郭卫 刘婉竹
沈阳飞机工业集团有限公司
摘要：随着新型钛合金材料、复合材料、高硬度高强度钢等难加工材料在飞机制造中大量采用以及飞机装配工艺对制孔精度、效率要求的提高，传统的手动制孔逐步被半自动制孔和设备制孔取代。由于自动进给钻制孔相比机器人、钻铆机等设备具有制孔空间需求小、操作简单、工具费用低等优势，在飞机装配中逐渐被推广应用。目前，国内飞机装配领域使用的自动进给钻及自动钻应用技术均从国外引进，国内对自动进给钻应用技术及影响其制孔精度的配套刀具、钻套技术研究较少，ADU应用技术长期依赖国外工具供应商。
关键词：自动进给钻；刀具；导套；制孔精度；复杂孔系的制孔
引言
制孔加工是飞机装配过程中的重要工作之一。生产效率的高要求，加工质量、精度的苛刻标准，以及复合材料、钛合金等难加工材料的大量使用，使得飞机装配制孔技术不断面临新的挑战。而基于不同切削原理的制孔新方法与技术装备，成为解决当下飞机装配制孔难题的途径之一。
1自动进给钻应用选型
自动进给钻主要部件包括动力部件、连接定位部件(钻模板、压紧钉、引导套)、切削刀具等。在飞机装配制孔过程中，自动进给钻提供扭矩、转速、进给、冷却、碎屑等功能，关键参数包括结构、功率、进给、转速、行程等。通常情况下，自动进给钻的应用选型原则如下。
（1）根据制孔空间和制孔要求，选择自动进给钻的结构，有转位卡口型、膨胀夹头型、C型、偏移头型等几种形式，不同的结构的制孔功能和空间需求不同。在空间允许的条件下，一般选用转位卡口型，钻锪一体时选用膨胀夹头型，制孔空间狭小时，选用偏移头型。
（2）根据被加工材料及孔径大小确定自动进给钻的转速、进给。在多种叠层材料制孔时，自动进给钻参数选用采用“就难”原则(如钛合金和铝合金叠层制孔，转速、进给以钛合金加工参数为准)。
（3）自动进给钻功率与制孔孔径大小、材料加工难易程度相关，通常选用涡轮马达且主轴输出功率大于1.3kW。
（4）根据材料厚度、钻模厚度、排屑空间、钻套系列及刀具结构，确定自动进给钻的加工行程。
2自动制孔设备
2.1五坐标制孔设备
由航空制造工程研究所研制的飞机翼面类部件柔性装配五坐标自动制孔设备由立式五坐标机构和自动制孔用的末端执行器组成，以适应带有2个曲度的飞机翼面类部件的加工要求。
该设备是国内第一台飞机翼面类部件柔性装配设备，末端执行器的开发技术为同类型设备研发提供了可借鉴的经验。该设备投产后，预期平尾制孔装配周期可缩短近50%。双摆角结构及驱动精度难题的解决和双电机消隙技术的应用成功为今后五坐标机床的设计开发提供了新思路。
五坐标机构可进行X、Y、Z方向的直角坐标运动和A、B两个摆角运动，可实现精确的空间定位和姿态调整，用于将多功能末端执行器移动到装配部件上的指定位置，以实现自动制孔。
X轴通过齿轮、齿条啮合进行运动，通过光栅尺反馈实现伺服电机的闭环控制，完成X向的高精度进给驱动。Y轴立柱的内腔是空的，内部靠筋板间的连接保证其刚性。立柱的两个侧立板具有一定的斜度，目的是实现等强度设计。在Y轴的外部悬挂有Z轴、平衡横滑板、双摆头和末端执行器，它们具有较大重量，如果不采用平衡装置，丝杠的寿命将达不到预期设计要求。本系统采用机械重锤式配重机构。在立柱内腔，放置一个配重，配重的质量取外部质量的80%左右。移动平台与Y轴立柱相连接，平台上放置电气柜和控制台。
