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飛機(jī)制造中的裝配連接
: ~' B; ^, u+ s: @) t6 A! q' h$ B飛機(jī)制造中的裝配連接- ]5 c! x) x+ t: ^2 y1 K+ s
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& C) b3 @( K# o% R6 p0 k# u' k' E飛機(jī)制造中的裝配連接
2 X* H' P4 h5 Z6 {1 y) `% \, Q
& Z f/ S* f+ d8 M8 e2 l$ q5 x! w
. @4 z1 k6 n$ r; S+ f7 P9 r在飛機(jī)制造中，裝配連接質(zhì)量直接影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與可靠性，高性能航空器連接結(jié)構(gòu)必須采用先進(jìn)的連接技術(shù)，如先進(jìn)焊接技術(shù)、膠接技術(shù)、擴(kuò)散連接技術(shù)以及先進(jìn)的機(jī)械連接技術(shù)。目前國外在裝配連接技術(shù)上使用了激光輔助定位、計算機(jī)輔助光學(xué)經(jīng)緯儀系統(tǒng)進(jìn)行裝配對接、應(yīng)用計算機(jī)輔助鉆削系統(tǒng)并采用機(jī)器人化的裝配單元大大提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，減少了操作人員數(shù)目，延長飛機(jī)的使用壽命。其主要的連接技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
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; L& i9 ?( Q( X1 ~7 j1、自動鉆鉚技術(shù)
# S. X$ N: ?3 M) w, _" H: |自動鉆鉚技術(shù)并不是一項新技術(shù)，但其發(fā)展一直未曾間斷。國外目前現(xiàn)役軍、民用飛機(jī)的自動鉆鉚系數(shù)分別達(dá)到17%和75%以上，大量采用無頭鉚釘干涉配合技術(shù)，新型緊固件有無頭和冠頭鉚釘、鈦環(huán)槽釘、高鎖螺栓、錐形螺栓以及各種單面抽釘?shù)龋?0%鉚接和100%的不可卸傳剪螺栓連接均采用干涉配合，而且孔壁還要進(jìn)行強(qiáng)化。自動鉆鉚技術(shù)從70年代起就在國外普遍采用，如波音民機(jī)的壁板機(jī)鉚系統(tǒng)已達(dá)60%-75%，麥道軍機(jī)也已達(dá)17.5%，但是真正的全自動鉆鉚還需要解決工件定位和校平問題。近年來，鉚接正向機(jī)器人和包含機(jī)器人視覺系統(tǒng)、大型龍門式機(jī)器人、專用柔性工藝裝備、全自動鉆鉚機(jī)和坐標(biāo)測量機(jī)組成的柔性自動化裝配系統(tǒng)發(fā)展。如B767、B777采用了翼梁自動裝配系統(tǒng)，提高效率14倍，費用降低90%，廢品率降低50%。而且由于進(jìn)一步的改進(jìn)使鉆鉚工具能夠到達(dá)以前難以達(dá)到的部位。如通過采用特制的緊固件，只在部件的單邊需要工具，與通常的C型機(jī)在部件兩邊進(jìn)行連接有所不同，克服了工具難以到達(dá)部位所產(chǎn)生的問題。另外，軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)在自動連接方面有所不同，民用飛機(jī)由于部件大、緊固件種類少較易實現(xiàn)自動化，而軍用飛機(jī)由于部件尺寸小且復(fù)雜、緊固件種類多而較難實現(xiàn)自動化裝配，如麥道軍用飛機(jī)公司的緊固件自動化裝配程度只有大約17.5%，他們的努力的目標(biāo)是達(dá)到20%。以F-18為例，把一縱梁連接到四分之一板上需要三種鉚釘，每一種鉚釘都需要重新安裝工具，這樣在安裝工具上要花費很多時間，而且大多數(shù)自動化裝配設(shè)備都是固定在車間內(nèi)的，不僅大且不具備柔性，鑒于這種原因，促進(jìn)了手動鉆孔、手動鉚接機(jī)等工具的使用范圍。進(jìn)一步發(fā)展的全自動化設(shè)備（CNC）不僅能進(jìn)行定位而且還能完成鉆孔-安裝-鐓粗工序，操作人員只需進(jìn)行設(shè)備管理及工藝過程監(jiān)控。一些更先進(jìn)的CNC設(shè)備還可編程，根據(jù)裝配件安裝區(qū)域選擇適當(dāng)類型的緊固件。而以前使用的半自動化設(shè)備只能安裝一種類型的緊固件。 " D( i- T* D( q: k
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各個公司應(yīng)用CNC情況和部位有所不同。波音軍用飛機(jī)的圣·路易斯工廠計劃1999年在F-18E/F機(jī)翼使用第一臺CNC機(jī)床進(jìn)行緊固件安裝以滿足精密要求。波音民用飛機(jī)公司的大多數(shù)CNC設(shè)備用于757飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和蒙皮之間的連接。目前飛機(jī)裝配面臨的主要問題是鉚釘?shù)倪M(jìn)給，較小的零件需要的鉚釘更小，有些小得很難以一定的方向安裝到孔中。例如，在雷神飛機(jī)公司使用的許多鉚釘?shù)拈L度和直徑只有3/32英寸。雷神公司目前使用14臺通用C型機(jī)床和4臺CNC機(jī)床用于安裝工作，由于緊固件自動化安裝的應(yīng)用使原來每周安裝5000個速度上升到每周100,000個。但雷神公司使用的CNC設(shè)備主要應(yīng)用在次裝配階段，如縱梁、隔框和蒙皮的連接。在總裝階段，即機(jī)翼和機(jī)身和尾翼的連接沒有應(yīng)用自動化連接。據(jù)公司人員講，在總裝中只有民用機(jī)方面用了自動化連接。但在總裝階段采用自動化連接也是最終發(fā)展趨勢。歐洲的空中客車公司已經(jīng)在這方面先行一步了，美國在這方面也已做了不少的工作，波音公司的威奇托工廠已在737機(jī)身的總裝上使用了自動化連接技術(shù)。但據(jù)GEMCOR公司權(quán)威人士講，這種自動化的應(yīng)用有時也會得不償失，當(dāng)進(jìn)行高層次的裝配時，結(jié)構(gòu)件會更大，使工具進(jìn)入也就更難，因此需要更加復(fù)雜和更昂貴的自動化設(shè)備，這時就不能僅為自動化而自動化，而應(yīng)根據(jù)成本效益分析進(jìn)行決策。GEMCOR公司生產(chǎn)的新型G2000就是開發(fā)出來專門用于高層次裝配的產(chǎn)品，而且其成本又低。該機(jī)床為9座標(biāo)機(jī)床，采用了高速伺服器和一臺可視再同步系統(tǒng)，能在單機(jī)裝載下裝配180°機(jī)身部件，鉚釘進(jìn)給系統(tǒng)可靠性達(dá)99.9%，該技術(shù)的開發(fā)是在發(fā)展自動化同時考慮成本效益的一個典型例子。
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2、電磁鉚接技術(shù) ) c |! A: t b) o
針對鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用范圍擴(kuò)大，而鈦合金鉚接成本效益又差等原因，電磁鉚接的使用也在逐漸擴(kuò)展，其成形機(jī)理完全不同于壓鉚，它具有許多優(yōu)點，由于加載速率高，鉚接時鉚釘材料各方向流動均勻且同步，可以實現(xiàn)比較理想的干涉配合連接，主要應(yīng)用于鈦合金、復(fù)合材料及厚夾層結(jié)構(gòu)的鉚接。國外應(yīng)用電磁鉚接始于70年代初，但由于涉及到高壓的安全性問題，最初沒有受到重視。目前使用的電磁鉚接技術(shù)是由Electroimpact 公司的經(jīng)理開發(fā)的一種低壓型電磁鉚接技術(shù)。Electroimpact 公司是目前世界上最大的自動化緊固機(jī)制造商之一，該公司生產(chǎn)的E4000機(jī)翼機(jī)是一臺立式鉚接/栓接機(jī)，其最大的優(yōu)點是能在一個地方完成所有的機(jī)翼裝配工作，并取消了全部的手工操作。一般的鉚接過程要把所有的部件放在一塊板上固定，然后手工鉆孔并用臨時緊固件定位，然后把這塊板移到自動鉚接機(jī)處，這一過程通常要用到吊車并且可能會使板件變形。而該機(jī)床本身可沿五座標(biāo)方向移動并能把鉚釘固定安裝在部件上，不需要移動組件，并能在組件上方運動并安裝所有的鉚釘和鎖定螺栓。它還能安裝絞接緊固件，并且取消了所有的定位緊固件。波音公司西雅圖工廠裝配機(jī)翼大梁的兩個自動化單元床身上安裝著由美國Electroimpact公司研制的電磁鉚接頭。該公司還自行設(shè)計和制造電容器組、控制器、有關(guān)的電子器件并編寫相應(yīng)的應(yīng)用軟件。在電磁鉚接理論方面美國的研究人員做了大量工作，如他們對材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了大量的理論分析和實驗研究，得到了許多常用材料的合適的變形速率。研究了電容、電感等系統(tǒng)參數(shù)對鉚接質(zhì)量的影響，以此為根據(jù)對設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，使其電流脈沖持續(xù)時間可調(diào)，以滿足不同材料的鉚接需要，從而使電磁鉚接設(shè)備的柔性增大，應(yīng)用范圍更廣。但美國對這一研究成果以及鉚接設(shè)備內(nèi)部如何調(diào)整電流脈沖持續(xù)時間嚴(yán)格保密。 * w1 X# p! Z- o" o" h& _
