曲面自动化制孔技术研究现状与发展趋势

He Fengtao, Chen Xuemei, Xiong Yanlong, et al. Research status and developing trend of surface automatic drilling technology[J]. Science Technology and Engineering, 2020， 20(29)： -

随着科学技术水平的快速发展，航空工业技术水平进步显著，对飞机整体的可靠性和耐久性提出了更高的要求。在各类飞行器故障中，在部件疲劳失效中约70%左右的疲劳裂纹来自紧固件孔，统计学研究表明出现在孔边缘破坏的故障超出了整架飞机疲劳破坏的90%[1]。由此可以看出，紧固孔的加工精度很大程度地影响了飞机的可靠性以及安全性[2]。如何在制造过程中提高紧固孔的质量、改善构件的抗疲劳性能、延长飞机寿命、提高飞机的质量是飞机制造厂商关注的重要课题[3-5]。

目前，制造厂商都在寻求采购自动化钻削机床进行精密制孔，满足对飞机的高性能要求[6-8]。这一方面，国外经过半个多世纪的研究，自动化制孔技术较于中国更为成熟，并且已经广泛应用在飞机制造和装配中，成为航空工业中的主流技术[9-12]。

随着机构学、传感技术、伺服控制以及计算机技术等的发展，针对飞机生产不同的需求以及应用范围，各国的研究院所和飞行器生产厂家设计制造了相应的自动化机床。现介绍常见的自动化制孔设备的研究现状，并预测未来可能的研究方向。

1 蒙皮制孔技术特点

飞机蒙皮是指包围在飞机骨架结构外且用黏接剂或铆钉固定于骨架上，形成飞机气动外形的维形构件[13]。蒙皮与机身骨架形成蒙皮结构，这种结构的重量轻，却有很好的刚度和承载力，可以承受并且传递大的气动载荷[14]。常见的飞机使用的蒙皮材料主要是高性能铝合金材料，某些军用特殊性能飞机采用了钛合金材料与复合材料。

蒙皮是一种具有自由曲面形状的结构板材，也是构成飞行器外形的主要零件。蒙皮形状复杂且容易变形，其加工质量对飞机的安全性有很大影响[15]。飞机飞行中蒙皮与气流直接接触，所以对其表面质量有很高的要求。一般蒙皮结构的尺寸较大，相对厚度较小，造成其刚度较差，加工时需要保证形状准确，减小变形。随着现在飞机的提速和增重，蒙皮的尺寸与厚度增加，外形的精确度要求也更高[16]。

飞机蒙皮按外形特点可以分成单曲度蒙皮、双曲度蒙皮和复杂形状蒙皮3种类型。单曲度蒙皮的形状相对简单，仅单一方向上存在曲度，多用于飞机机身剖面段和机翼上。双曲度蒙皮指的是两个方向上存在曲度的蒙皮，用在机身上的大多零件以及进气道上。复杂形状蒙皮是指那些形状极不规则的蒙皮，包括翼尖、机头罩等部位使用的蒙皮。

由于蒙皮结构的特殊性，增加了其加工和装配难度。在传统的人工制孔中，制孔水平受工人水平影响较大，加工出的孔质量参差不齐，无法准确保证装配时的精度要求。需求使用自动化设备进行自动制孔与装配可以保证蒙皮结构上孔的质量，确保装配时的精度要求是非常关键的。这对于提高最终产品的整体稳定性以及产品结构的抗疲劳性能与可靠性都十分重要[17]。

2 大型专用机床制孔

在航空蒙皮曲面自动化制孔技术中，对于一些装配制造中大孔的加工，需要设计一些专门的大型自动化制孔设备以保证高标准的加工要求。美国波音公司的B-747、C-17等型号客机的机舱地板都使用了自动化制孔设备与工艺，相比之前人工钻孔不仅大大缩短工艺流程时间，降低生产成本，而且提高了制孔的精度和质量[18]。德国宝捷公司研发的钻铆机与多壁板装配机床如图1所示[19]。

图1 国外航空企业大型专用制孔机床Fig.1 Large special drilling machine tools for foreign aviation enterprises

北京航空制造工程研究所开发了一款飞机翼面类部件柔性装配五坐标自动制孔设备，该设备由五坐标移动机构和末端自动制孔设备构成，可以满足双曲度飞机蒙皮结构的生产需求[20]。这是中国首台飞机翼面类部件柔性生产装备，其末端自动钻削工具的研制为中国其他院所及团队的研究提供了经验[21]。经过试验验证，此设备可以减少平尾制孔生产周期近一半时间。

从外形来看，大型落地式钻削机床体积大，重量大、设备需要占用很大空间；从成本来看，落地式龙门机床大多造价高，且为专用机床，生产成本高；从应用效果来看，大型机床的使用较为笨重，受限于机床体积，只能用于飞机开阔外表面的制孔，对于飞机表面上的复杂曲面对机床的定位精度要求以及工装的安装精度都极高。此外，大型机床不适用于飞机上一些狭小空间的制孔需求，机床笨重的体积难以进入那些狭小空间，如军用飞机的进气道。

文章来源：《航空兵器试验靶场》 网址: http://www.hkbqzz.cn/qikandaodu/2021/0312/863.html