)切削分別產(chǎn)生碎片和粉末切屑，同時由于加工孔直徑比刀具大，增大排屑空間，有利于吸塵和排屑，可改善加工環(huán)境。

螺旋銑制孔作為在航空制造業(yè)最近出現(xiàn)的新工藝，在鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料構(gòu)件制孔中，尤其在復(fù)合材料/合金疊層結(jié)構(gòu)制孔和大直徑孔加工中優(yōu)勢明顯。國外針對螺旋銑制孔的加工機理和工藝開展了大量研究[7-10]，發(fā)達國家在航空航天制造領(lǐng)域開始應(yīng)用這一工藝。圖3為德國學(xué)者進行的加工試驗結(jié)果，對于鋁合金、復(fù)合材料和鈦合金3種材料，螺旋銑孔的切削溫度和軸向切削力均小于傳統(tǒng)制孔[11]。美國KENNAMETAL公司進行螺旋銑孔和傳統(tǒng)鉆孔的對比試驗，結(jié)果顯示螺旋銑孔產(chǎn)生碎片狀切屑，加工孔出入口無毛刺，孔壁質(zhì)量好。

圖3 螺旋銑孔與麻花鉆制孔切削力和切削溫度對比Fig.3 Comparison of cutting force and temperature

國內(nèi)大連理工大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航空制造工程研究所等單位也開展了螺旋銑孔技術(shù)的相關(guān)研究，特別是大連理工大學(xué)承擔(dān)國家“863”計劃課題等研究項目，在鋁合金、鈦合金、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳纖維復(fù)合材料以及合金/復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)的螺旋銑孔機理和工藝方面進行了系統(tǒng)基礎(chǔ)研究，目前開展工藝和裝備的應(yīng)用研究取得了實質(zhì)性進展。

此外，為進一步提高螺旋銑制孔的加工精度和孔口質(zhì)量，國外學(xué)者在螺旋銑制孔工藝基礎(chǔ)上，開展了相關(guān)的制孔新工藝研究。日本學(xué)者針對復(fù)合材料制孔提出了傾斜行星運動銑或鉆制孔工藝[12-13]，主要是將刀具傾斜一定角度，通過刀具的行星運動和直線進給進行制孔，與螺旋銑制孔相比，該工藝從原理上試圖減小偏心機構(gòu)的運動，減小制孔時的慣性振動和切削力，減少復(fù)合材料制孔的分層和毛刺。試驗證實在制孔表面紋理、圓度、主軸扭矩和刀刃磨損等方面有積極作用。但這一工藝只是進行試驗研究，尚未見實際應(yīng)用報導(dǎo)。此外，Hidetake 等還研究了不同刀具切削刃形狀對制孔質(zhì)量的影響，驗證了在減小分層和毛刺方面的效果，如圖4所示[14]。

3 超聲輔助制孔

研究表明，在一定條件下，當(dāng)傳統(tǒng)加工工藝中引入超聲振動后，會減小切削力，降低切削溫度，提高刀具壽命[15-16]。超聲輔助制孔是在已有的制孔工藝中，通過在制孔工具的一個或多個方向疊加超聲振動（振幅為幾微米至幾十微米，頻率通常在18 kHz以上）進行制孔加工。上述麻花鉆制孔、磨削套料制孔、螺旋銑孔等工藝中均可引入超聲振動，形成不同的超聲輔助制孔工藝。

