叠层材料的高效精密制孔技术在航空工业制造装配的应用 　

航空技术论文经典范文10篇之第八篇：叠层材料的高效精密制孔技术在航空工业制造装配的应用

　　

　　摘要：叠层材料所具有的优良性能使其在航空制造领域获得了良好的应用，但是这类材料是由多种不同特性的材料叠加形成的，因此在加工方面存在较大的困难，目前叠层材料的高效精密制孔技术是航空工业制造装配领域需要解决的一项重要难题。本文将以符合材料以及铝合金为主的航空叠层材料为例，对其变参数的精密制孔控制技术进行深入的探索研究。

 

　　关键词：航空叠层材料; 精密制孔; 变参数;

 

　　随着航空航天制造领域的持续发展，其材料更新速度也在不断加快，结合当前发展形势来看，减轻结构质量的同时降低结构强度和耐腐蚀能力是未来航空材料发展的新要求。受此影响，由不同物理、化学特性的多层材料组成而成的叠加材料获得了快速的发展，其良好的综合性能在航空航空领域展现出了巨大的优势。先进复合材料是叠层材料的主要种类之一，其具有高强度、大刚度以及抗腐蚀等多种性能。

 

　　1 航空叠层材料的应用现状介绍

 

　　由两层或是多层不同材料叠加而成的材料被称作叠层材料，叠层材料中各层材料的性能存在差异性，这一特点使其可以应用于许多功能器件的制作，如由两种不同膨胀系数金属组成的悬臂梁等。航空叠层材料的研究和应用如今已有半个多世纪的历史。最早的航空叠层材料是由木质材料组成，虽然有效降低了结构的重量，但在耐腐蚀、抗燃烧等方面存在较大的不足，在一定程度上制约了飞机的发展。其后，美国一家公司将铝制薄皮包裹木质材料应用到了飞机翼的制作中，在降低飞机结构重量的同时满足了防潮、防腐蚀、防火的要求。

 

　　当前阶段，航空领域应用最为广泛的叠层材料主要是由先进复合材料、铝合金、钛合金等以机械连接方式形成。其中先进复合材料具有优越的性能，质轻但结构强度高，相较于传统金属具有更高的应用价值。其中CFRP材料的应用比例最大，其在材料强度、质量密度、热膨胀性能等方面相较于铝合金均具有显着的优势，更符合航空领域材料快速发展的趋势。铝合金具有良好的生产加工性能，被广泛应用于飞机油箱、蒙皮以及壁板等部位零部件的制作。从20世纪90年代开始，随着客机体型的不断增大，对航空材料性能的要求也在持续提高，对铝合金材料的抗腐蚀性能、信号屏蔽均提出了新的要求。钛合金的强度要高于铝合金，且具有良好的耐腐蚀性和耐热性，被长期应用于航空飞机生产制造领域。为了满足航空制造对材料性能的要求，越来越多的新型钛合金被制造出来，如70年代的耐腐蚀钛合金以及80年代的高强钛合金等。

 

　　由上述多种高性能材料组成的叠层材料不仅具备各类材料的优点，同时还形成了良好的综合结构性能。但要想充分发挥出叠层材料的性能，必须采用与其相匹配的制造技术。制孔是叠层材料应用的一个关键工艺，叠层材料包含多种特定不同的材料，为具体加工作业带来了巨大的困难，因此，探索叠层材料的精密制孔控制技术是当前阶段该领域发展的热点问题。

 

　　2 航空叠层材料的精密制孔控制技术研究

 

　　(1）航空叠层材料的钻削轴向力分析。现如今叠层材料是航空航天制造领域应用的主要材料，相较于单层材料，叠层材料的钻削更加复杂麻烦，因此，各层材料的加工特性存在显着差异。传统“一刀切”的制孔方式并不适用于叠层材料，要想保障钻削过程中各层材料的的工艺参数都合理精确，必须对制孔工艺进行创新探索。

 

　　在对叠层材料进行加工处理的过程中，通常先采用胶合、热压、焊接以及机械连接等方式对其进行固定，之后才能进行钻削加工。在制孔的过程中，刀具和工件之间的热、力耦合是一个十分复杂的过程，其钻削热和钻削应力始终处于变化状态下，如何在此过程中对加工状态进行判断是制孔控制的关键点。基于此，本文认为可以通过监测钻削力的变化以判断制孔过程的加工状态。相较于钻削热，钻削力的检测在操作上更加简单，只需在工件固定工装部位添加力传感器即可，制孔时产生的钻削力会通过工件传递到传感器上。通过钻削力的检测对制孔加工状态进行动态监控，进而判断刀具的使用状态和材料的钻削位置，如此就可以有目的地采取加工控制措施，实现制孔加工质量的提升。

 

