螺旋軌跡制孔技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用.pdf

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1、在航空制造中的應(yīng)用ApplicationofSpiralTrajectoryDrillingTechnologyonAviationManufacturing中航工業(yè)北京航空制造工程研究所張?jiān)浦緞⑷A東鄒方中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司陳磊張?jiān)浦竟W(xué)博士．高級(jí)工程師，JSME會(huì)員。就職于中航工業(yè)北京航空制造工程研究所．曾長(zhǎng)期從事舶用機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境及自動(dòng)控制研究，現(xiàn)任數(shù)字化柔性裝配技術(shù)研究室柔性裝配研發(fā)部部長(zhǎng)。隨著航空產(chǎn)品不斷的升級(jí)換代，輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用比重不斷加大，且已成為衡量航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。這些新材料的應(yīng)用，雖

2、然滿足了飛行器零部件的高剛性、高強(qiáng)度、輕量化等要求，但同時(shí)也給后續(xù)的零件加工及裝配制孔帶來了新的難34航空制造技術(shù)·2013年第22期筆者以機(jī)器人為載體，利用國(guó)產(chǎn)刀具，在所研制的實(shí)機(jī)上完成了對(duì)鈦合金、CFRP等難加工材料的$1J子L驗(yàn)證，制孔精度、孔內(nèi)表面粗糙度等均達(dá)預(yù)期，證明了螺旋軌跡制孔裝置設(shè)計(jì)、控制方法的合理性和有效性，使一種刀具Jjn-r多種直徑的孔成為現(xiàn)實(shí)。題。特別是對(duì)鈦合金及復(fù)合材料(CFRP)等難加工材料的大徑制孔，已成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。如何很好地解決難加工材料制孔過程中存在的刀具過熱失效，有效地抑制CFRP層間分離和孔口毛邊，避

3、免切屑劃傷制孑L內(nèi)表，提高制孔效率，滿足制孑L精度和光潔度以及長(zhǎng)壽命連接要求，已成為航空產(chǎn)品裝配技術(shù)領(lǐng)域不可回避的問題。迄今，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在此方面做了大量研究，提供了一些實(shí)用方法，如采用CBN刀具、金剛石刀具、陶瓷刀具【11等并結(jié)合啄式進(jìn)給方式，在難加工材料的制孔方面取得了一定的成果。但從制孔綜合方面，并未完全解決諸如CFRP層間分離和孔口毛邊、切屑劃傷等根本性問題。關(guān)于螺旋軌跡制孔技術(shù)，國(guó)內(nèi)除了對(duì)Novator產(chǎn)品的概念性介紹和對(duì)螺旋銑孔動(dòng)力學(xué)【21研究外，尚未見有關(guān)深層報(bào)道。本文借鑒國(guó)內(nèi)外螺旋軌跡制孔技術(shù)的研究經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)率先研制出螺旋軌跡

4、制孔裝置，該裝置具有如下特征：(1)在線調(diào)整刀具中心(ToolCenterPoint，TCP)徑向變位，以適應(yīng)不同孑L徑加工要求；(2)具有曲面法向測(cè)量功能，可搭載機(jī)器人在自由曲面上沿制孔點(diǎn)位的法矢實(shí)施螺旋軌跡制孔；(3)壓緊力可調(diào)，以對(duì)應(yīng)CFRP和混合疊層材料制孔對(duì)壓緊力的要求；(4)真空排屑功能，將制孑L過程中產(chǎn)生的粉末狀切屑及時(shí)從制孔區(qū)域排除。螺旋軌跡制孔技術(shù)的比較優(yōu)勢(shì)螺旋軌跡制孑L在切削機(jī)理上與傳統(tǒng)的鉆削制孑L有著本質(zhì)差別。圖1、圖2分別描述了傳統(tǒng)鉆削制孑L和螺旋軌跡制孑L的特性和區(qū)別。傳統(tǒng)鉆削制孑L是一個(gè)連續(xù)切削過程【3】。制孔過程中

5、，刀具中心即為孑L的中心，孔徑大小取決于制孔刀具直徑，兩者呈強(qiáng)線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1傳統(tǒng)制孔鉆削模型如圖1所示，制孔切屑成連續(xù)卷曲狀從導(dǎo)屑槽和孔壁形成的空間(也稱散熱空間)向孑L外旋轉(zhuǎn)排出。實(shí)踐證明，采用啄式進(jìn)給斷屑，只是在不同程度上減小了切屑長(zhǎng)度，依然無法避免切屑卷曲、刮蹭孔壁，也難以解決CFRP材料的層間分離和孔口劈裂、剝離等問題。螺旋軌跡制孑L過程與傳統(tǒng)鉆削制孔不同，是一個(gè)非連續(xù)銑削過程，通過無級(jí)調(diào)整TCP變位參數(shù)P，用同一種規(guī)格的刀具加工多種直徑的孔。如圖2所示，根據(jù)制孔孔徑要求，讓刀具回轉(zhuǎn)中心相對(duì)制孔中心產(chǎn)生徑向變位，刀具以∞．自轉(zhuǎn)的同時(shí)

6、以∞，公轉(zhuǎn)，這種非連續(xù)銑削方式不僅有利于刀具的散熱，降低了傳為外調(diào)整套回轉(zhuǎn)中心，也是制孔中心；O，為內(nèi)調(diào)整套回轉(zhuǎn)中心；O，為刀具中心。根據(jù)圖3所示，制孑L的幾何參數(shù)、刀具直徑和描述刀具TCP的位置參數(shù)存在如下關(guān)系：2R=2h+d=D，(1)式中，D為制孑L直徑。刀具中心點(diǎn)的位置h與內(nèi)外調(diào)整套偏心距有如下關(guān)系式成立：h=sqrt(e12+e22—2eIe2cos們。(2)式(2)反映了TCP徑向變位與調(diào)整套運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的聯(lián)系，也稱螺旋軌跡制孔裝置TCP徑向變位運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。聯(lián)立式(1)和式(2)，得到下式：‰cos[竺掣]，(3)式中，由于e．和e

7、：為已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)，d為刀徑，一旦制孔的孑L徑得到確定，就可以根據(jù)所選刀具，利用式(3)得到內(nèi)外調(diào)整套相對(duì)轉(zhuǎn)角。為了方便校準(zhǔn)零位，使制孔結(jié)束后內(nèi)外調(diào)整套均止于準(zhǔn)停位，該制孔裝置在技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了el=e，=e，代人式(3)可簡(jiǎn)化如下：0：徹s[1一掣】。(4)式(4)變形，可寫成如下形式：D=d+2e·sqrt(2—2COS0)。(5)由此可見，制孔孑L徑僅與刀具直徑、調(diào)整套偏心距和轉(zhuǎn)角這3個(gè)參數(shù)有關(guān)。根據(jù)式(5)，在調(diào)整套偏心距一定的情況下，對(duì)裝置制孑L能力進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖4所示。隨刀具直徑增大，制孑L能力曲線上移，當(dāng)?shù)毒咭?guī)格一定時(shí)，

8、隨內(nèi)外調(diào)整套相對(duì)調(diào)整套轉(zhuǎn)角0的增大，制孔能力呈非線性遞增。根據(jù)式(2)，可得到圖5所示的TCP徑向變位h與內(nèi)、外調(diào)整套相對(duì)轉(zhuǎn)角0關(guān)系曲線。2013年第