飛機(jī)裝配中的先進(jìn)制孔技術(shù)與裝備

張艷

【摘?要】飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位容易受到隨機(jī)波動(dòng)干擾產(chǎn)生誤差，提出基于電控機(jī)械式誤差調(diào)節(jié)的飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正方法，構(gòu)建飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位校正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模型，采用位移傳感器進(jìn)行制孔系統(tǒng)孔位的誤差偏移測(cè)量，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中進(jìn)行誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和輸出穩(wěn)定性控制，結(jié)合迭代學(xué)習(xí)控制方法進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正過程中的誤差偏移修正，采用電控式的機(jī)械誤差調(diào)節(jié)方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)裝配中;制孔技術(shù);應(yīng)用

前言

隨著航空制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的機(jī)械工藝制造提出了更高的精度要求，飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼制造的關(guān)鍵技術(shù)，在采用飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼制造過程中，由于單級(jí)同軸型脈沖管的整機(jī)性能擾動(dòng)因素影響，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正誤差較大，需要進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建飛機(jī)機(jī)翼制孔的誤差主動(dòng)校正模型，采用自適應(yīng)控制方法進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼垂制孔校正過程中的誤差修正，提高飛機(jī)機(jī)翼制孔的自適應(yīng)校正和誤差修正能力，相關(guān)的飛機(jī)機(jī)翼垂尾制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正方法研究在提高機(jī)械的制孔能力方面具有重要意義。

1CFRP制孔技術(shù)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（carbon fiberreinforced polymer，CFRP）因具有比強(qiáng)度高、比模量大、剛性好、比重小、抗疲勞性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，在大型飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)中得到了大量的應(yīng)用。例如，歐洲的A380空客，CFRP的含量占機(jī)身重量的22%，尤其是中央翼盒和后機(jī)身的蒙皮壁板部位，CFRP所占比例最大;中國(guó)的武直-9直升機(jī)，CFRP的比重約占60%;而美國(guó)的“旅行者”號(hào)輕型飛機(jī)，CFRP的應(yīng)用率高達(dá)90%，可見，CFRP在航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用之廣。為了滿足大型飛機(jī)中CFRP主承力構(gòu)件之間的裝配要求，需通過大量的鉚接和螺栓連接，因而制孔工藝是CFRP結(jié)構(gòu)件制造中最常用的加工技術(shù)。因此，為了實(shí)現(xiàn)CFRP高效精密制孔，長(zhǎng)期以來CFRP制孔技術(shù)的研究一直是飛機(jī)制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

2CFRP鉆削加工機(jī)理

2.1切屑形成機(jī)理

CFRP是由碳纖維和樹脂固化而成的一種具有新性能的材料，其切削機(jī)理不同于金屬材料。CFRP因具有非勻質(zhì)性和各向異性，在切削加工時(shí)，切屑的形成機(jī)理不僅受纖維和基體屬性以及纖維鋪層方向的影響，還與刀具形狀結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)等因素有關(guān)，因此，不同于金屬材料的切屑形成機(jī)理。CFRP切屑形成機(jī)理的研究，有助于揭示加工缺陷的形成和刀具磨損過程。

2.2鉆削力

鉆削是CFRP制孔技術(shù)中最常用的加工方法，在CFRP鉆削過程中，軸向鉆削力與鉆削溫度、刀具磨損、孔壁表面質(zhì)量和出口毛刺缺陷直接相關(guān)，且其變化規(guī)律可直接反映出瞬時(shí)切削狀態(tài)，有助于研究人員對(duì)鉆削過程進(jìn)行分析，因此，軸向鉆削力是當(dāng)前CFRP鉆削制孔加工研究的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。軸向鉆削力主要是由鉆頭橫刃和主切削刃在鉆削過程中與材料的相互作用所產(chǎn)生，受刀具幾何形狀、工件材料和加工工藝參數(shù)等多種因素的影響。

