大型客機(jī)鋁鋰合金壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)鉚接工藝具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單、連接質(zhì)量穩(wěn)定可靠、易于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、能夠適應(yīng)不同材料之間的連接等優(yōu)點(diǎn)，在民用客機(jī)的裝配中得到了廣泛使用，鉚接約占全機(jī)總連接量的80％，是民用客機(jī)裝配的主要連接方式。自動(dòng)鉆鉚是民用飛機(jī)裝配連接的發(fā)展趨勢(shì)，采用自動(dòng)化鉚接可有效提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，滿(mǎn)足機(jī)體長(zhǎng)壽命連接的設(shè)計(jì)要求。 第三代鋁鋰合金具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好等諸多優(yōu)異特性，是近年來(lái)航空航天材料中發(fā)展最為迅速的一種先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)材料。C919 在機(jī)身結(jié)構(gòu)中選用了鋁鋰合金材料，用來(lái)取代常規(guī)鋁合金，可降低結(jié)構(gòu)重量10%~15%，提高結(jié)構(gòu)剛度15%~20%。盡管第三代鋁鋰合金具有重要的優(yōu)勢(shì)，但是與傳統(tǒng)鋁合金（如2024）相比，其缺口敏感性仍然較高。由于鉚接作為鋁合金材料主要的連接方法在大客裝配連接中采用，而鋁鋰合金在制孔鉚接后仍然存在較大的缺口效應(yīng)，對(duì)孔壁質(zhì)量及鉚接間隙的敏感程度高，需要采用穩(wěn)定的干涉鉚接方法來(lái)保證連接質(zhì)量。因此，采用自動(dòng)鉆鉚取代手工制孔鉚接可提高工藝穩(wěn)定性，同時(shí)優(yōu)化自動(dòng)鉆鉚工藝參數(shù)，提高連接質(zhì)量，對(duì)確保鋁鋰合金連接件疲勞壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求將起到至關(guān)重要的作用。本文在介紹目前飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合MPAC自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)開(kāi)展了鋁鋰合金壁板自動(dòng)鉆鉚工藝的研究。 飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng) 飛機(jī)裝配技術(shù)面臨著自動(dòng)化、數(shù)字化和柔性化的發(fā)展趨勢(shì)，面對(duì)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，在研制飛機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)時(shí)需要綜合考慮裝配效率、系統(tǒng)柔性、設(shè)備成本等因素。 作為最早實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域，飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚成為飛機(jī)自動(dòng)化裝配最成熟、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。隨著自動(dòng)化程度的提高，超級(jí)壁板拼接甚至機(jī)身筒段裝配也開(kāi)始應(yīng)用自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)[1-2]。 美國(guó)是最早發(fā)展自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的國(guó)家，早在20世紀(jì)50年代就已在飛機(jī)鉚接裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用了自動(dòng)鉆鉚機(jī)，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，現(xiàn)在世界各航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都已廣泛采用這項(xiàng)技術(shù)。由于自動(dòng)鉆鉚機(jī)帶有高速、高精度的鉆削主軸頭，一次進(jìn)給既能鉆出高精度的孔，又可將埋頭窩的深度進(jìn)行精確控制，鉚接時(shí)可準(zhǔn)確控制壓鉚力和壓鉚行程，因而可大大提高鉚接的質(zhì)量和效率。 