飛機制造中的裝配連接

東北大俠 · 發(fā)表于 2008-12-27 09:05:42

飛機制造中的裝配連接
飛機制造中的裝配連接

飛機制造中的裝配連接

在飛機制造中，裝配連接質(zhì)量直接影響飛機結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與可靠性，高性能航空器連接結(jié)構(gòu)必須采用先進的連接技術(shù)，如先進焊接技術(shù)、膠接技術(shù)、擴散連接技術(shù)以及先進的機械連接技術(shù)。目前國外在裝配連接技術(shù)上使用了激光輔助定位、計算機輔助光學(xué)經(jīng)緯儀系統(tǒng)進行裝配對接、應(yīng)用計算機輔助鉆削系統(tǒng)并采用機器人化的裝配單元大大提高飛機結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，減少了操作人員數(shù)目，延長飛機的使用壽命。其主要的連接技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1、自動鉆鉚技術(shù)
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、民用飛機的自動鉆鉚系數(shù)分別達到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，而且孔壁還要進行強化。自動鉆鉚技術(shù)從70年代起就在國外普遍采用，如波音民機的壁板機鉚系統(tǒng)已達60%-75%，麥道軍機也已達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，鉚接正向機器人和包含機器人視覺系統(tǒng)、大型龍門式機器人、專用柔性工藝裝備、全自動鉆鉚機和坐標測量機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%。而且由于進一步的改進使鉆鉚工具能夠到達以前難以達到的部位。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型機在部件兩邊進行連接有所不同，克服了工具難以到達部位所產(chǎn)生的問題。另外，軍用飛機和民用飛機在自動連接方面有所不同，民用飛機由于部件大、緊固件種類少較易實現(xiàn)自動化，而軍用飛機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%，他們的努力的目標是達到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，促進了手動鉆孔、手動鉚接機等工具的使用范圍。進一步發(fā)展的全自動化設(shè)備（CNC）不僅能進行定位而且還能完成鉆孔-安裝-鐓粗工序，操作人員只需進行設(shè)備管理及工藝過程監(jiān)控。一些更先進的CNC設(shè)備還可編程，根據(jù)裝配件安裝區(qū)域選擇適當類型的緊固件。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。

各個公司應(yīng)用CNC情況和部位有所不同。波音軍用飛機的圣·路易斯工廠計劃1999年在F-18E/F機翼使用第一臺CNC機床進行緊固件安裝以滿足精密要求。波音民用飛機公司的大多數(shù)CNC設(shè)備用于757飛機結(jié)構(gòu)件和蒙皮之間的連接。目前飛機裝配面臨的主要問題是鉚釘?shù)倪M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型機床和4臺CNC機床用于安裝工作，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，即機翼和機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，當進行高層次的裝配時，結(jié)構(gòu)件會更大，使工具進入也就更難，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。該機床為9座標機床，采用了高速伺服器和一臺可視再同步系統(tǒng)，能在單機裝載下裝配180°機身部件，鉚釘進給系統(tǒng)可靠性達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。

2、電磁鉚接技術(shù)
針對鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用范圍擴大，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展，其成形機理完全不同于壓鉚，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制造商之一，該公司生產(chǎn)的E4000機翼機是一臺立式鉚接/栓接機，其最大的優(yōu)點是能在一個地方完成所有的機翼裝配工作，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。而該機床本身可沿五座標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)備進行了改進，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)時間嚴格保密。

3、復(fù)合材料連接技術(shù)
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，

[影響]
在航空器制造中，先進的裝配連接技術(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、其先進程度如何直接影響飛機結(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：
1、通過采用先進的連接技術(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，從而達到延長使用壽命的目的。
2、先進的裝配連接技術(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)。
3、采用先進的連接技術(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。

[技術(shù)難點]
先進的裝配連接技術(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。針對這兩點進行的前沿研究工作如下：
1、自動鉆鉚系統(tǒng)和自動電磁鉚接系統(tǒng)應(yīng)用研究；
2、柔性自動裝配集成系統(tǒng)、自動鉆鉚系統(tǒng)應(yīng)用研究；
3、計算機虛擬連接裝配技術(shù)研究；
4、超聲波焊和微波焊接技術(shù)研究；
5、精密連接技術(shù)及其自動化、機器人柔性連接技術(shù)應(yīng)用研究；
6、膠-鉚復(fù)合連接技術(shù)研究。

先進機械連接技術(shù)

　　現(xiàn)代飛機的安全使用壽命要求日益增長，軍機壽命、干線飛機壽命分別要求達到8000、50000飛行小時以上，為了提高飛機結(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。

　　（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。國外采用的先進制孔設(shè)備除數(shù)控自動鉆鉚機制孔外，還有機器人制孔、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，采用了自動化激光定位的精密數(shù)控制孔中心制孔。

　　（2）為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高連接強度，現(xiàn)代飛機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)。

　　（3）為了提高鉚接結(jié)構(gòu)的自動鉆鉚率，擴大自動鉆鉚在飛機結(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)達國家的飛機連接裝配已由單臺數(shù)控自動鉆鉚機的配置向由多臺數(shù)控自動鉆鉚機、托架系統(tǒng)配置或由自動鉆鉚設(shè)備和帶視覺系統(tǒng)的機器人、大型龍門機器人、專用柔性工藝裝備及坐標測量機等多種設(shè)備、不同配置組成的柔性自動裝配系統(tǒng)發(fā)展。

　　（4）電磁鉚接可進行難成形材料、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，裝配機上還配有伺服驅(qū)動的檢測探頭和攝像系統(tǒng)，以確定機床及產(chǎn)品的位置和檢測孔的質(zhì)量，可對每根梁進行自動鉆孔、緊固件定位、安裝和鉚接。

蒼狼大地 · 發(fā)表于 2008-12-28 17:00:59

學(xué)習(xí)了，以前只聽過鉚接這么個名詞，具體的東西都不知道，只知道飛機制造中裝配技術(shù)很重要，原來其中還有這么多道道。

yindahai2025 · 發(fā)表于 2009-1-20 11:02:05

謝謝東北大俠，了解，增加知識面，好！大家路過了雖然沒有留下痕跡，但是已經(jīng)來過。

王子兵 · 發(fā)表于 2009-3-4 13:01:44

能介紹一些鈦合金標準件在國內(nèi)航空系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用情況和發(fā)展前景嗎？
謝了！

缺失的一角 · 發(fā)表于 2012-6-18 08:55:10

已定型生產(chǎn)的飛機，手工鉚接的能不能改成自動鉚接呢？需要經(jīng)過什么樣的審核流程？比如：原來用氣動工具進行手工鉚接的，現(xiàn)在是否可以升級為電磁鉚接？

缺失的一角 · 發(fā)表于 2012-6-18 09:02:20

本來前幾天安排去上海商飛看HH503的操作的，后來驗收勢急，沒去成，呵呵

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