基于自动制孔技术的飞机装配质量提升

基于自动制孔技术的飞机装配质量提升

刘思悦

中航西安飞机工业集团股份有限公司   陕西西安   710089

【摘要】

目前，为了提高飞机装配质量，自动制孔技术已广泛应用于航空制造领域。本文通过介绍自动制孔技术，围绕自动制孔技术目前应用难点等方面展开讨论，阐述自动制孔技术如何使飞机装配质量提升，为自动制孔技术的普及应用奠定基础，进而实现飞机装配质量的提升。

关键词：飞机装配；自动制孔技术；航空制造

【正文】

自动制孔技术在航空制造领域中体现出了较高的应用价值，通过合理运用这一类先进数字化装配技术，可以有效提升飞机整体装配质量。随着近几年自动制孔技术在我国的不断发展及创新应用，使国内航空制造技术水平有了一定的提升。自动制孔技术是目前的发展趋势，是飞机装配技术提升的需要，也是飞机自身性能提升的需要。

在飞机装配过程中，对于机翼壁板、前缘等部位的加工孔精度要求之高、工作量之大，采用自动制孔技术可以有效减轻操作人员的劳动强度，保证产品制孔锪窝的稳定性，进而提升飞机整体装配的质量。

一、自动制孔技术介绍

随着飞机性能要求和航空制造业的质量标准不断提高，对飞机装配技术提出了高质量、高效率、低成本的生产要求。自动制孔技术随之出现，可以对飞机连接结构上的装配孔进行钻制、铆接、涂胶等工作。在飞机产品装配过程中，普遍采用紧固件连接的方式，所以制孔质量的好坏直接影响飞机的装配连接性能和服役使用寿命。近年来，自动制孔技术发展迅猛，以其自动化程度高、工作性能稳定、可达性好等优势收到各大航空公司的青睐。

二、目前飞机装配过程中的问题难点

飞机装配过程中仍在延续使用手工制孔的传统加工方式。手工制孔需要工人进行“划线-钻制初孔-铰孔-扩孔-锪窝”等一系列复杂繁琐的加工步骤，操作过程中需要多次更换加工工具，而且受操作人员技能水平的限制。目前生产过程中主要面临以下几个问题：

1）异质叠层制孔质量难以保证。随着碳纤维复合材料与金属材料构成的异质叠层结构在飞机上的大量应用，制孔锪窝成为飞机装配过程中最重要的加工工序。异质叠层结构对于加工工艺有着极为严格的要求，传统手工制孔过程中容易使异质叠层结构出现分层、劈裂等问题。同时复合材料构件在制孔过程中会产生碳纤维粉尘，严重危害操作人员的身体健康，有极大的安全隐患。

2）大型产品劳动强度高。目前，飞机装配过程中数机翼翼盒产品尺寸最大，单个翼面制孔数量上万。一方面，由于产品尺寸较大，手工工作量极大，传统的装配流程还需要对壁板进行反复拆装清洗及重复定位。另一方面，工人在制孔加工过程中需要依靠各种工作梯、工作型架来到达产品的各个部位，存在安全隐患。

3）制孔精度要求高。制孔精度包括制孔孔径精度、制孔位置精度、锪窝窝深精度、制孔垂直度等。制孔孔径精度要求较高，一般要求孔径公差在0.076mm左右，在公差要求范围内视为合格；锪窝窝深精度在飞机不同的部位，精度要求不同，因手工锪窝采用的锪窝钻与锪窝限位器搭配使用，所以锪窝稳定性较差；制孔垂直度，由于产品结构形式复杂，表面曲率变化之大，叠层数量较多，在制孔过程中很难保证产品表面制孔垂直度小于0.5度的要求。手工制孔质量依赖于使用工具、操作人员的水平等因素，给产品制孔稳定带来了极大的挑战。

