飞机制造自动制孔机械系统技术研究

荣 伟

（江西工业职业技术学院，江西 南昌 330039）

1 自动制孔技术的应用范围

近年来，飞机制造行业不断吸收其它技术，如数字化设计制造技术、数字化装配技术、新型材料技术、自动钻铆技术等等，以提高飞机的性能。飞机生产制造的特点首先取决于飞机的外形尺寸、飞机的用途和飞机的战略要求，通常具有机体零件数量大品种多、空间形状复杂、装配和试验工作的劳动量大等特征。在飞机制造过程中,装配连接技术占有十分重要的地位。尽管各种新型连接技术，如变形连接技术、胶接技术等，在飞机制造中不断被采用,但机械连接仍是现代飞机制造的主要连接形式，约占飞机结构连接的70%以上,且主要采用铆接和螺栓连接。机械连接的质量直接影响飞机结构抗疲劳性能和可靠性,其速度也影响着飞机的生产周期，因此，采用先进的装配连接技术已成为改善飞机性能的主要工艺措施之一。

鉴于机器人可以提高装配系统的灵活性和可达性，配合各种终端执行器可以实现各种不同的装配作业，如自动化钻孔和铆接。自动制孔是制孔中的核心技术，其中制孔智能系统是提高制孔效率、提高制孔精度、缩短零部件制孔时间的关键。在机身机翼的壁板组件装配中使用较多，在飞机装配过程中存在大量的、极其重要的制孔工作，包括大量的铆接孔和紧公差干涉配合螺栓孔。制孔的要求包括惚窝深度、表面粗糙度、形状公差、位置公差等。

2 自动制孔技术研究现状

连接部件数量多、尺寸大、形状复杂是飞机结构的特点。目前飞机结构件采用的主要连接方法仍是机械连接，一架大型飞机上大约有150万~200万个连接件。而飞机的总寿命主要取决于机体的寿命，疲劳破坏是飞机机体丧失工作能力的根本原因，根据统计，其中75%~80%的疲劳破坏发生在机体结构的连接部位上。只有通过螺栓和铆钉实现飞机各个部件的完美联接，才能极大提高飞机的使用寿命。在飞机装配钻孔过程中，如果完全依靠传统的人工作业，对人力、物力的要求是巨大的，更重要的是制孔质量低，连接质量难以满足较高疲劳寿命的要求，并且加工效率也低。自动制孔技术作为先进的装配连接技术之一，其发展过程中不断吸收其他技术，如自动控制、传感器、计算机仿真、远程通信以及机器人等领域中的新技术和新工艺。伴随着自动控制、传感器、机器人等技术的进步，能够提高制孔质量和效率的自动制孔技术在飞机制造领域也得到广泛的应用。

3 自动制孔技术基本加工工艺

自动钻铆技术作为现代先进的飞机装配制造工艺技术，它可以代替传统的手工安装铆接技术，减少人为误差，确保产品质量的稳定性。自动钻铆技术并不是一项新技术，从20世纪50年代起步，经历了手动、半自动化、全自动化等阶段，并不断吸收其他先进技术，如自动控制、传感器、计算机仿真、计算机远程控制和远程通信以及机器人等领域中的新技术和新工艺，目前已被国内外航空企业所广泛应用，主要包括以下几个方面内容。

（1）设备的研制、开发。根据不同的飞机结构，开发多种型号的数控自动钻铆系统，不仅能够铆接壁板，还能够铆接各种飞机组件，从而使得自动钻铆系统的工作覆盖面大幅度的增加，使整个飞机的铆接工作有较大的改变，提高了铆接的效率。

（2）对各种干涉配合新型紧固件进行自动安装。通过增加附件，可以对两件型紧固件进行自动安装，如环槽钉、高锁螺栓、锥形螺栓等，也可以对无头铆钉进行干涉配合铆接，可以提高飞机铆接结构的疲劳寿命5~6倍，特别是对提高飞机整体的密封铆接有着重大的意义。

（3）自动钻铆工艺。自动钻铆工艺是在一台设备上一次性地连续完成夹紧、钻孔、惚窝、注胶、放铆、铣平等工序。机床带有高速、高精度的转削主轴头，一次进给即能钻出0.005mm以内高精度的孔，同时惚窝深度也可以精确控制在±0.01mm以内，再加上机床由数控系统控制各轴运动，并采用精密自动化夹具，使得铆钉徽头高度保持一致，不受人为因素的影响，这些因素使得钉杆在铆钉孔中的填充质量大为改善，从而极大提高了疲劳强大的许用值，同时，由于钻孔时铆接部位处于很高的压紧力下，铆接层之间不会进入毛刺，大大降低了疲劳载荷下发生腐蚀损伤的几率，这些都有助于提高飞机铆接的疲劳强度，提高飞机的使用寿命。

（4）数字化铆接的实现。现代飞机设计已完全实现数字化，开发应用脱机编程系统使得飞机各组件的数模通过脱机编程系统生成数控铆接程序，实现各种组件的铆接数字化，对飞机制造数字化具有重要的意义。

4 研究目的与方向

现代飞机制造过程中，飞机结构抗疲劳性能与可靠性很大程度上取决于装配连接质量。一架大型飞机上大约有150万~200万个连接件，有文献报道在一条机翼的装配线上每年约要钻削加工4000万，孔加工在航空制造中占有重要地位。

自动制孔技术在国外已发展成熟并投入实际生产应用，由于该技术具有很高的军事价值和战略意义，国外空客和波音等飞机制造企业对其严格保密，严重制约着我国航空事业的发展。

目前我国飞机装配中的制孔主要以手工风钻钻孔为主，制孔过程全部人为控制，不仅效率低,而且无法保证制孔精度。虽然现在国内已有部分研究机构开始启动对自动制孔的研究，如北京航空航天大学机器人研究所、北京航空制造工程研究所等科研院所已同相关飞机制造企业联合启动铁合金、复合材料的自动钻铆系统地开发，但是尚未出现成果。在这种情况下，深入系统的研究自动制孔机械智能系统，不仅能填补国内航空制造业自动制孔技术的空白，推动我国航空制造业的快速发展，也为自动制孔智能系统的进一步优化设计提供了理论基础和实验基础。

[1]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[2]A.JI.阿比波夫.飞机制造工艺[M].西安:西北工业大学出版社,1986.