王　新，張凌東，郭鴻俊，聞　偉

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

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復(fù)合材料筒段多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝

王新，張凌東，郭鴻俊，聞偉

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

摘要：在大型復(fù)合材料筒段端部徑向制孔時(shí)，連接孔的向心性差，劃窩制孔精度和制孔效率低，復(fù)合材料制孔加工質(zhì)量差。為此，針對(duì)某復(fù)合材料柱形筒段夾層結(jié)構(gòu)端部(外部為金屬材料，內(nèi)部為復(fù)合材料)的制孔問題，研究了一種多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝和裝置。工藝采用基于筒段回轉(zhuǎn)中心的向心制孔方法，通過自動(dòng)制孔裝置，實(shí)現(xiàn)了從內(nèi)向外的制孔方式，避免了復(fù)合材料制孔出口處產(chǎn)生纖維撕裂、分層等缺陷。采用2套高效精密制孔單元及面板控制單元PCU實(shí)現(xiàn)雙排孔并行制孔過程的自動(dòng)化，能夠精確控制制孔精度。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證表明，采用該多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝和裝置，保證了復(fù)合材料筒段類產(chǎn)品的徑向制孔質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；筒段；自動(dòng)制孔；多主軸

先進(jìn)的航天用大型筒段往往采用高比強(qiáng)度復(fù)合材料和金屬筒形構(gòu)件組成的夾層結(jié)構(gòu)，在有效減重的前提下，應(yīng)保證對(duì)高溫高壓氣流強(qiáng)沖擊的抵抗能力[1]。某航天器柱形筒段的內(nèi)層筒體采用碳纖維復(fù)合材料制成，外部為和其相配合的鋁合金金屬筒形構(gòu)件，筒段端部通過沿徑向分布的沉頭螺栓進(jìn)行聯(lián)接，因此需在筒段上沿徑向加工出螺栓聯(lián)接孔。目前，制孔方式基本上是依靠普通的鉆床和臥式車床等設(shè)備，加工質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，尤其會(huì)造成劃窩深度偏差較大、孔出口纖維起絲和鼓包等制孔缺陷，缺少定位機(jī)構(gòu)的設(shè)備也會(huì)造成孔軸線偏斜等問題，從而影響沉孔精度和連接可靠性；因此，需要研發(fā)高效自動(dòng)化的制孔設(shè)備及工藝。

目前，由于大尺寸復(fù)合材料筒段的制造技術(shù)受到技術(shù)保密等條件限制，在實(shí)際應(yīng)用中比較少見自動(dòng)化的制孔設(shè)備和工藝。在航空航天領(lǐng)域，高效精密的自動(dòng)制孔技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)為滿足F-35復(fù)合材料進(jìn)氣道上連接孔制孔需求，組織開發(fā)了由2臺(tái)機(jī)器人組成的機(jī)器人鉆孔(IDRD)單元，分別用于鉆孔和測(cè)量，鉆孔的重復(fù)定位精度達(dá)到±17.78 μm(0.007in)[2]。美國(guó)、歐洲等相關(guān)企業(yè)為飛機(jī)機(jī)身等部段連接孔鉆孔開發(fā)了爬行機(jī)器人式自動(dòng)制孔系統(tǒng)，它具有很好的柔性，以適應(yīng)不同型面的機(jī)身或壁板部件，避免了作業(yè)時(shí)使用各種專用輔助工裝，針對(duì)Boeing777、787機(jī)身對(duì)接區(qū)和A380主翼盒的裝配制孔研制開發(fā)的柔性導(dǎo)軌式自動(dòng)制孔系統(tǒng)等都已得到實(shí)際應(yīng)用[3-4]。國(guó)內(nèi)航空625所、浙江大學(xué)、北航、南航和上海交大等科研院所針對(duì)自動(dòng)鉆孔技術(shù)也有深入的研究[5-10]。然而，上述制孔系統(tǒng)或裝備要么采用傳統(tǒng)鉆削和真空吸附技術(shù)相結(jié)合的方式，大直徑孔鉆孔時(shí)設(shè)備難以承受過大的軸向力；或者體積龐大，專用性較強(qiáng)，成本居高不下。本文對(duì)大型復(fù)合材料筒段類構(gòu)件的徑向制孔工藝開展了研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出多主軸的徑向自動(dòng)制孔工藝裝備。

1復(fù)合材料筒段徑向制孔工藝

某復(fù)合材料筒段直徑>1.5 m，由內(nèi)層的復(fù)合材料筒體和外部的鋁合金筒形組成，端部通過200余個(gè)沿筒段軸心徑向分布的φ20 mm孔聯(lián)接沉頭螺栓，沉頭螺栓聯(lián)接孔為錐形沉孔結(jié)構(gòu)。為滿足溫度、氣壓及運(yùn)動(dòng)要求，沉頭螺栓聯(lián)接后沉頭面不能高出復(fù)合材料筒體內(nèi)表面，凹陷量必須<0.5 mm；因此，加工時(shí)對(duì)(沉)孔向心性、劃窩深度等精度要求較高，而高精度要求往往限制了加工效率，常規(guī)加工方式無(wú)法滿足這些要求，應(yīng)通過合理的制孔結(jié)構(gòu)和制孔方向，結(jié)合加工精度控制和對(duì)刀形式等，才能確保效率和質(zhì)量。