當(dāng)前飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)主要有兩種形式：基于全自動(dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和龍門(mén)式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)?；谌詣?dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，包括C框和D框兩種形式，一般由基于全自動(dòng)托架的五坐標(biāo)定位系統(tǒng)和自動(dòng)鉆鉚機(jī)組成。典型的五坐標(biāo)全自動(dòng)托架由X、Y、兩個(gè)Z軸和一個(gè)A軸組合實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A（繞X軸旋轉(zhuǎn)）、B（繞Y軸旋轉(zhuǎn)）五坐標(biāo)定位功能?；谌詣?dòng)托架的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)包括美國(guó)捷姆科公司的G2000、G86，德國(guó)寶捷公司的IPAC等。 龍門(mén)式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，包括龍門(mén)式五坐標(biāo)定位系統(tǒng)、末端執(zhí)行器和柔性工裝。根據(jù)工件擺放位置（也決定末端執(zhí)行器的位置）可以分為臥式和立式兩種。龍門(mén)式五坐標(biāo)定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A（繞X軸旋轉(zhuǎn)）、B（繞Y軸旋轉(zhuǎn)）五坐標(biāo)定位。龍門(mén)式壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)包括美國(guó)EI公司的E6000、德國(guó)寶捷公司的MPAC等。圖1是用于C919中機(jī)身裝配線上機(jī)身壁板自動(dòng)鉆鉚的MPAC自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。
圖1 德國(guó)寶捷公司的MPAC自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng) 近年來(lái)國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠與研究所和高校合作開(kāi)展了飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的研究，中航工業(yè)成飛、西飛、沈飛、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都開(kāi)展了自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的研制。成飛和西飛在引進(jìn)國(guó)外自動(dòng)鉆鉚機(jī)的基礎(chǔ)上，自行開(kāi)發(fā)了五坐標(biāo)全自動(dòng)托架系統(tǒng)。南京航空航天大學(xué)針對(duì)飛機(jī)壁板特點(diǎn)，研制了基于Pogo柱托架的龍門(mén)式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)的龍門(mén)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A 4坐標(biāo)定位，B角由Pogo柱托架來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。 鋁鋰合金自動(dòng)鉆鉚工藝試驗(yàn) 鉚接過(guò)程的工藝參數(shù)對(duì)鉚接質(zhì)量有十分重要的影響[4]。鋁鋰合金與常規(guī)鋁合金相比，其材料性能有顯著的改善，對(duì)鋁合金鉚釘在干涉鉚接過(guò)程中干涉量的形成有很大的不同。由于在自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中制孔和鉚接是在一個(gè)工作循環(huán)中完成的，采用制孔工藝試驗(yàn)確定特定刀具的制孔孔徑大小和孔徑一致性是合理確定自動(dòng)鉆鉚工藝參數(shù)的前提。 本文通過(guò)試驗(yàn)方法確定所涉及壁板最典型緊固件的制孔孔徑。試驗(yàn)設(shè)備采用中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的MPAC自動(dòng)鉆鉚設(shè)備。試驗(yàn)刀具為編號(hào)1048810的定制鉆頭（用于NAS1097AD6、MS20470AD6牌號(hào)鉚釘?shù)闹瓶祝?