　　叠层材料制孔过程中的钻削力主要由轴向力和扭矩两部分构成，可以通过建模的方法对制孔钻削力进行研究，获得加工过程中轴向力随加工参数变化的具体规律，这样就可以通过采用不同的工艺参数获得相应的轴向力。在叠加材料钻削过程中，轴向力是使材料出现分层、撕裂等现象的主要因素，而轴向力则受主轴转速和进给量的影响。

 

　　综上，在航空叠层材料制孔过程中，可以通过改变轴向力来控制加工参数，从而有效避免轴向力过大可能对制孔过程产生的负面影响。

 

　　(2）叠层材料制孔主轴进给电机的电流特性分析。在航空叠层材料制孔的过程中，钻削轴向力是制孔质量的主要影响因素，要想实现对制孔的精确控制，必须解决钻削轴向力的监测和控制问题。目前，国内外对钻削轴向力的监测主要是通过测力仪来实现的，但结合实践来看，其在操作便捷度、成本、作用面积等方面都存在一定不足，基于此，本文提出一种实用性较强的间接测量钻削轴向力的方法。在制孔过程中，主轴进给电机是制孔进给力的来源，而电机电流会随着钻削力的变化而发生变动，因此，只要掌握进给电机的内部电流运动机制，并建立其与钻削轴向力之间的对应关系模型，即可将伺服电机作为钻削轴向力的传感器来使用，通过监测进给电机电流的方式间接测量出钻削力的大小。经研究，在叠层材料稳定钻削的过程中，主轴进给电机电流和钻削轴向力之间的确存在一定的正相关关系，即随着钻削轴向力的增加，主轴进给电机的电流也随之增大，也就是说，可以通过监测伺服电机电流的方式将钻削轴向力的变化情况反映出来。因此，基于进给电机电流间接成了测量钻削轴向力，进而判断叠层材料制孔钻削状态的思路是可行的。

 

　　(3）基于进给电机电流的变工艺参数制孔技术研究。在航空叠层材料制孔过程中，由于不同材料的钻削特性存在差异，因此在钻削过程中，需要根据不同材料对钻削参数进行实时变化，而如何有效识别叠层材料中两种材料之间的界面位置则是一个关键性问题。基于上文研究，可以将主轴进给电机电流变化作为钻削变化的判断依据，通过采集电机电流的方式，对叠层界面的位置信息进行判断，从而即使对工艺参数进行调整改变。在变参数控制系统启动之后，会首先进行自检活动，确认系统是否能正常运行。若存在故障则执行排除故障程序，之后再次进行自检直至没有故障为止。在系统恢复正常后，进行NC程序的编制和导入，其次，进行NC程序的预处理，将机床运动到指定的加工点。在机床到位之后，末端压力脚推出，主轴旋转，进给电机带动主轴前行，电流提取，滤波及界面识别算法运行。之后进行阈值1比较，实行第一次工艺参数切换，若Flag≠1，则重新提取界面识别算法，直至Flag=1。之后则进行阈值2的比较，实行第二次工艺参数切换。若Flag≠2，则重新提取界面识别算法，再次进行第一次工艺参数切换。若Flag=2，则进行阈值3的比较，实行第三次工艺参数切换。若Flag≠3，则重新进行界面识别算法提取，重复上述程序。若Flag=3，则输出，继续前行适当距离，保障叠层切削完成。

 

　　在航空叠层材料制孔过程中，机床达到指定位置后各轴锁定，同时，末端执行器开始进行制孔，此时末端压力脚以预先设定好的压力向叠层材料表面施压，主轴开始旋转，同时进给电机快进。当道具接触到材料后，电机速度由快转慢，同时上位机开始执行电流采集、滤波以及叠层界面识别算法程序，对电机运行电流进行动态处理。一旦检测到变参数触发点，上位机会向链接的PLC某个全局变量发送触发指令，Main程序在接收到指令后会即时执行变参数子程序，实现对电机和主轴转速的调节。其后的变参数程序与上述一致，直至叠层材料钻削工艺完成。进给量是影响钻削轴向力的主要因素，在实际制孔中，可以通过减小进给量的方式获得较小的轴向力，进给量则取决于主轴转速以及进给速度。

 

　　3 结语

 

　　综上所述，基于叠层材料各层钻削特性不同的特点，本文提出了一种基于进给电机变参数的制孔技术，其原理是钻削轴向力和进给电机电流之间存在的正相关关系，同时轴向力影响着制孔质量。通过电机电流的检测即可对轴向力大小进行控制，保障制孔工艺的高效精确完成。

 

　　参考文献

　　[1]孙鑫.航空材料自动化精密制孔工艺研究[D].南京航空航天大学,2014.

　　[2]刘东平,申林远,朱亚蓉, et al.玻璃纤维复合材料与铝合金叠层低损伤制孔工艺参数研究[J].航空精密制造技术, 2017(06):9-12.

　　[3]张辉,乔柳,郭洪杰.难加工材料叠层构件自动制孔工艺参数优化[C]//2015年第二届中国航空科学技术大会.