飛機結構件的自動化精密制孔技術_卜泳

2024年3月28日發(作者：寫事作文500)

FLEXIBLE ASSEMBLY

柔性裝配

飛機結構件的自動化精密制孔技術

Automatic Precision Drilling Technology of Aircraft Structural Part

北京航空制造工程研究所 卜　泳　許國康　肖慶東

[摘要] 從分析影響孔質量的因素開始，總結了手

工制孔的缺陷，從而引出自動化精密制孔技術的重要。

進一步論述了精密制孔的工藝和提高制孔質量的工藝

措施，并列舉了國外發達國家的一些精密制孔設備。

關鍵詞： 孔質量 疲勞壽命 自動化 精密制孔

[ABSTRACT] By analyzing the factors influenc-

ing the holes quality, hand-drilling defect factors are sum-

marid, and the importance of automatic percision drilling

is pointed out. Percision drilling process and advance hole

quality process are discusd, and some advanced percision

drilling equipments from abroad are specialized.

Keywords: Quality of hole Fatigue life Automat-

ic Precision drilling

在飛機的全部故障總數中，結構件損傷的故障數量

一般占12％~13％，但是，因為機載成品系統在發生故障

后能用新的成品代替，因此飛機結構件的壽命就決定了

飛機的總壽命

[1]

。目前飛機結構件采用的主要連接方法

仍是機械連接，一架大型飛機上大約有150~200萬個連

接件

[2]

。為了滿足現代飛機高壽命的要求，可通過各種

技術途徑改善各連接點的技術狀態（表面質量、配合性

質、結構形式等），其中一個很重要的途徑是通過自動化

設備進行自動精密制孔，提高制孔質量。

加工表面質量對緊固孔疲勞性能的影響在零件尺

寸和材料性能一定的情況下，制孔工藝是影響表面質量

的重要因素。根據斷裂力學原理，表面粗糙度值越大，

切口效應就越大，即應力集中系數越大，故疲勞性能越

差。孔壁軸向劃痕是促使緊固孔疲勞性能降低的主要

因素之一。

1.4　殘余應力

在切削加工時，由于切削力和切削熱的影響，表面

層的金屬會發生形狀和組織的變化，從而在表層及其與

基體交界處產生相互平衡的彈性應力，即殘余應力。已

加工表面的殘余應力分為殘余拉應力與殘余壓應力，殘

余拉應力會降低孔的疲勞壽命，而殘余壓應力有時卻能

提高緊固孔疲勞壽命

[3]

。

1.5　位置精度

在結構件設計階段，設計者就已經考慮到了釘載分

配。進行制孔時，如果定位不準造成孔位誤差，就會改

變結構件受力境況下各緊固孔之間的載荷，從而影響結

構件的疲勞壽命。

1.6　夾層之間的毛刺與切屑

由于飛機結構上的緊固孔是在各連接零件組裝在

一起時（即在夾層狀態下）制出來的。因此，當夾層件貼

合不緊密時，每鉆透一層夾層件，都會在夾層件之間產

生毛刺，這不僅會導致應力集中，還會防礙零件的緊密

貼合，進而降低連接零件之間的摩擦力。當刀具每次鉆

出、鉆入時，還會造成斷削，由于切屑的運動方向改變，

切屑可能填充在板件之間，從而進一步防礙夾層貼合，

當受到交變載荷時，便加快磨損腐蝕

[4]

。

1.7　出口毛刺

在金屬的鉆削加工中，通常情況下在鉆頭的入口處

和出口處都將產生毛刺。按照切削運動-刀具切削刃

毛刺分類體系，分別稱為切入進給方向毛刺和切出進給

方向毛刺。一般說來，切出進給方向毛刺的尺寸較大，

去除作業量大，由于毛刺的存在，在影響零件的尺寸精

度及使用性能的同時，會產生應力集中，降低結構件的

疲勞強度。

2009年第24期· 航空制造技術

1　制孔質量的影響因素

1.1　圓度

緊固孔的圓度是指孔的圓柱幾何形狀的正確程度。

只有孔的圓柱幾何形狀接近理論值，鉚釘和螺栓安裝后

才不至于受到其他附加彎曲應力、擠壓應力等的影響而

降低其靜強度和動強度。

1.2　垂直度

孔軸線方向對緊固孔疲勞性能的影響較大。緊固

件孔沿外載荷作用方向傾斜2°，疲勞壽命會降低47％；

傾斜5°則疲勞壽命可能降低95％

[2]