5 @. ~5 o; D* z6 q. S3、復(fù)合材料連接技術(shù)
f k/ _" u$ v0 l( U g+ C& X復(fù)合材料的連接一般采用膠接和共固化，由于復(fù)合材料層壓板層間強(qiáng)度低、抗沖擊能力差等原因，早期未采用干涉配合技術(shù)，到80年代研究表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用干涉配合連接有利于提高接頭強(qiáng)度。其解決的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生比較理想的干涉量而不損傷復(fù)合材料。因為干涉量大會對復(fù)合材料造成損傷，
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[影響] ) s1 q: b4 l! u2 a' a$ G) K2 h" j
在航空器制造中，先進(jìn)的裝配連接技術(shù)在生產(chǎn)和質(zhì)量控制中起到關(guān)鍵的作用。由于連接種類繁多，根據(jù)裝配要求不同選擇哪一種連接方法、其先進(jìn)程度如何直接影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與可靠性。具體影響體現(xiàn)在以下幾個方面： # O; c6 T$ m3 M6 R" A% U( {
1、通過采用先進(jìn)的連接技術(shù)可提高航空器使用壽命，如采用干涉配合鉚接、電磁鉚接、新型緊固件、孔擠壓強(qiáng)化技術(shù)等來提高連接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能與可靠性，從而達(dá)到延長使用壽命的目的。
/ q* S9 z8 g2 C* [& x+ o/ L2、先進(jìn)的裝配連接技術(shù)可縮短航空武器裝配的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。如前所述采用自動化和半自動化連接技術(shù)可提高工作效率十幾倍，甚至二十幾倍，大大減少操作人數(shù)和工作量，而且連接質(zhì)量也有所提高，這對大型航空器的制造商來說，要想在激烈的市場競爭中生存必須采用的技術(shù)。
+ P1 g/ W: u4 f8 H# Q8 {3、采用先進(jìn)的連接技術(shù)可降低航空武器裝備的成本并減輕重量。采用擴(kuò)散連接、蜂窩膠接及共固化連接、高能束焊接技術(shù)不僅可節(jié)省緊固件研制生產(chǎn)費用，而且大大減輕了重量。
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. r& \3 D2 ^2 f( q9 ?[技術(shù)難點] 1 M' c* c6 W! P) @0 }* s
先進(jìn)的裝配連接技術(shù)的難點在于如何正確地確定使用哪一種連接能達(dá)到效率、性能、費用比最優(yōu)。另外一個難點是如何能最大限度地控制連接過程的質(zhì)量。針對這兩點進(jìn)行的前沿研究工作如下：
0 [0 p+ T$ Y5 f1 I9 q1 }+ a1、自動鉆鉚系統(tǒng)和自動電磁鉚接系統(tǒng)應(yīng)用研究； + R- t" l8 p) e' c1 E
2、柔性自動裝配集成系統(tǒng)、自動鉆鉚系統(tǒng)應(yīng)用研究；
5 {- r6 R' }% V6 L# m3、計算機(jī)虛擬連接裝配技術(shù)研究；
, ]& K8 n. m5 m: m8 p4 y6 N+ v4、超聲波焊和微波焊接技術(shù)研究； 6 `& N# u( Q$ o
5、精密連接技術(shù)及其自動化、機(jī)器人柔性連接技術(shù)應(yīng)用研究； 5 T8 @- n8 q; a' o
6、膠-鉚復(fù)合連接技術(shù)研究。
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先進(jìn)機(jī)械連接技術(shù)& c0 q/ J) R p6 y. ?