Z轴用丝杠螺母副传动，选用额定转速为1500r/min的伺服电机直接驱动，不需要减速器。Z轴的导向和承载通过直线导轨完成，每个导轨上都有滑块，并固定到滑板上。横滑板两面都装有滑块，分别与Y、Z轴连接，沿着Y向导轨，Z轴与横滑板可进行上下移动，实现在Y向的进给。Z轴相对于横滑板可进行往复运动，以实现Z向的进给。
双摆头用来实现A、B2个摆角的运动。多功能末端执行器用于实现孔定位、压紧力检测、自动制孔、锪窝、粉尘抽吸、孔径和位置检测的功能。在国产民用飞机ARJ-700以及大型客机C919的平尾、垂尾等类似部位装配可以根据实际情况采用此类设备以提高装配效率。
2.2柔性自动钻孔设备
飞机的制造中，机身的对接、机翼的装配等往往需要钻制大量的孔，传统的制孔设备多为大型落地式设备。这种设备不仅体积和重量庞大，造价也高，而且多为专机专用，缺少柔性，大大增加了制造成本。为此，现代飞机制造业的发展对轻型、柔性设备的需求日益迫切。柔性轨道制孔设备就是波音公司为满足这种需要而发明的。
与一般的大型落地式制孔设备相比，柔性轨道制孔系统这种设计理念的最大特征是设备自身经由真空吸盘吸附在工件上，柔性轨道贴合工件的外形，完全附着在工件上制孔。这样做的优点是：首先，柔轨系统的加工精度不需要工件在工装型架上精确定位就能保证。由于设备在工件上，设备对工件的相对位置与工装没有关联，这样可以大大降低工装的刚度和精度要求并减少工件的安装时间，当然对于机身对接来说，其本身有精度要求。其次，轨道具有适应不同曲率型面的柔性，可以用同一设备加工不同形式和外形的零件（如机身和机翼）。
3自动进给钻制孔精度控制
通常机加设备的主轴为刚性主轴，其主轴径向跳动影响着孔径精度、质量和稳定性。而自动进给钻为浮动主轴，仅为刀具提供制孔动力，所用刀具与通常机加设备制孔刀具不同，刀具尺寸、导套与刀具的配合尺寸是决定孔径精度的关键因素。
本文以刀具结构及自动进给钻导套精度为研究对象，开展常见自动进给钻精度控制试验。
3.1试验方案
（1）制孔试验条件：制孔空间开敞，试验件为铝合金与钛合金叠层制孔，叠层厚度为18mm，终孔孔径为9.52～9.57mm，无初孔。
（2）自动进给钻选取：根据制孔条件确定的自动进给钻功率为2.1kW、转速2360r/min、进给0.05mm/r，钻模版厚度为20mm，排屑间隙10mm，选用A22000系列导套，外径为φ22.5-0.007mm。
（3）刀具参数：刀具材料统一选用双螺旋30°硬质合金棒料，采用同一加工刀具设备和刀具测量设备，总长L=180mm，刃长L1=90mm，刀具直径名义值为φ9.54mm。
3.2试验结果
采用数显内径千分尺测量被加工工件的孔径大小，以加工工件不同深度处的三点孔径大小，以其平均值作为孔径大小，具体结果如下所示：
（1）使用导套内径的名义尺寸为φ9.54。可以看出，双刃带不带倒锥钻头的孔径测量结果更稳定，更贴近刀具实际尺寸，有利于精度控制。
（2）导套内径为中9.545的孔径较为稳定，孔径尺寸更贴近于刀具尺寸，导套与刀具间隙越大，孔径稳定性越差。
结语
先进的制孔工艺方法和自动化、柔性化的制孔设备是实现飞机装配中高质、高效制孔的关键。近年来国内相关航空制造企业、高校和研究所通过不懈努力，在航空结构件先进制孔技术研究和应用方面取得了很大的发展，但与发达国家相比还有很大的差距。以螺旋铣孔、超声辅助制孔等为代表的新原理的制孔技术在复合材料、钛合金、复合材料/合金叠层结构的制孔中表现出明显优势，受到越来越广泛的关注。
参考文献
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