麻花鉆制孔引入超聲振動后形成超聲輔助鉆孔工藝，如圖5所示。通過在麻花鉆軸向施加超聲振動，在鈦合金、鋁合金等塑性合金材料上制孔時，可以減少工件材料與刀具的粘結(jié)現(xiàn)象，減小孔口毛刺，并能在一定條件下實現(xiàn)自動斷屑；在復(fù)合材料上制孔時，由于軸向切削力減小，分層缺陷出現(xiàn)概率減小，并能抑制孔口毛刺的產(chǎn)生。國外學(xué)者在碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）和玻纖增強復(fù)合材料（GFRP）上進行超聲輔助制孔研究發(fā)現(xiàn)，和普通鉆削相比，超聲輔助制孔可獲得更好的孔壁表面粗糙度，且軸向鉆削力大幅降低[17-18]。北航張德遠(yuǎn)教授等開展超聲振動鉆削深小孔試驗研究，發(fā)現(xiàn)與普通鉆削相比，超聲振動制孔能夠大幅提高制孔精度和效率[18]。國內(nèi)其他單位包括河南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、太原理工大學(xué)等也開展了相關(guān)研究并取得了良好進展。大連理工大學(xué)利用研制的超聲輔助鉆削裝置，開展鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料等難加工材料超聲輔助鉆削加工工藝研究。研究結(jié)果表明，超聲輔助鉆削的出口毛刺小且少，切屑為斷續(xù)切屑，利于切屑的排出，如圖6所示。與普通鉆削加工相比，超聲輔助鉆削高溫合金的表面粗糙度可以降低60%。利用WC硬質(zhì)合金鉆頭超聲輔助鉆削Ti6Al4V鈦合金材料時，切削力比普通鉆削降低20%左右，如圖7所示。

圖4 不同刀具切削刃形狀及其對制孔質(zhì)量的影響Fig.4 Different cutter edge shapes and the quality of machined holes

圖5 超聲輔助鉆孔Fig.5 Experimental setup of ultrasonic assisted drilling

圖6 超聲輔助鉆孔與普通鉆孔切屑形態(tài)對比Fig.6 Comprison of chip shapes obtained by ultrasonic assisted drilling and conventional drilling in aluminum alloy

金剛石工具磨削套料制孔引入超聲振動后形成超聲輔助磨削制孔工藝，圖8為超聲輔助磨孔與傳統(tǒng)磨孔力對比，加工過程中，在高速旋轉(zhuǎn)的金剛石工具軸向附加超聲振動，因此有文獻也稱為旋轉(zhuǎn)超聲加工（Rotary Ultrasonic Machining，RUM）制孔工藝。由于工件材料受到刀具切削刃切削作用和超聲振動產(chǎn)生的高頻沖擊作用，材料的去除機理有別于普通金剛石工具磨削制孔方法。國內(nèi)外對陶瓷、玻璃等硬脆材料零件的超聲輔助制孔機理和工藝研究較多，目前工藝比較成熟，相關(guān)加工裝備已得到應(yīng)用。但對于難加工合金和復(fù)合材料超聲輔助加工制孔的機理和工藝的研究相對較少。美國Pei等開展了鈦合金、碳纖維復(fù)合材料的旋轉(zhuǎn)超聲加工機理和工藝研究。如圖9所示的研究結(jié)果表明:與傳統(tǒng)磨削加工相比，相同工藝參數(shù)下超聲磨削的磨削力和扭矩小，磨削表面粗糙度低[19-21]。國內(nèi)馬付建等研究金剛石砂輪超聲輔助碳纖維復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)，超聲輔助磨削的磨削力顯著降低，砂輪堵塞現(xiàn)象明顯改善，如圖10所示。難加工合金和復(fù)合材料超聲輔助磨削制孔工藝尚未完全成熟，目前多見于研究文獻報道，尚未實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

圖7 超聲輔助鉆孔與普通鉆孔軸向力對比Fig.7 Comparison of axial force between ultrasonic assisted drilling and conventional drilling

圖8 超聲輔助磨孔與普通磨孔磨削力對比Fig.8 Comparison of grinding force between ultrasonic assisted grinding hole and common grinding hole

螺旋銑孔引入超聲振動后形成超聲輔助螺旋銑削工藝，超聲輔助螺旋銑孔過程中材料的去除是切削和超聲振動沖擊的復(fù)合作用的結(jié)果，這種復(fù)合加工工藝發(fā)揮了螺旋銑削和超聲加工的優(yōu)點，與單一制孔工藝相比具有明顯優(yōu)勢。

