飞机装配自动制孔刀具技术研究

碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺接孔,这是确保叠层材料构件产品连接强度、刚度和安全性的主要手段。然而由于碳纤维复合材料层间结构特点和2种材料性能的巨大差异,制孔质量难以保证并且刀具磨损剧烈。特别是随着飞机自动制孔技术的发展,其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金以及铝合金等完全不同性质的材料。     

KFRP复合材料螺旋铣削工艺制孔质量

文摘凯夫拉纤维增强复合材料(KFRP)在钻削过程中会产生严重的分层、起毛等缺陷,难以满足装配工序的要求。本文将螺旋铣削工艺运用于KFRP复合材料制孔,进行了偏心距、主轴转速和刀具类型的单因素试验,以分层因子、起毛面积和孔径偏差表征KFRP复合材料螺旋铣削的制孔质量,深入研究不同工况下的缺陷抑制机理和制孔质量。结果表明,偏心距、主轴转速和刀具结构对制孔质量均有显著影响,采用波形四刃铣刀在偏心距0.5 mm和主轴转速4 000 r/min工况下的制孔质量最好,分层因子和孔径偏差分别为1.27和1.2%,起毛面积比二刃铣刀下降了13.7%。     

固化工艺参数对聚酰亚胺复合材料性能影响

采用热压罐成型工艺制备了MT300/902聚酰亚胺复合材料,测试了加压温度、加压大小和固化温度下复合材料的力学性能,分析了不同固化工艺参数对复合材料力学性能的影响规律。结果表明:MT300/902聚酰亚胺复合材料固化时的最佳加压时机为240～260℃、加压不小于1.2 MPa、固化温度在310～330℃为最佳。按照最优的成型工艺参数制备的复合材料构件质量高,缺陷能够控制在2%以下,力学性能进一步提高。     

基于实测数据的复合材料构件装配干涉与间隙计算

针对因成型误差引起的复合材料构件装配干涉问题,本文基于激光测量设备获取装配件点云数据,提出一种基于实测数据的复合材料构件装配干涉与间隙的降维求解方法,将三维装配的干涉与间隙计算转化为二维边界距离计算。以某型飞机雷达罩装配为例,通过实验验证了本文所提出的方法与算法的可行性,相较于原有装配工艺,装配精度与装配效率得到了提升。     

C/SiC陶瓷基复合材料旋转超声制孔工艺研究

针对C/SiC陶瓷基复合材料硬度高、难加工的特点,研究了机器人旋转超声制孔工艺优化策略。采用基于出口撕裂面积的缺陷评估方法,分析了陶瓷基复合材料制孔缺陷;通过正交试验研究了主轴转速、进给速度、超声振幅等工艺参数对制孔质量和孔径精度的影响规律,并利用方差分析和极差分析方法确定了最优工艺参数;基于此工艺参数,开展了刀具磨损试验。结果表明,对于厚度为8 mm的C/SiC陶瓷基复合材料叠层试板,钎焊金刚石套料钻可以稳定制40个孔,孔径精度达H9,撕裂面积因子在0.2以内;最后综合考虑制孔质量与效率要求,提出了先快后慢分段切削的工艺策略,在保证制孔质量的同时提高了制孔效率。     

飞机复合材料结构装配间隙补偿研究进展

复合材料因为优异的力学性能,在飞机制造中得到广泛应用。但由于制造偏差较大,复合材料构件在装配时可能出现较大间隙或干涉,此外复合材料的脆性较大,强迫装配可能使结构发生层间局部损伤,所以相对于金属材料构件,复合材料构件的装配工艺更加复杂,装配要求更高。装配间隙可以通过测量和补偿工艺来消除,但是垫片材料的力学性能和复合材料相比有较大差异,同时间隙补偿工艺缺乏统一标准,这可能会影响复合材料构件的装配性能和使用性能。阐述和总结了国内外对复合材料构件装配间隙补偿的研究进展,为复合材料构件装配提供参考。     