2.3鉆削溫度

在鉆削CFRP時(shí)，鉆削溫度對(duì)材料的性能、鉆頭的耐久性以及孔壁的質(zhì)量有很大影響，但由于CFRP特殊的材料性能及半封閉式的鉆削加工特點(diǎn)，鉆削溫度的精準(zhǔn)測(cè)量及影響因素的研究仍是CFRP制孔加工技術(shù)研究的一個(gè)難點(diǎn)。

3CFRP制孔刀具

鉆削加工是CFRP復(fù)合材料制孔加工的主要加工方式，然而，CFRP材料的高硬度、各向異性以及低層間應(yīng)力等特點(diǎn)對(duì)制孔刀具的材料、結(jié)構(gòu)等提出了更高的要求。優(yōu)化刀具材料和幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高制孔質(zhì)量和刀具壽命，是解決CFRP高效精密制孔加工的重要舉措。

3.1刀具材料

刀具磨損而引起的制孔質(zhì)量問題會(huì)嚴(yán)重影響裝配后飛機(jī)的整體服役性能?，F(xiàn)階段航空構(gòu)件中逐步開始使用的T800級(jí)CFRP，其纖維增強(qiáng)相強(qiáng)度更大、硬度更高，纖維磨蝕性更強(qiáng)，在鉆削加工過程中，刀具磨損劇烈，如何提高刀具硬度和耐磨性，延長(zhǎng)刀具使用壽命，保證制孔質(zhì)量，科研人員從刀具材料入手進(jìn)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質(zhì)合金鉆頭、耐磨涂層鉆頭及金剛石磨料套料鉆等。

3.2刀具結(jié)構(gòu)

通過對(duì)CFRP鉆削機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，不僅鉆頭材料會(huì)對(duì)CFRP的鉆削性能有影響，鉆頭幾何結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)切屑形態(tài)、鉆削軸向力、鉆削溫度等產(chǎn)生一定的影響。合理設(shè)計(jì)鉆頭結(jié)構(gòu)，不僅可以減少刀具磨損、提高刀具壽命，還能提高制孔質(zhì)量。鑒于CFRP的各向異性和層間的低黏附性，研究人員通過優(yōu)化鉆頭的幾何形狀開發(fā)了各種新型刀具，提高了制孔質(zhì)量和刀具耐用度。

4CFRP鉆削加工仿真

研究人員通過對(duì)CFRP的制孔實(shí)驗(yàn)研究，初步揭示了CFRP的切削機(jī)理和刀具磨損機(jī)理，建立了刀具幾何形狀和工藝參數(shù)等可變因素同制孔質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系;但是，在CFRP制孔實(shí)驗(yàn)過程中，不僅需要耗費(fèi)大量的工件材料和新型結(jié)構(gòu)刀具，而且鉆削是半封閉式加工，難以觀測(cè)切削的整個(gè)過程。隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的快速發(fā)展，CFRP切削過程的有限元模擬仿真得到很多研究者的青睞。有限元仿真不僅可以直觀觀測(cè)切削的整個(gè)過程，有效地獲得應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等分布云圖，而且還可以降低實(shí)驗(yàn)研究成本，為CFRP高效精密制孔加工提供技術(shù)指導(dǎo)。

結(jié)束語

進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼孔位自動(dòng)校正模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建飛機(jī)機(jī)翼制孔的誤差主動(dòng)校正模型，采用自適應(yīng)控制方法進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼制孔校正過程中的誤差修正，提高飛機(jī)機(jī)翼制孔的自適應(yīng)校正和誤差修正能力，提出基于電控機(jī)械式誤差調(diào)節(jié)的飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正方法，構(gòu)建飛機(jī)機(jī)翼制孔系統(tǒng)孔位自動(dòng)校正的約束參量模型，采用位移傳感器進(jìn)行制孔系統(tǒng)孔位的誤差偏移測(cè)量，根據(jù)孔位校正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的穩(wěn)定性條件，進(jìn)行飛機(jī)機(jī)制孔系統(tǒng)孔位校正的可靠性控制和自動(dòng)校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司）