。

1.3　內壁表面質量

61

柔性裝配

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2　傳統手工制孔

傳統的飛機裝配中的制孔主要以風鉆鉆孔為主。工

藝順序為：劃線→鉆孔→粗鉸（或擴孔）→精鉸→分離清

理。傳統手工制孔通常的缺點在于：

（1）易形成缺陷。

制孔過程全部為人為控制，容易造成孔徑擴大、孔偏

斜、橢圓等缺陷。

（2）孔位精度差。

孔位確定主要通過專用定位器和劃線完成，孔位精

度無法保證。

（3）制孔步驟多。

一個緊固件孔需要經過3~5次加工才能完成，高精

度孔甚至需要更多次的加工。

（4）需要二次裝配。

制孔完成后由于鉆孔過程中夾層中間存在毛刺及切

削，需將夾層結構分離，逐一清理毛刺和切削，再重新定

位，大大增加了工人的勞動量和勞動時間。

（5）人為因素影響無法避免。

制孔過程完全依賴于工人技術能力，工人技術熟練

程度要求過高。

3　自動化精密制孔

3.1　自動制孔的工藝順序

自動制孔的工藝順序如圖1所示。

3.2　制孔參數的選擇

自動化精密制孔要求一次高速鉆出優質孔（包括

锪窩），因此對鉆頭的幾何形狀、材料及鉆孔時的鉆速、

進給速度等提出了一系列的要求。

3.2.1　自動鉆削的要求

效率：完成一個鉆孔循環（快速進給—工作進給—

快速退回）需時間1.5s左右；

R

a

≤3.2μm；

孔壁表面粗糙度：

孔尺寸偏差：

φ

DH8；窩深C-0.05；

孔垂直度：0.5°；

入口端無毛刺，出口端毛刺不大于0.12mm。

3.2.2　制孔參數的選擇

不同材料制孔參數不同，具體參數見表1。

3.3　提高制孔質量的工藝措施

3.3.1　刀具方面

鉆頭工作部分的溝槽粗糙度

R

a

小于0.8，可減少排

削阻力；鉆锪復合刀具中鉆頭的螺旋角大于普通鉆頭，

2009年第24期

62

航空制造技術·

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表1　不同材料的制孔參數

材　料

鋁合金

鈦合金/不銹鋼

復合材料

進給方式

連續

啄式

連續

切削速度/

（m·min

-1

）

45~90

≈12

95~200

進給量/

（mm·r

-1

）

0.1~0.2

0.1~0.3

0.1~0.2

以30°為宜，以保證刃口鋒利；盡量選用優質材料鉆頭，

如PCD，以確保鉆頭壽命。

3.3.2　工藝措施

如果自動制孔設備無孔徑檢測單元，需人工定期檢

查孔徑和沉頭窩尺寸及出口毛刺，確保鉆頭鋒利；對磨

損刀具進行刃磨時，采用自動刃磨機集中刃磨，確保切

削刃對稱；所有鋁合金工件表面必須進行陽極化處理，

以改善加工特性；復合材料出口表面最好貼玻璃布，減

少分層。

3.4　自動化精密制孔對設備的要求

（1）一次性的鉆孔、锪窩、法向檢測、照相測量、冷卻、

壓緊、刀具檢測；

（2）可以完成混合夾層結構的一次性制孔，常見的航

空材料為鋁合金、鈦合金和復合材料；

（3）設備末端執行器具有快進快退功能；

（4）設備定位精度0.1mm；

（5）設備重復定位精度0.05mm；

（6）鉆孔直徑精度H8。

可靠，并配套有各種型號的數控托架。迄今為止，銷售

的自動鉆鉚機數量已達2 000臺以上，其中190臺具有

定位系統。自動鉆鉚機大部分為C框結構，多數用于壁

板類零件的自動制孔和鉚釘鉚接成形，但由于自身的一

些限制，不能進行比較復雜和開敞性差的裝配工作

[5]