连续纤维增强热塑性复合材料热压成型工艺研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料（CoFRTP）具有损伤容限高、成型周期短及可回收利用等优点,在航空航天及新能源汽车等领域能够规模化应用。热压成型工艺因其高效率、低成本的优势得到广泛的关注,但由于该工艺涉及成型参数多,以及成型过程中材料大变形、非线性、多相变等多场耦合的特点,所制构件易产生褶皱、纤维开裂及外形尺寸变形过大等质量缺陷,对构件力学性能的稳定及后期装配带来极大挑战。为克服传统试错法低效率、高成本的缺点,提高热压成型设计效率,本文重点对热压成型工艺及其相应有限元数值仿真方法进行综述。本文从CoFRTP应用现状及制造关键、热压成型工艺过程分析及研究现状和热压成型工艺仿真方法 3个方面展开,最后对后续的研究工作进行展望。本文将为CoFRTP高效率和高质量成型提供理论指导,对相应的结构设计和工程应用起到推动作用。     

复合材料共固化构件位置偏差对数控制孔的影响及其补偿方法

针对带工字梁结构的飞机某复合材料构件在共固化成型后不可避免产生位置随机偏差以及定位基准位置偏差引起安装定位误差,并由此给工字梁上的铆接孔和单曲面蒙皮法向孔采用数控程序制孔带来困难甚至无法进行的问题,提出了通过在位测量构件特征点位置偏差并据此修正已有数控制孔程序实现其自动制孔的工艺方法,给出了特征点位置偏差测量原理、误差...     

碳纤维增强树脂基复合材料钻削缺陷研究进展

碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer,CFRP）以其优异的物理性能和柔性的结构功能在航空领域应用广泛,而钻削是实现CFRP结构件装配连接的关键制造工艺。由于CFRP具有非均质和各向异性特性,其制孔过程涉及复杂的切屑去除与表面创成机理,极易产生严重的加工损伤。在文献调研的基础上对CFRP切屑去除机理与钻削过程进行简述,然后对CFRP钻孔损伤模式进行分类,重点对CFRP钻孔分层、撕裂、毛刺等缺陷进行综述,阐述了此类缺陷的一般形成机制和评价方法,归纳了工艺条件对CFRP制孔损伤的影响规律。最后,总结了现有CFRP制孔缺陷抑制策略与方法,并指明了其未来发展方向。     

叠层材料低频振动制孔工艺参数优化实验研究

CFRP/Ti叠层结构在一体化制孔的过程中易出现复合材料分层、撕裂、灼伤和孔出口毛刺等制孔缺陷。本文基于低频振动辅助钻削技术,进行工艺实验,经过二次优化后得到最优加工参数。实验结果表明,在转速400 r/min、进给量12 mm/min、振幅75 μm与转速500 r/min、进给量21 mm/min、振幅75 μm两组加工参数下的制孔质量较好,使用较高转速和较大进给量能够提高加工效率。     

基于几何代数理论的转子堆叠装配多目标优化

在航空发动机多级转子装配过程中,优化的转子堆叠装配方案对提高转子装配质量及安全运行有着重要的意义。为了提高转子安装相位优化效率和装配质量,基于几何代数理论并结合多目标优化方法提出了一种高效求解最优堆叠装配方案的方法。首先,对几何代数和齐次矩阵的计算效率进行对比验证,并基于几何代数理论改进多级转子堆叠装配误差传递模型;其次,针对航空发动机转子安装相位角度的装配要求,建立转子同心度和初始不平衡量的多目标优化模型;最后,采用非支配排序遗传算法求解该堆叠装配多目标优化问题,获得符合工艺要求的最优装配方案。算例结果表明,优化后的转子装配方案比随机装配方案同心度降低65.10%,初始不平衡量降低97.88%。     