大連理工大學(xué)對超聲輔助螺旋銑孔工藝進行了系統(tǒng)研究，并在飛機結(jié)構(gòu)件的加工中得到應(yīng)用[22]。結(jié)果表明，在合金結(jié)構(gòu)鋼（40CrNiMoA等）材料的超聲輔助螺旋銑削制孔時，相對于普通鉆削，切削力降低40%以上，切削溫度降低50%以上；相對于螺旋銑削，切削力降低25%以上，切削溫度降低15%以上。對鈦合金、合金鋼和GFRP復(fù)合材料等超聲輔助螺旋銑制孔時，可以減少毛刺，提高加工質(zhì)量，孔壁質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)麻花鉆和螺旋銑削制孔，如圖11所示。針對GFRP復(fù)合材料/合金疊層構(gòu)件的制孔，還提出了變工藝參數(shù)超聲輔助螺旋削制孔工藝。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了將超聲縱扭復(fù)合振動應(yīng)用于螺旋銑孔的方法，設(shè)計了帶斜槽的縱扭復(fù)合振動變幅桿和超聲縱扭復(fù)合振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[23]。

圖9 超聲輔助磨削和普通磨削CFRP的磨削力和扭矩對比Fig.9 Comprison of grinding force and torque between ultrasonic assisted grinding hole and conventional grinding hole in CFRP

裝配制孔裝備研究現(xiàn)狀

飛機結(jié)構(gòu)件通常尺寸龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配制孔很難在通用數(shù)控加工設(shè)備上進行，往往需要開發(fā)大型專用數(shù)控設(shè)備。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外開發(fā)出了多種專用制孔設(shè)備，本文按照其加工過程的自動化程度進行簡要分類和介紹。

圖10 超聲輔助磨削與普通磨削制孔時金剛石工具堵塞對比Fig.10 Comparison of loading on tool surface between ultrasonic assisted grinding hole and conventional grinding hole

圖11 不同方法制孔質(zhì)量對比Fig.11 Comprison of hole quality machined by different methods

（1）手工制孔。手工制孔即工人通過手持工具完成制孔加工。通常采用的制孔工具包括氣鉆、手電鉆等，其中以氣鉆使用居多。手工制孔對加工設(shè)備依賴性低，對工件的適應(yīng)性強，有一定靈活性，是飛機裝配中最為原始的制孔方法。但由于其存在生產(chǎn)效率低，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，操作者勞動強度大等缺點，已不能滿足現(xiàn)代飛機裝配的制孔需求。

（2）半自動制孔。半自動制孔是指采用帶有自動進給功能的手持工具完成的制孔。由于手工制孔方法存在很多不足，一些公司改進了手持氣動工具，集成了自動進給機構(gòu)與定位固定工裝，實現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)件裝配的半自動化制孔。圖12（a）所示為Seti-Tec Line公司生產(chǎn)的自動進給鉆。自動進給制孔工具需要配合專用工裝夾具使用，制孔前在對應(yīng)部位安裝自動進給鉆的工裝（如鉆模板等），再通過人工將自動進給鉆與其對接，一個孔加工好之后人工移動自動進給鉆到另一個位置。和手工制孔相比，半自動制孔加工過程中不再需要人手把持，切削力和制孔工具自重由工裝承受，加工過程更加平穩(wěn)，制孔質(zhì)量提高，一致性更好，勞動強度降低。采用自動進給鉆的半自動制孔技術(shù)在國內(nèi)外飛機裝配中，尤其是大直徑孔加工中獲得了較多應(yīng)用，是當(dāng)前的主要制孔方法之一。

瑞典NOVATOR公司開發(fā)了螺旋銑孔自動進給制孔工具，如圖 12（b）所示，其操作方法與傳統(tǒng)自動進給鉆基本相同。NOVATOR公司開發(fā)的螺旋銑孔設(shè)備已經(jīng)被波音公司批量采購，用于波音787飛機的生產(chǎn)中，并取得了良好的加工效果。與傳統(tǒng)自動進給鉆相比，采用螺旋銑孔原理的自動進給制孔設(shè)備對大直徑孔的加工能力更強，無需“鉆—擴—鉸”的復(fù)雜工藝，一次加工即可達到精度與質(zhì)量要求，生產(chǎn)效率更高。