為此，提出了一種復(fù)合材料筒段多主軸徑向自動(dòng)制孔新工藝，該工藝通過設(shè)置雙主軸的制孔單元實(shí)現(xiàn)雙排孔同時(shí)制孔和劃窩。該工藝方法主要包括基于自動(dòng)向心的雙主軸制孔工藝、沉孔劃窩過程的自動(dòng)精確控制以及基于面板控制單元PCU的自動(dòng)制孔控制。制孔工藝采用基于筒段回轉(zhuǎn)中心的向心加工方法，制孔方向?qū)崿F(xiàn)了從內(nèi)向外，即從內(nèi)部復(fù)合材料筒體向外部金屬筒形構(gòu)件方向，避免了制孔出口處纖維撕裂等缺陷的產(chǎn)生；通過PLC控制系統(tǒng)編程及其面板控制單元完成制孔過程的自動(dòng)化，精確控制加工精度并加以反饋。

2多主軸徑向自動(dòng)制孔裝備設(shè)計(jì)

根據(jù)大型復(fù)合材料筒段端部制孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制了自動(dòng)制孔裝備。該裝備由包含雙主軸的制孔單元、制孔單元定位體、測(cè)量控制、PCU面板控制與顯示系統(tǒng)等組成。

2.1多主軸徑向自動(dòng)制孔裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)

多主軸徑向自動(dòng)制孔裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)(見圖1)是保證制孔質(zhì)量和效率的核心部件，其包括輔助安裝用托架、2個(gè)制孔單元、制孔單元定位體及用于裝置和筒段之間固定的漲緊裝置等。

圖1　復(fù)合材料筒段多主軸徑向自動(dòng)制孔裝備

制孔單元定位體為裝備的主框架，在制孔單元定位體外圓柱面上分布有沿徑向的三排孔，分別用于2個(gè)制孔單元制孔時(shí)的定位和制孔單元上接觸式位移傳感器的測(cè)量，消除筒段和制孔單元定位體存在的圓度誤差和裝配誤差，保證沉孔劃窩深度精度的要求。制孔單元定位體的外徑小于筒段的內(nèi)徑，可以防止在裝夾過程中剮蹭內(nèi)壁。

該裝備具有2套相同結(jié)構(gòu)和功能的制孔單元，其回轉(zhuǎn)中心位于筒段中心，兩者存在一定的角度，用于加工筒段軸向方向不同位置的聯(lián)接孔，實(shí)現(xiàn)雙排孔并行制孔。制孔單元主軸和筒段徑向重合，制孔單元通過轉(zhuǎn)盤可繞裝置的心軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，具有自向心的功能，以保證加工過程中聯(lián)接孔和沉孔的向心性，間接保證螺栓安裝后沉頭凹陷量的大小。采用從內(nèi)向外的制孔方式，解決了孔出口處容易出現(xiàn)纖維撕裂、分層的傳統(tǒng)復(fù)合材料制孔難題。

制孔單元由定位推銷、位移傳感器、制孔刀具、進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)以及進(jìn)給機(jī)構(gòu)等組成(見圖2)。制孔時(shí)，定位推銷在通過電磁控制作用下在制孔單元定位體中定位，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)控制制孔刀具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。接觸式位移傳感器實(shí)現(xiàn)劃窩的精確對(duì)刀，保證沉孔劃窩的深度尺寸。通過行程開關(guān)控制刀具進(jìn)給量并在結(jié)束加工時(shí)促使刀具及定位銷自動(dòng)退回。

圖2　制孔單元結(jié)構(gòu)

2.2制孔控制與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單個(gè)制孔單元需要頻繁控制4個(gè)電動(dòng)機(jī)做不同的運(yùn)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和報(bào)警顯示等人機(jī)交互功能，控制系統(tǒng)的核心部件面板控制單元PCU將PLC、人機(jī)界面和通信功能集成于一體，提高了系統(tǒng)各單元之間的可靠性，并且易于安裝。裝備控制系統(tǒng)主要組成如圖3所示?？删幊炭刂破鱌LC模塊因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能，同時(shí)由于其體積小、維護(hù)方便等特點(diǎn)被廣泛采用。為滿足多主軸徑向自動(dòng)制孔需要，選用三菱公司的型號(hào)為FX3u-64MR的可編程控制器。作為系統(tǒng)下位機(jī)，PLC編程控制各個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)、限位信號(hào)等功能?？刂葡到y(tǒng)采用限位開關(guān)作為位置檢測(cè)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止。劃窩和制孔深度采用位移傳感器作為精度檢測(cè)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)深度的精確控制。