面向航空铝合金薄壁深腔构件的冲击液压成形工艺优化

为实现冲击液压成形下LY12铝合金薄壁深腔构件的一道次成形,采用响应面法结合冲击液压成形实验进行成形中的工艺参数优化研究。以减薄率和贴模率为响应量,压边力和冲击压力为优化变量,建立响应量与优化变量间的响应模型。选择中心复合设计法进行实验设计,通过Design Expert 12软件设计实验方案,分别建立关于减薄率的一阶响应模型和关于贴模率的二阶响应模型。优化结果表明当压边力为1.443 MPa、冲击压力为12.594 MPa时可满足减薄率和贴模率优化条件。通过验证实验得到的筒形件其减薄率和贴模率与预测值相对误差不超过5%。研究结果表明建立的响应面模型准确性和预测性良好,采用优化后的工艺参数成形的筒形件满足减薄率和贴模率要求。     

An error analysis and optimization method for combined measurement with binocular vision

The accurate measurement of surfaces of large aviation components is vital for the assessment of manufacturing and assembly quality of such components. To satisfy the measurement requirement of large-size components, most current researches pay more attention to combined measurement methods utilizing different measuring instruments, but the related researches on error analysis and optimization methods are not taken enough attention. This paper proposes a combined laser-assisted measurement method with feature enhancement techniques, and it also develops an error propagation model of the main factors affecting the overall measurement error in detail. Firstly, the surface of a large-size component is measured by the measurement system at multiple stations. Secondly, a control point coordinate system is established as a bridge to unify all local measurement data into the global coordinate system. To improve the overall measurement accuracy, the pixel extraction error as a key factor causing the overall measurement error is analyzed in detail. Next, the error propagation model is established, and some optimization strategies of layout for minimizing measurement error and transformation error are researched. Finally, experiments are carried out to verify the effectiveness of the proposed method. The results show that the measurement error of the proposed method reaches 0.073% and 0.14% with a 1D standard ruler and a flat plate, respectively.     

大型壁板自动钻铆定位误差分析与优化

在机翼大型壁板自动钻铆工艺中,由于定位误差较大,壁板实际位姿和理论数模位姿之间难以建立精确的映射关系,而现有补偿工艺流程复杂,导致装配效率较低。着眼于工装设计补偿,针对大型壁板自动钻铆定位误差控制问题展开定位误差溯源分析和定位点布局优化。首先,根据自动钻铆工艺流程进行定位误差溯源,分析其误差的来源及传递机理;其次,将定位误差分为刚性误差和柔性误差两部分,采用Monte-Carlo法模拟刚性定位误差的分布,通过齐次坐标变换分析刚性误差的传递过程,利用有限元虚拟仿真计算关键特征点的柔性变形误差;再次,集成刚性误差与柔性误差,基于统计学思想讨论特定置信度下的定位误差分布规律;然后,基于脚本语言开发Abaqus参数化模型,通过Isight进行后台调用及赋值规划,实现基于带精英策略的非支配解排序遗传算法(NSGA-II)的定位点布局多目标优化;最后,以某型飞机机翼上侧壁板的一号组件为实例,验证了该方法的可行性。     

基于误差相似性的移动机器人定位误差补偿

对由AGV承载的工业机器人组成的AGV式移动制孔机器人的定位误差补偿方法进行了研究。在面向飞机装配的AGV式移动制孔机器人系统中，利用激光跟踪仪构建坐标系，提出了AGV式移动制孔机器人机座坐标系的换站方法，能更好地适应飞机制造多品种、小批量的特点。基于对AGV式移动制孔机器人定位误差源的分析，利用定位误差相似性，提出针对AGV式移动制孔机器人的基于反距离加权定位误差的空间插值与补偿方法，克服了现有技术对于AGV式移动制孔机器人定位误差补偿的局限性。以AGV搭载的KUKA KR480型工业机器人制孔系统作为试验对象，通过试验选取最优网格步长，补偿结果表明，能将系统综合定位误差平均值由补偿前的1.045 mm降低到0.227 mm，最大绝对定位误差由补偿前的2.727 mm降低到0.478 mm，降低了82.47%，该方法能有效提高AGV式移动制孔机器人的绝对定位精度。     