圖12 自動進給制孔工具Fig.12 Portable hole-making units with automatic feeding

大連理工大學(xué)在國家863課題的資助下，與上海飛機制造有限公司等合作，研制了系列螺旋銑孔裝置。圖13所示為其研制的一種基于螺旋銑孔原理的手持式自動進給制孔裝置。該制孔裝置自身集成了自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)和軸向進給運動，偏心量通過專用工具手動調(diào)節(jié)，調(diào)整范圍0～3mm。該型螺旋銑孔裝置的自轉(zhuǎn)采用氣動馬達驅(qū)動，公轉(zhuǎn)和進給運動采用電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮了裝置的輕量化以最大限度減輕自身重量，裝置總重11 kg。對于已經(jīng)使用自動進給鉆的飛機制造廠商，只需對鉆模板進行簡單改裝即可替換原有自動進給鉆，實現(xiàn)螺旋銑孔加工。

半自動制孔方式自動化程度低限制了生產(chǎn)效率；加工前需要安裝定位固定制孔裝置的工裝（如帶制孔裝置鎖定功能的鉆模板），加工準(zhǔn)備時間長，同時加工零件變化時必須重新設(shè)計、制造和安裝工裝，工裝的柔性差。但由于這種制孔裝置相對簡單、成本低、技術(shù)成熟，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將是飛機裝配中有推廣應(yīng)用價值的重要制孔方法。

圖13 大連理工大學(xué)研制的手持式螺旋銑孔裝置Fig.13 Portable helical milling hole devices developed by Dalian University of Technology

（3）全自動制孔。全自動制孔指采用專門研制的高柔性、多功能、全自動化設(shè)備完成飛機裝配中的制孔加工。全自動制孔裝備是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，通常包括用于制孔加工的末端執(zhí)行器、用于定位夾持工件的裝夾機構(gòu)、將末端執(zhí)行器輸送至制孔位置的運動執(zhí)行機構(gòu)、以及為完成制孔所需的其他輔助裝置等。

根據(jù)飛機裝配具體工況和制孔要求的不同，國內(nèi)外研制了多種不同結(jié)構(gòu)形式的全自動制孔設(shè)備，并已被大量運用到生產(chǎn)中。

利用特制的多軸數(shù)控裝置搭載制孔末端執(zhí)行器是一種典型的全自動制孔方式。制孔系統(tǒng)的柔性通過多軸數(shù)控裝置實現(xiàn)，切削加工通過末端執(zhí)行器完成。工作時首先確定待加工孔位置，然后通過多軸數(shù)控裝置將末端執(zhí)行器運送到指定的加工位置后，由末端執(zhí)行器上安裝的主軸單元進行制孔加工。美國Electroimpact公司和德國BROETJE公司均有成熟的自動制孔設(shè)備。

特制的多軸數(shù)控裝置具有很好的定位精度與結(jié)構(gòu)剛性，但其制造成本高，生產(chǎn)周期長。國外一些公司利用工業(yè)機器人替代特制多軸裝置，搭載專用制孔末端執(zhí)行器，研制出了機器人制孔設(shè)備。應(yīng)用最多的為6關(guān)節(jié)串聯(lián)機器人，它具有非常好的柔性，配合直線導(dǎo)軌可以在大范圍內(nèi)移動，且價格低廉，技術(shù)成熟。工業(yè)機器人的應(yīng)用降低了自動制孔設(shè)備的設(shè)計難度，節(jié)約了研制成本。圖14中（a）為美國Electroimpact公司生產(chǎn)的機器人自動制孔設(shè)備，（b）為德國BROETJE公司生產(chǎn)的機器人自動制孔設(shè)備，（c）為瑞典NOVATOR公司生產(chǎn)的基于螺旋銑孔原理的機器人自動制孔設(shè)備。