圖3　裝備控制系統(tǒng)主要組成

數(shù)控系統(tǒng)軟件是利用Visual Basic對(duì)編程軟件GX-Developer的二次開發(fā)后實(shí)現(xiàn)的，為滿足實(shí)際制孔需求，在面板上增加了點(diǎn)動(dòng)控制單元(見圖4)。通過編程端口可實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的程序修改，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)劃窩深度、轉(zhuǎn)速及控制流程的修改和完善。

圖4　軟件平臺(tái)主窗口

3應(yīng)用驗(yàn)證

以某復(fù)合材料柱形筒段為典型部段進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。通過控制面板啟動(dòng)制孔單元，對(duì)一組孔制孔或劃窩后，需對(duì)筒段進(jìn)行周向旋轉(zhuǎn)，以進(jìn)行下一組孔的加工。劃窩時(shí)采用接觸式的位移傳感器進(jìn)行對(duì)刀，劃窩工具采用自制的金剛石劃窩磨頭進(jìn)行加工。對(duì)刀合適后，將接觸式位移傳感器接觸筒壁并固定其相對(duì)位置，在操作面板上就可精確控制劃窩的深度尺寸。螺栓擰緊安裝后，會(huì)對(duì)復(fù)合材料形成一定壓縮量，導(dǎo)致螺栓沉頭面凹陷量超差，因此，劃窩前需對(duì)劃窩尺寸進(jìn)行試加工，以確認(rèn)控制系統(tǒng)中實(shí)際的劃窩加工深度，保證最終的精度要求。復(fù)合材料筒段多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝流程如圖5所示。通過用托架上手輪調(diào)整鉆模沿導(dǎo)軌X、Y和Z方向直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝備和復(fù)合材料筒段的配合對(duì)位。將漲緊機(jī)構(gòu)頂緊復(fù)合材料筒段內(nèi)壁，來保證工藝裝備和筒段間夾緊和固定的可靠性。

圖5　復(fù)合材料筒段多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝流程

經(jīng)檢測(cè)，沉頭螺栓安裝至連接孔后沉頭面凹陷量全部<0.5 mm，一次全部加工合格，滿足精度要求(見圖6)，采用多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝裝備加工的孔沒有出現(xiàn)纖維起絲、鼓包等制孔缺陷，孔軸線完全滿足螺栓的安裝精度要求。此外，采用本文提出的方法，單件筒段連接孔加工效率提高了2～3倍，產(chǎn)品一次合格率達(dá)到100%。

圖6　復(fù)合材料筒段制孔及連接效果

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種復(fù)合材料筒段多主軸徑向自動(dòng)制孔的新工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于筒段回轉(zhuǎn)中心的從內(nèi)向外的徑向制孔方式，并結(jié)合多主軸的制孔單元和控制系統(tǒng)，提高了聯(lián)接孔的向心性、劃窩制孔精度、制孔效率和復(fù)合材料制孔質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)。利用多主軸徑向自動(dòng)制孔工藝裝備，優(yōu)化了復(fù)合材料筒段類產(chǎn)品的徑向制孔工藝。經(jīng)某航天器柱形筒段為典型部段的實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證表明，采用本文提出的工藝方法和裝置，有效解決了復(fù)合材料筒段端部的徑向制孔問題，具有較高的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

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責(zé)任編輯馬彤

Radial Automatic Drilling Process with Multi-tool Spindle for Composite Cylinder Component

WANG Xin， ZHANG Lingdong， GUO Hongjun， WEN Wei

(Aerospace Research Institue of Materials&Processing， Beijing 100076， China)

Abstract：Drilling quality,such as accuracy of hole axis along radial direction and hole dimensional accuracy, drilling efficiency,composite drilling quality,is easy to be poor during drilling processing for large-scale composite cylinder component. In order to solve the above-mentioned issue of a component end with sandwich structure(metal materials (inside)and composite (outside)),a new process of radial automatic drilling process with multi-tool spindle and its equipment are proposed.Radial drilling method based on rotary center of cylinder component,and the drilling direction—from inside of cylinder component to its outside—is enablemented,and the composite drilling defect is avoided.Two drilling units and the Panel Control Unit(PCU) controling drilling accuracy are adoped in the equipment. The application authentication shows that the process and equipment provide an efficient way for the drilling quality and the efficiency of composite cylinder component.

Key words:composite, cylinder component, automatic drilling, multi-spindle

中圖分類號(hào)：V 461

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-12-29

作者簡(jiǎn)介：王新(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事復(fù)合材料及其構(gòu)件先進(jìn)制造技術(shù)等方面的研究。