。

4.2　機器人自動制孔系統

機器人制孔（如圖3所示）的應用已經比較成熟，

如F-16 復合材料垂尾壁板利用辛辛那提·米爾康T3

機器人進行鉆孔，C-130飛機梁腹板用機器人進行自

動制孔，波音F/A-18E/F 超級大黃蜂后沿襟翼的ONCE

（One-sided cell end effector）機器人制孔系統等。

4　國外應用的自動化精密制孔設備

4.1　自動鉆鉚機

美國是最早發展自動鉆鉚技術的國家，早在20世

紀50 年代初就已在飛機鉚接裝配生產線上應用了自動

鉆鉚機，經過50多年的發展，現在世界各航空工業發達

國家都已廣泛采用這項技術。整個過程通過預先編程，

全部由CNC程序控制。自動鉆鉚工藝是在一臺設備上

一次性地連續完成夾緊、鉆孔、锪窩、注膠、放鉚和銑平

等工序的工藝。由于機床帶有高速、高精度的轉削主軸

頭，一次進給既能鉆出0.005mm以內高精度的孔，又可

將埋頭窩的深度精確控制在±0.01mm以內。由于鉆孔

時鉚接件處在高的夾緊力下，層間不會產生毛刺和進入

切削，可以減小疲勞載荷下發生磨蝕損傷的程度，有利

于提高接頭的疲勞強度。自動鉆鉚機如圖2所示。

美國最早的自動鉆鉚機制造廠商是GEMCOR（捷

姆科公司），它是向世界各國飛機制造行業提供自動鉆

鉚機的主要廠商之一。該公司生產的系列化產品質量

機器人制孔的最前沿應用，包括洛克希德·馬丁公

司F-35 飛機碳纖維環氧復合材料機翼上壁板制孔用的

大型龍門式鉆孔系統（JGADS）。該系統帶有便攜、靈活、

低成本且重量輕的機器人，它使用激光定位系統、電磁

馬達和“壓腳”（Pressure Foot）進行精密鉆孔，加快了裝

2009年第24期· 航空制造技術

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柔性裝配

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配過程，并形成緊配合，產生的表面光滑、間隙小，滿足

了F-35飛機氣動和耐久性的要求。由于具有上述優勢，

F-16、F-22、F-2和T-50項目都對該系統進行評估并

準備用于相應的裝配作業。波音787采用的機器人自

動制孔系統見圖4。

參　考　文　獻

[1]　張全純，汪裕炳，瞿履和，等. 先進飛機機械連接技術.

北京：兵器工業出版社，2008.

[2]　袁紅璇. 飛機結構件連接孔制造技術. 航空制造技術，

2007（1）：96

-99.

[3]　徐紅爐，劉軍，章剛，等. 制孔工藝對緊固孔疲勞性能的

影響. 飛機設計，2008（3）：25

-30.

[4]　謝俊峰. 鉆削加工毛刺的形成及解決方法. 輕工機械，

2007（1）：85

-87.

[5]　樓阿莉. 國外自動鉆鉚技術的發展現狀及應用. 航空

制造技術，2005（6）：50

-52.

[6]　畢樹生，梁杰，戰強，等. 機器人技術在航空工業中的應

用. 航空制造技術，2009（4）：34-39. （責編　

淡藍

）

（上接第60頁）

軸移動時

X

向偏差）和

DYY

（沿

Y

軸移動時

Y

向偏差）。

當指定小車移動到

XY

平面某一位置時，其

X

向和

機器人自動制孔系統的關鍵技術包括

[6]

：

（1）壓緊力的設定；

（2）刀具和工件表面垂直度的調整；

（3）位置精度補償。

4.3　龍門式自動制孔系統

龍門式自動化制孔系統，比如長桁柔性制孔系統對

批量生產的大型構件可以實現高效、高質量、低成本的

自動柔性制孔。

波音公司B-747、C-17等飛機機艙地板都采用了

龍門式自動化制孔系統。過去，裝配中所有難以進行點

定位的部分，都要用固定夾具定位后手工制孔。而現在

采用自動化制孔系統則可進行自動定位和制孔，大大縮

短了流程時間，提高了制孔質量，并可節省體力勞動及

工具成本。

4.4　柔性導軌自動制孔系統

制造與裝配時，達到制孔自動化同時又降低成本是

極其重要的。因此，低成本、柔性化且滿足高質量制孔

要求的便攜式自動化制孔系統，與配有大量刀具的復雜

結構自動制孔系統相比，極具競爭優勢。波音公司開發

的Flex Track模塊化柔性導軌制孔系統正是屬于此類。

Y

向的誤差補償值

DX

、

DY

分別為：

DX

=

DXX

+

DYX

，

DY

=

DXY

-

DYY

。

按照這種補償方案，可以將小車的定位精度控制在

0.2mm以內。

3.5　加工過程自動控制技術

系統提供自動控制功能，可以按照測量指令文件或

加工指令文件的要求，順序執行測量或加工過程。控制

界面如圖7所示，當前執行的指令在程序段顯示區高亮

顯示。自動控制程序執行流程如圖8所示。

4　結束語

圖9為北京航空制造工程研究所自行研發的柔性

5　結束語

飛機裝配中以機械連接為主，機械連接帶來了大量

制孔問題，為了滿足飛機長壽命要求，就必須解決精密

制孔技術難題。國內飛機裝配領域與航空技術先進國

家有較大的差距，需要大力發展，以滿足新一代飛機的

研制和生產需求。

2009年第24期

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航空制造技術·

導軌自動制孔設備。通過長時間的調試和大量工藝試

驗，目前該設備在定位精度和制孔質量方面已達到實用

要求，通過進一步的改進和完善，這種方便實用的自動

化制孔設備可廣泛應用于我國航空工業的自動化裝配

中。

（責編　

巖石

）