大連理工大學(xué)將其研制的螺旋銑孔專用末端執(zhí)行器與KUKA 6關(guān)節(jié)機械手相結(jié)合，開發(fā)了基于螺旋銑孔原理的機器人自動制孔設(shè)備，并開展了工藝試驗研究，達到很好的制孔效果，如圖15所示。螺旋銑孔功能通過專用末端執(zhí)行器實現(xiàn)，偏心量調(diào)整范圍0～4mm，并能在實際加工前對偏心量實際輸出值進行在線檢測與自動補償。采用螺旋銑孔原理的自動制孔設(shè)備，不僅加工精度和質(zhì)量提高，而且由于可以自動調(diào)整偏心量，在不更換刀具的前提下即可改變加工孔徑，從而使得生產(chǎn)廠家需要貯存的刀具種類大大減少，加工設(shè)備柔性極大提高。該螺旋銑孔末端執(zhí)行器主軸前端通過BT30刀柄裝夾專用刀具，最大轉(zhuǎn)速12000r/min。裝置前端集成了視覺系統(tǒng)和激光位移傳感器，用以確定加工孔位與刀具位姿。經(jīng)試驗加工和檢測，其制孔圓度小于15μm，尺寸精度達到H7級。

圖14 機器人自動制孔設(shè)備Fig.14 Automatic hole machining equipment based on industrial robot

圖15 大連理工大學(xué)研制的全自動螺旋銑孔裝置Fig.15 Automatic helical milling hole equipment based on industrial robot developed by Dalian University of Technology

除上述大型自動化制孔設(shè)備外，國外還開發(fā)了其他一些具有高度柔性的輕型自動制孔技術(shù)與設(shè)備并應(yīng)用到生產(chǎn)中。其中一種為柔性軌自動制孔設(shè)備，工作時，其軌道通過真空吸盤吸附到零件表面。軌道采用了特殊的柔性結(jié)構(gòu)，能夠在一定范圍內(nèi)彎曲變形，對零件表面形狀實現(xiàn)自適應(yīng)。加工單元可以在柔性軌表面移動和調(diào)整姿態(tài)，完成制孔加工。

另一種輕型制孔設(shè)備為爬行（自行走）機器人制孔裝置。該裝置通過真空吸盤吸附在裝配構(gòu)件表面，并可在構(gòu)件表面爬行移動，到達指定位置后由其內(nèi)部攜帶的主軸單元進行制孔加工。

為進一步提高生產(chǎn)效率，國內(nèi)外一些公司將鉚接單元集成到先進的全自動制孔設(shè)備中，實現(xiàn)了制孔后鉚釘?shù)淖詣影惭b。包含鉚接功能的自動制孔設(shè)備又被稱為自動鉆鉚設(shè)備。自動鉆鉚設(shè)備作為制孔技術(shù)的延伸，也已被大量運用到實際生產(chǎn)中。

上述自動制孔設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)各異，但其設(shè)計的共同出發(fā)點在于提高制孔系統(tǒng)的柔性，能夠快速適應(yīng)不同加工零件，并最大限度地對生產(chǎn)所需的不同工藝進行集成，實現(xiàn)裝配過程的高度自動化，提高生產(chǎn)效率。

在國外發(fā)達國家的飛機裝配過程中，全自動的先進制孔技術(shù)和裝備經(jīng)過幾十年的發(fā)展已趨于成熟，得到廣泛的應(yīng)用。在制孔加工過程中，人的參與程度越來越少，自動化程度越來越高。除制孔加工本身外，其他制孔之前的準(zhǔn)備工作，例如零件的運輸、定位、固定等，以及制孔之后的后續(xù)工作，包括加工質(zhì)量檢測、鉚釘裝配等，也已經(jīng)實現(xiàn)高度自動化。

國內(nèi)大連理工大學(xué)、中航工業(yè)北京航空制造工程研究所、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海飛機制造廠等在飛機裝配制孔技術(shù)和裝備方面開展了大量的研究工作[24-25]，部分研究成果已實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用。但整體而言，我國在自動制孔技術(shù)和裝備方面和國外先進航空制造企業(yè)相比仍有較大差距。

（4） 超聲輔助制孔設(shè)備。將超聲輔助加工技術(shù)應(yīng)用于飛機裝配制孔中也需要專用加工設(shè)備的支撐。由于開發(fā)整套自動制孔設(shè)備投入巨大，國內(nèi)外更傾向于對現(xiàn)有制孔設(shè)備進行改造，通過安裝功能附件的形式使原有設(shè)備獲得超聲振動功能。一種方法為研制帶有超聲振動功能的電主軸，將超聲振動系統(tǒng)集成到主軸內(nèi)部；另一種方法為研制帶有超聲振動功能的刀柄，將超聲振動系統(tǒng)集成在刀柄內(nèi)。超聲主軸的方案對原有設(shè)備改動較大，實施困難；超聲振動刀柄的方式最適合對現(xiàn)有制孔設(shè)備的改裝，不改變其原有結(jié)構(gòu)與功能，因此具有更好的應(yīng)用前景。