基于以上原因，在飞机装配过程中引用自动制孔技术可以有效提升制孔质量，保证产品质量的稳定，提高生产效率。

三、基于自动制孔技术的飞机装配质量提升研究

1、异质叠层变参数加工控制技术

由于复合材料与金属材料的材料性能有所差异，在制孔过程中采用不合适的加工参数会导致复合材料叠层极易出现层间封层、出口劈裂、孔径超差等致命性问题。对于异质叠层结构自动制孔需要采用针对性的加工工艺参数，为了确保复合材料出口无分层和毛刺，需要采用高转速、低进给的加工参数。由于低进给高转速会增大刀具磨损，同时降低制孔效率。在复合材料与金属材料交接区域提前设置变参数加工的工艺方法，在刀具开始加工到出口处采用高进给低转速，出口处减小进给量增大转速，既可以满足制孔质量要求，又可以提高刀具使用寿命。

2、翼面预紧固钉布局设计

飞机产品多为壁板与骨架连接结构，具有形状复杂、稳定性差等特点。在采用设备制孔时，制孔质量受产品结构和工装稳定性的影响。零件产品带有制造误差，表面具有小扰度问题，造成初期的叠层间隙。在与其他零件进行装配时，各自的制造误差和表面的不平整度会造成误差积累，使其中的间隙增大。叠层间隙也会造成窝深超差，并且伴有出口毛刺。故需要在自动制孔加工前在产品表面设置一定数量的预紧固钉，消除叠层之间的间隙，增加接触面的法向约束力以及制孔时抵抗变形的能力。同时作为自动制孔法向修正的依据。

预紧固钉的选取原则遵循：（1）自动制孔大体按照200～300mm左右的距离选取临时紧固件，按照500mm左右的距离进行找正；（2）临时紧固件尽量分布均匀，充分利用零件的结构力学性能；（3）活动翼面两侧壁板的临时紧固件点位尽量对称，便于工人辨认，防差错。

3、法向找正点位精度控制

自动制孔技术依靠自动制孔设备实现。自动制孔设备配备有高精摄像机可以实时捕捉预紧固钉的状态，进行法向位置的修正，保证制孔位置度的要求。设备采用自适应的压力脚衬套，可以根据产品表面曲率进行调整，使压力脚衬套上的点与产品表面接触，可以有效解决由于普通压力脚衬套无法与产品均匀贴合而导致的找正精度低的问题，从而提高制孔垂直度。

4、自动制孔加工工艺流程设计

在自动制孔加工过程中，自动制孔设备工具点TCP的运行路径规划尤为重要，关系到制孔孔位的准确程度。在自动制孔程序编制设计过程中，将制孔区域分为若干部分并进行编号，明确机器人工具点TCP制孔范围，设置一定数量路径点，用于自动制孔加工过程中，自动制孔设备的姿态转变等工作。同时要尽量减少路径点频繁更换的次数，以达到防差错以及减少路点站位更换时间的目的。按照找正方向从翼尖到翼根，制孔方向从翼根到翼尖，避免了重复的路径。采用“U”形、“N”形的制孔路径可以避免制孔过程中地轨左右移动产生的冗余路程。这样既可以提高生产效率，减少飞机装配过程中自动制孔加工占用的时间，又可以降低自动制孔设备的末端执行器在旋转过程中剐蹭蒙皮的风险，有效保证产品的加工质量。

四、总结

综上所述，自动制孔技术对飞机整体装配质量有一定的提升意义。随着科学技术的不断发展及推陈出新，为飞机装配质量提升提供了新的解决方式，通过利用自动制孔技术，可以为飞机装配质量提供有力的保障。在实际应用自动制孔技术来进行飞机装配作业时，能有效减轻操作人员的劳动强度，提高现场生产速率节拍，并且有助于飞机装配质量的提升。

参考文献：

[1]赵纯颖.数字化装配仿真装配技术在飞机装配中的应用探究[J].科技风2018年10月

[2]李海伟，潘新，张辉，等.自动制孔技术在某飞机装配中的应用研究[J].航空制造技术，2021，64（21）：84-89，95

[3]刘军.机器人自动制孔技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术2014年第17期