一种飞机机翼叠层材料装配制孔的方法技术

本发明专利技术公开了一种飞机机翼叠层材料装配制孔的方法，包括以下步骤：1）提取制孔信息，规划运动路径和加工参数；2）进行表面轮廓扫描测量，并根据扫描参数进行参数修正；3)进行描点；4）对于非疲劳关键区，制孔至终孔并完成锪窝，对于疲劳关键区，制孔至初孔尺寸，不作锪窝；5）对骨架上的初孔进行冷挤压；6）冷挤压后，将初孔扩至终孔并锪窝。本发明专利技术制孔时刀具在材料分界面0.2mm～0.3mm处进行加工参数切换，这样的设置能够在叠层结构上加工出高质量的孔；对非疲劳关键区不需要冷挤压的孔，一次加工到位，提高了加工效率，对疲劳关键区的孔先加工至初尺寸，然后进行冷挤压，这样既能提高孔的疲劳强度，又能克服因复位误差造成铰削余量不均问题。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括以下步骤：1）提取制孔信息，规划运动路径和加工参数；2）进行表面轮廓扫描测量，并根据扫描参数进行参数修正；3)进行描点；4）对于非疲劳关键区，制孔至终孔并完成锪窝，对于疲劳关键区，制孔至初孔尺寸，不作锪窝；5）对骨架上的初孔进行冷挤压；6）冷挤压后，将初孔扩至终孔并锪窝。本专利技术制孔时刀具在材料分界面0.2mm～0.3mm处进行加工参数切换，这样的设置能够在叠层结构上加工出高质量的孔；对非疲劳关键区不需要冷挤压的孔，一次加工到位，提高了加工效率，对疲劳关键区的孔先加工至初尺寸，然后进行冷挤压，这样既能提高孔的疲劳强度，又能克服因复位误差造成铰削余量不均问题。【专利说明】
本专利技术属于航空制造数字化装配领域，具体涉及
技术介绍
随着航空产业迅猛发展，为了有效提高飞机的结构强度，减轻飞机结构重量，降低飞机能耗，飞机上大量使用由铝合金、钛合金、碳纤维复合材料(CFRP)等构成的叠层结构。尤其在飞机机翼中就广泛运用这种叠层结构，机翼壁板为复合材料，骨架为铝或钛合金。传统的钻孔技术已经不能满足产品的要求。对于钛合金而言，传统的钻孔技术很难解决出口毛刺、表面光洁度等技术难题；对于复合材料而言，传统的钻孔技术由于轴向力大，很难避免材料分层的现象，产品加工质量无法控制，且飞机机翼装配对制孔的孔位精度、孔径精度、垂直度、表面粗糙度等都有很高的要求，采用传统方法及设备需要钻、扩和多次铰削加工，制孔效率低、质量差、自动化程度低，劳动强度大。此外机翼装配孔数量大，生产周期长，严重制约了飞机的生产效率和生产质量的提高，且在飞机特定的位置，如飞机的骨架上，要求制椭圆孔用于安置无耳托板螺母。但是椭圆形端口的手工加工工艺非常复杂，需要通过其它孔定位加工工具的方向，人工沿定位方向来回往复摆动刀具，才能加工无耳托板螺母的椭圆窝。因为椭圆端口较深，刀具与材料的接触面较大，导致切削力较大，人工加工非常困难。螺旋铣孔技术是一种新型的孔加工技术，在加工过程中，刀具自转、轴向进给同时绕加工孔的中心公转，即刀具的运动轨迹是螺旋线，这种运动方式决定了螺旋铣孔具有以下优点:1)偏心加工能实现单一直径刀具加工一系列直径的孔，提高刀具利用率，降低成本；2)螺旋铣孔加工中轴向力小，降低了复合材料分层风险；3)刀具直径比孔小，切屑方便排出，提高了孔的表面光洁度。常规的数控制孔方法已经不能满足飞机机翼叠层材料的装配制孔，随着复合材料和钛合金的广泛应用，飞机的叠层结构越来越多，在叠层架构上如何高效率、高精度的制孔是一个重要的研究方向，这对提升我国航空航天制造装备业自动化水平，加快推动我国飞机数字化制造装配的进步有着重大意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了。解决了传统工艺在叠层结构上制孔过程复杂、效率和质量低的问题。本专利技术采取的技术方案如下:，包括以下步骤:I)基于飞机机翼的数字模型，提取制孔信息；根据提取的制孔信息，规划机床的运动路径和制孔的加工参数；2)对飞机机翼的壁板和骨架进行定位及姿态调节，然后对飞机机翼的壁板和骨架进行表面轮廓扫描测量，得到壁板和骨架的实际外形轮廓曲面模型，通过实际外形轮廓曲面模型对步骤I)中提取的制孔信息进行修正，并相应修正机床运动路径和制孔的加工参数，使孔的加工信息与现场实际情况相匹配；3)按照步骤2)规划好的路径，通过描点笔在壁板上进行描点，描点结束后，对描点位置的正确性进行检查，待其正确后更换刀具；4)根据规划好的路径和加工参数进行制孔及锪窝，其中，对于非疲劳关键区，制孔至终孔并完成锪窝，对于疲劳关键区，制孔至初孔尺寸，不作锪窝；所述壁板为碳纤维复合材料材质，所述骨架为钛合金材质，具体制孔时，利用螺旋韦先的方式进刀，先加工碳纤维复合材料部分，在刀尖距材料分界面0.2mm?0.3mm处,停止刀具轴向进给，改变加工参数，待刀具充分冷却后，再进行轴向进给，完成钛合金部分的制孔加工；5)将壁板和骨架分离，对骨架上疲劳区域内的初孔进行冷挤压；6)冷挤压工作完成后，将壁板和骨架重新定位对合，然后将初孔扩至终孔，并进行锪窝。