國外Acoustech Systems公司和DMG公司對超聲振動刀柄的研究已較為成熟，并在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)部分應(yīng)用。國內(nèi)對超聲振動刀柄也有相應(yīng)研究，北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、河南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等都有此方面的研究報道[26-27]。

大連理工大學(xué)研制的超聲振動刀柄如圖16所示。其中，超聲電源根據(jù)負(fù)載情況運算后輸出特定的高頻正弦波電壓，經(jīng)非接觸超聲功率傳輸系統(tǒng)輸送給換能器，由換能器將電能轉(zhuǎn)換為機械振動，再經(jīng)變幅桿放大振幅之后，驅(qū)動刀具進行超聲振動。根據(jù)具體加工需求的變化，振幅可在0～20μm范圍內(nèi)調(diào)整，頻率范圍15～30 kHz。對于一定范圍內(nèi)的不同刀具和加工負(fù)載，超聲電源能夠自動檢測和匹配。該刀柄可安裝于已有的傳統(tǒng)加工設(shè)備，如數(shù)控鉆銑床、加工中心等，在原設(shè)備主軸前端預(yù)安裝超聲功率傳輸系統(tǒng)，配合安裝超聲振動刀柄，即可實現(xiàn)超聲振動輔助制孔。

為實現(xiàn)超聲輔助制孔技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用，大連理工大學(xué)在其研制的超聲振動刀柄基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)出了超聲輔助制孔末端執(zhí)行器，如圖17（a）所示。超聲輔助制孔末端執(zhí)行器主軸上集成超聲能量傳輸系統(tǒng)。對于需要低轉(zhuǎn)速、大振幅的超聲輔助加工，采用接觸式超聲能量傳輸系統(tǒng)，以保障能量的傳輸效率和功率；對于高轉(zhuǎn)速、小振幅需求的超聲輔助制孔，采用非接觸式能量傳輸系統(tǒng)。采用超聲輔助制孔末端執(zhí)行器與工業(yè)機器人，構(gòu)成自動化超聲輔助制孔系統(tǒng)，如圖17所示。

圖16 大連理工大學(xué)研制的超聲振動刀柄Fig.16 Tool holders for ultrasonic assisted machining developed by Dalian University of Technology

圖17 超聲輔助制孔系統(tǒng)Fig.17 Ultrasonic assisted hole machining system

先進制孔系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

開發(fā)先進的全自動制孔系統(tǒng)需攻克多個難點，涉及的關(guān)鍵技術(shù)可概括為以下幾個方面:

（1）先進的制孔末端執(zhí)行器設(shè)計。末端執(zhí)行器是制孔系統(tǒng)的核心部件，直接完成孔的切削加工任務(wù)。除切削加工必需的主軸單元和進給單元之外，末端執(zhí)行器通常還要集成其他多種機構(gòu)。例如，為實現(xiàn)加工孔位與工件法向的檢測，末端執(zhí)行器必須集成不同類型的傳感器；為實現(xiàn)排屑，必須集成吸塵機構(gòu)；為實現(xiàn)制孔加工中的構(gòu)件壓緊，必須集成壓力可控的壓腳機構(gòu)；為適應(yīng)不同刀具的自動化批量制孔，必須能實現(xiàn)刀具快速更換；當(dāng)需要同時實現(xiàn)自動制孔和鉚接時，還必須集成復(fù)雜的鉚接單元；為避免制孔加工中的幾何干涉和便于與機器人等裝置的集成，制孔末端執(zhí)行器必須嚴(yán)格控制其體積與重量。功能要求的多樣性決定了自動制孔末端執(zhí)行設(shè)計的復(fù)雜性。