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1 J$ e+ w0 M$ s h9 W; ~ 現(xiàn)代飛機(jī)的安全使用壽命要求日益增長，軍機(jī)壽命、干線飛機(jī)壽命分別要求達(dá)到8000、50000飛行小時以上，為了提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接的疲勞性能，采用了長壽命的干涉配合連接技術(shù)，并發(fā)展了相關(guān)的自動化設(shè)備。
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�。�1）為了消除制孔缺陷引起的應(yīng)力集中，采用了光潔制孔技術(shù)，實現(xiàn)精密制孔。國外采用的先進(jìn)制孔設(shè)備除數(shù)控自動鉆鉚機(jī)制孔外，還有機(jī)器人制孔、帶激光引導(dǎo)的精密數(shù)控制孔中心。例如，F(xiàn)-16的垂尾石墨/環(huán)氧復(fù)合材料蒙皮采用了機(jī)器人制孔，不僅保證了制孔質(zhì)量，提高了制孔效率，還避免了石墨粉塵對操作人員的損害；F-22部件裝配采用快速裝配技術(shù)，要求制孔精度更高、質(zhì)量更精細(xì)，采用了自動化激光定位的精密數(shù)控制孔中心制孔。
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�。�2）為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高連接強(qiáng)度，現(xiàn)代飛機(jī)所用緊固件大量采用鈦合金、新型鋁合金緊固件及干涉連接件。美國研制、生產(chǎn)的緊固件主要有高強(qiáng)緊固件、鈦緊固件、防腐緊固件和特殊用途緊固件；著重開發(fā)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件系統(tǒng)，如鉚接用鈦鈮鉚釘系列產(chǎn)品，輕型鈦高鎖螺栓，鈦環(huán)槽釘及干涉鈦環(huán)槽釘系統(tǒng)，鈦合金單面螺紋抽釘、干涉抽釘、特大夾層（3.5mm）抽釘系統(tǒng)，用于蜂窩結(jié)構(gòu)的可調(diào)預(yù)載緊固件系統(tǒng)、復(fù)合材料緊固件系統(tǒng)。
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�。�3）為了提高鉚接結(jié)構(gòu)的自動鉆鉚率，擴(kuò)大自動鉆鉚在飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中的應(yīng)用，尤其是對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和不開敞難加工部位的裝配，發(fā)達(dá)國家的飛機(jī)連接裝配已由單臺數(shù)控自動鉆鉚機(jī)的配置向由多臺數(shù)控自動鉆鉚機(jī)、托架系統(tǒng)配置或由自動鉆鉚設(shè)備和帶視覺系統(tǒng)的機(jī)器人、大型龍門機(jī)器人、專用柔性工藝裝備及坐標(biāo)測量機(jī)等多種設(shè)備、不同配置組成的柔性自動裝配系統(tǒng)發(fā)展。
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（4）電磁鉚接可進(jìn)行難成形材料、大直徑及厚夾層的鉚接，可以在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)均勻的干涉配合連接，電磁鉚接自動化設(shè)備已用于生產(chǎn)。這種設(shè)備占地面積都很小，裝配機(jī)上還配有伺服驅(qū)動的檢測探頭和攝像系統(tǒng)，以確定機(jī)床及產(chǎn)品的位置和檢測孔的質(zhì)量，可對每根梁進(jìn)行自動鉆孔、緊固件定位、安裝和鉚接。 |
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發(fā)表于 2008-12-27 09:05:42
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