步骤5)中所述冷挤压是指通过适当的机械冷加工方法挤压孔壁，使孔周围材料产生径向塑性流动的方法。孔冷挤压工艺在孔壁的表面层产生残余压应力，可以降低孔边裂纹的应力场强度系数，提高耐久性，延缓疲劳裂纹的产生，阻止裂纹的扩展，能显著提高孔的疲劳强度。本专利技术采用以数控机床为基础的自动化技术，实现自动化制孔，达到保证制孔精度、提高制孔效率的目的；采用螺旋铣制孔技术，以解决复材制孔及复材与钛合金叠层制孔的难题，其能有效解决复材制孔入、出口处撕裂、分层问题以及复材与钛合金加工参数切换问题。先加工碳纤维复合材料部分，在刀尖距材料分界面0.2mm?0.3mm处，改变加工参数，待刀具充分冷却后，再进行轴向进给，完成钛合金部分的制孔加工，这样的设置能够保证刀具在不同材料层有不同的加工参数，使各层的孔均有较好的质量。对非疲劳关键区不需要冷挤压的孔，可一次加工到位，无需分钻-扩-铰工艺过程，对于疲劳关键区的孔，先加工至初孔尺寸，然后进行冷挤压，最后再加工至终孔尺寸，初孔比终孔的直径小0.5_，这可以克服因复位误差造成铰削余量不均问题。所述步骤3)中，描点位置错误时，查找原因，并根据原因修改相应参数，重复步骤I)?3)直至描点位置正确。所述步骤I)中的制孔信息包括孔的坐标值和孔的法向矢量。所述步骤3)中，描点笔进行描点时，通过视觉系统自动进行法向测量和轴向调整。通过现有的视觉系统使描点笔安全高效的进行描点。作为优选，所述步骤4)中非疲劳区的制孔，先制孔至初孔尺寸，然后进行探伤检验，如果无损则继续加工至终孔。探伤检验可以是人工检查也可以用现有的探伤设备进行检验。通过加入探伤检验工序，能够保证孔的加工质量，如果发现问题，因为还有余量，可以调节加工参数，进一步补加工。作为优选，所述初孔的直径比终孔直径小0.5mm。对于非疲劳区来说，这样的设置可以在制孔出问题留下加工余量；对应疲劳区来说，既可以进行探伤检验，又克服因复位误差造成铰削余量不均的问题。所述步骤4)和6)的制孔工作由螺旋铣孔末端执行器加工完成。该螺旋铣孔末端执行器为现有技术，可以实现螺旋铣孔工作。作为优选，所述步骤4)和6)的锪窝工作由锪椭圆窝终端执行器加工完成。该锪椭圆窝终端执行器可以精确的控制锪窝方向、形状和尺寸等特征，能加工出符合要求窝或椭圆窝。为了保证加工质量，作为优选，所述步骤5)中，壁板和骨架分离后清除毛刺。本专利技术还公开了一种实现本专利技术制孔方法的五坐标机床，一种五坐标机床，包括机床床身，所述机床床身沿X轴方向布置有第一导轨，第一导轨上滑动配合有床身滑座，还包括:立柱滑座，滑动配合在所述床身滑座上，沿Z轴方向运动；立柱，固定在所述立柱滑座上；托板，滑动配合在所述立柱上，沿Y轴方向运动；滑枕，滑动配合在所述托板上，沿Z轴方向运动；五轴头，转动配合在所述滑枕上，旋转轴线与Z轴方向平行；末端执行器，转动配合在五轴头上，旋转轴线与Z轴垂直；所述X轴方向即是机床床身的长度方向，所述Y轴方向垂直于机床床身所在平面，所述X轴、Y轴、Z轴两两相互垂直。立柱滑座和滑枕均沿Z轴方向运动，行程较大，末端执行器安置在五轴头上，能够以任意角度对工件进行加工，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机机翼叠层材料装配制孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）基于飞机机翼的数字模型，提取制孔信息；根据提取的制孔信息，规划机床的运动路径和制孔的加工参数；2）对飞机机翼的壁板和骨架进行定位及姿态调节，然后对飞机机翼的壁板和骨架进行表面轮廓扫描测量，得到壁板和骨架的实际外形轮廓曲面模型，通过实际外形轮廓曲面模型对步骤1）中提取的制孔信息进行修正，并相应修正机床运动路径和制孔的加工参数，使孔的加工信息与现场实际情况相匹配；3)按照步骤2）规划好的路径，通过描点笔在壁板上进行描点，描点结束后，对描点位置的正确性进行检查，待其正确后更换刀具；4）根据规划好的路径和加工参数进行制孔及锪窝，其中，对于非疲劳关键区，制孔至终孔并完成锪窝，对于疲劳关键区，制孔至初孔尺寸，不作锪窝；所述壁板为碳纤维复合材料材质，所述骨架为钛合金材质，具体制孔时，利用螺旋铣的方式进刀，先加工碳纤维复合材料部分，在刀尖距材料分界面0.2mm～0.3mm处，停止刀具轴向进给，改变加工参数，待刀具充分冷却后，再进行轴向进给，完成钛合金部分的制孔加工；5）将壁板和骨架分离，对骨架上疲劳区域内的初孔进行冷挤压；6）冷挤压工作完成后，将壁板和骨架重新定位对合，然后将初孔扩至终孔，并进行锪窝。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，董辉跃，李江雄，柯映林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33