對于螺旋銑孔和超聲振動制孔末端執(zhí)行器，由于系統(tǒng)相對復(fù)雜，設(shè)計難度較大。

（2）自動化控制技術(shù)。全自動制孔系統(tǒng)的控制系統(tǒng)既包括末端執(zhí)行器切削加工的多運動控制，還包括機械手、數(shù)控機床等設(shè)備運動的控制，同時根據(jù)制孔需求還需集成工件位置視覺識別系統(tǒng)、刀具相對構(gòu)件法向的調(diào)整系統(tǒng)、構(gòu)件壓緊和吸塵排屑等輔助系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等。為實現(xiàn)高效自動化制孔，上述設(shè)備和輔助裝置全部需要統(tǒng)一有序的控制，控制系統(tǒng)的研制成為一項復(fù)雜的工程。此外，飛機結(jié)構(gòu)件的裝配多為多品種小批量生產(chǎn)，裝配構(gòu)件變化后即需要重新制定制孔工藝，從而對控制系統(tǒng)的離線編程技術(shù)也有較高要求。

（3）制孔精度與質(zhì)量控制。飛機裝配對連接孔的加工精度和質(zhì)量有較高要求。在制孔加工之前必須首先保證位置精度，制孔裝置需要借助先進的位移傳感器、視覺系統(tǒng)等對裝配構(gòu)件的位置和角度進行檢測和自動補償。在制孔加工過程中，由于切削力與熱的共同作用，復(fù)合材料等易出現(xiàn)加工缺陷，為減少加工缺陷的產(chǎn)生必須對加工參數(shù)進行優(yōu)化。當(dāng)進行復(fù)合材料/合金疊層結(jié)構(gòu)制孔時，不同材料性能的差異會引起的孔徑差異，影響加工精度。飛機裝配制孔通常需要加工沉頭孔，且沉頭孔深度要求嚴(yán)格，從而要求制孔設(shè)備能夠精確控制刀具軸向切入深度。因此，需要從不同材料和結(jié)構(gòu)制孔的加工方法、工藝匹配、工藝參數(shù)優(yōu)化和過程控制策略等多方面，深入研究制孔精度和質(zhì)量的控制技術(shù)。

（4）高性能制孔專用刀具。刀具的切削性能直接影響制孔精度和質(zhì)量及加工效率。高性能制孔刀具應(yīng)具有科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，在加工中能夠降低切削力與溫度，避免加工缺陷的產(chǎn)生。根據(jù)鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料不同的性能差異，制孔刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)應(yīng)有針對性的設(shè)計，以實現(xiàn)最優(yōu)化的加工。進行復(fù)合材料/合金疊層結(jié)構(gòu)制孔時，對刀具的適應(yīng)能力提出了更高要求，刀具幾何參數(shù)優(yōu)化更為復(fù)雜。飛機裝配制孔數(shù)量很大，為避免頻繁換刀降低生產(chǎn)效率和增加制造成本，制孔刀具應(yīng)具有足夠高的壽命，并要求刀具在服役期內(nèi)切削性能穩(wěn)定，保證大批量制孔精度和質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此，高性能制孔專用刀具的研制也是該領(lǐng)域需重點研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

結(jié)束語

先進的制孔工藝方法和自動化、柔性化的制孔設(shè)備是實現(xiàn)飛機裝配中高質(zhì)、高效制孔的關(guān)鍵。近年來國內(nèi)相關(guān)航空制造企業(yè)、高校和研究所通過不懈努力，在航空結(jié)構(gòu)件先進制孔技術(shù)研究和應(yīng)用方面取得了很大的發(fā)展，但與發(fā)達國家相比還有很大的差距。以螺旋銑孔、超聲輔助制孔等為代表的新原理的制孔技術(shù)在復(fù)合材料、鈦合金、復(fù)合材料/合金疊層結(jié)構(gòu)的制孔中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，受到越來越廣泛的關(guān)注。隨著先進制孔工藝和關(guān)鍵技術(shù)的深入研究以及專用制孔設(shè)備的研發(fā)，先進制孔技術(shù)和裝備在飛機裝配制孔中的應(yīng)用將越來越廣泛。

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