基于关键装配特性的大型零部件最佳装配位姿多目标优化算法

为了控制装配过程中的关键装配特性,以大尺寸测量技术为辅助,实现大型零部件最优位姿装配,提出基于关键装配特性的大型零部件最佳装配位姿多目标优化算法。该方法将测量辅助装配(MAA)中的关键环节——最佳装配位姿拟合问题分为两步:第1步利用基于奇异值分解的解析方法将测量坐标系与装配现场的全局坐标系进行精确的空间配准,减小了坐标系对齐的误差,并以参考点拟合的偏差为优化目标,求解移动装配体当前位姿;第2步根据装配关键特性相关公差的重要程度,计算装配综合精度要求,并以最小综合偏差为优化目标求解移动装配体间的最佳装配位姿。随后给出了上述两个步骤的粒子群优化算法模型,将每步的待求解位姿作为一个拥有3个旋转自由度与3个平移自由度的粒子进行求解。最后对卫星舱段位姿最优装配问题进行仿真计算,结果证明了该优化算法在控制各项关键特性、提高综合装配质量等方面的有效性。     

一种提高表面完整性的气膜孔成形方法

为了解决目前航空发动机涡轮叶片气膜孔成形工艺存在热影响严重等问题,提出了采用超快激光环切与螺旋扫描的加工方法,设计了一种可实现高效、无热效应气膜孔加工的双激光光源微加工系统,并从作用机理和实际加工过程两方面分析了热效应的产生原因,指出了其中的主要影响因素,然后针对这些因素选用DD6材料进行了工艺参数优化和实验验证.实验结果表明:采用500fs激光与微秒长脉冲激光复合加工的方式可以使精细钻孔的效率提升约10倍,并得到基本无重铸层和微裂纹的涡轮叶片气膜孔;其工艺参数包括扫描速度为2400r/min,重叠率为12%,进给量为5μm,重复频率为20kHz以及0.6Pa同轴吹气.表明超快激光配合合理的工艺参数和加工方式可以实现无热效应气膜孔加工,是一种有效提高气膜孔成形表面完整性的工艺方法.      

某型直升机主起接头装配偏差问题分析

主起接头在直升机全机结构中属于重要承力件,本文针对主起接头螺栓孔铰孔时出现缺肉和装配偏差问题,从铰孔刀具的选择以及装配工艺性等方面进行分析解决,改善了产品装配工艺性,提高了某型直升机主起接头装配质量。     

(TiB+TiC)/TC4复合材料电解钻孔试验研究

钛基复合材料是一种典型的难加工材料,采用传统机械加工方法存在加工效率低和加工质量差等问题。利用电解加工技术,采用直径为10mm的管状阴极,对(TiB+TiC)/TC4复合材料进行电解钻孔加工试验研究。进行了(TiB+TiC)/TC4复合材料的电化学特性研究,测量了(TiB+TiC)/TC4复合材料在10%NaNO₃溶液中的极化曲线和电流效率。探究了加工电压、电解液压力对加工精度的影响。结果表明,当加工电压为30V,电解液压力为0.6MPa时,电解钻孔可以在1mm/min的进给速度下稳定加工。当加工的盲孔深径比为3.06时,孔的圆度误差为41.1μm,锥度为0.4°,具有较高的加工精度。     

可靠性设计中材料屈服极限的最佳选择

根据航空发动机结构完整性大纲, 对于断裂关键件必须进行损伤容限设计分析。由于材料缺陷, 加工缺陷或疲劳引起裂纹的扩展, 都会导致构件断裂, 为此要求在有缺陷(裂纹)的情况下, 构件应能保持足够的损伤容限, 这主要靠正确选用材料, 控制应力水平, 采用抗断裂结构, 控制加工精度及采用可靠的检查方法来实现。