，鉆頭直徑為4.88mm，測(cè)量工具采用孔徑量規(guī)。試驗(yàn)材料：根據(jù)中機(jī)身壁板涉及的鋁鋰合金材料2060T8E30，選取了典型厚度為2mm、4mm、6mm、6.4mm的材料，切割成長(zhǎng)寬為300×200mm尺寸的試驗(yàn)件9批。 制孔孔徑均值為4.887mm，波動(dòng)范圍僅0.027mm（4.879~4.906mm）。由于試驗(yàn)是在2~6.4mm各種典型厚度試驗(yàn)材料組合情況下獲得的，可以確定制孔孔徑一致性和穩(wěn)定性情況極好，且至少在試驗(yàn)范圍厚度內(nèi)，孔徑與厚度無(wú)關(guān)。 （2）在鉆頭壽命范圍內(nèi)，制孔孔徑一致性和穩(wěn)定性情況依然很好，并且即使鉆頭使用壽命達(dá)到1.5倍壽命，依然有相當(dāng)?shù)囊恢滦院头€(wěn)定性。 在制孔工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)C919的鉚釘和壁板蒙皮材料，開(kāi)展干涉鉚接工藝試驗(yàn)。鉚釘和壁板蒙皮材料屬性如表1所示，制孔孔徑按照前面試驗(yàn)平均值4.887mm計(jì)算。 表1 典型材料屬性
按照要求的壓鉚力加工完成試件之后，測(cè)量記錄各釘?shù)溺咁^高度、鐓頭直徑尺寸及其他異常外觀情況。將試件切割后，完整取出各個(gè)鉚釘。沿著鉚釘分別在近釘頭、中間和釘尾測(cè)得3處的釘桿膨脹值，計(jì)算相應(yīng)干涉量Dt、Dm、Dd。平均干涉量為3處的平均值D=（Dt+Dm+Dd）/3，如圖3所示。預(yù)測(cè)值采用文獻(xiàn)[5]提出的預(yù)測(cè)方法。圖4為鋁鋰合金干涉鉚接壓鉚力對(duì)干涉量的影響，圖5為鋁鋰合金干涉鉚接壓鉚力對(duì)鐓頭尺寸的影響。
圖3 鉚釘干涉量測(cè)量
圖4 鋁鋰合金干涉鉚接壓鉚力對(duì)干涉量影響
圖5 鋁鋰合金干涉鉚接壓鉚力對(duì)鐓頭尺寸的影響 鋁鋰合金干涉鉚接工藝性分析 通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論。 （1）文獻(xiàn)[5]中提出的干涉量工藝控制方法同樣符合鋁鋰合金干涉鉚接的工程要求，通過(guò)不同釘長(zhǎng)、不同板厚、不同壓鉚力的試驗(yàn)結(jié)果，得出，鉚釘釘桿絕對(duì)膨脹量誤差在0.02mm、0.4%以?xún)?nèi)，而除了AD6-6釘4mm和4.2mm板2組試驗(yàn)外，絕對(duì)膨脹量誤差基本在0.005mm、0.2%以?xún)?nèi)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性。 （2）AD6-6釘4mm和4.2mm板2組試驗(yàn)之所以偏差稍大，主要是由于夾層厚度較小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)受鐓頭的影響較大，離鐓頭稍遠(yuǎn)的釘桿中部位置干涉量與計(jì)算干涉量比較吻合。 （3）由于相對(duì)干涉量精度受試驗(yàn)材料性能、測(cè)量精度等因素的影響波動(dòng)很大，絕對(duì)干涉量誤差在0.02mm（0.4%）以?xún)?nèi)，但相對(duì)干涉量的誤差就能到50%以上，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，盡管確定合理干涉量可采用相對(duì)干涉量進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)際檢測(cè)測(cè)量時(shí)應(yīng)該規(guī)定絕對(duì)干涉量數(shù)值。因此，目前大客工藝規(guī)范CPS采用絕對(duì)干涉量描述是合理的。 （4）鋁鋰合金干涉鉚接沿軸向分布明顯不均勻，鐓頭處明顯偏大，這與2024鋁合金明顯不同，這與鋁鋰合金材料屈服強(qiáng)度高有關(guān)。由于不均勻程度較大，在裝配工藝驗(yàn)證方面要格外關(guān)注可能帶來(lái)的缺陷。 （5）雖然鐓頭側(cè)干涉量很容易滿(mǎn)足，但釘頭側(cè)干涉量受壓鉚力影響較大，可以很明顯地看出干涉量差值具體變化趨勢(shì)，如圖4所示。從圖中可知，只有當(dāng)壓鉚力接近30kN時(shí)釘頭側(cè)干涉量才有明顯增加，也就是說(shuō)只有板發(fā)生屈服后，干涉量沿軸向才比較均勻。 （6）ADET0078中規(guī)定，鉚接后在釘頭處及中間層干涉量為0.02~0.14mm，鐓頭處干涉量應(yīng)為0.04~0.15mm，這也是CPS2160中干涉量規(guī)定的來(lái)源。從圖4可知，為確保釘頭處能夠達(dá)到0.02mm以上的干涉量，比較可靠的壓鉚力應(yīng)達(dá)到29~31kN，即使對(duì)于4mm左右?jiàn)A層厚度也應(yīng)該達(dá)到25kN以上。 （7）文獻(xiàn)[5]中給出的鐓頭尺寸預(yù)測(cè)方法結(jié)果精度很好，鐓頭高度的誤差絕大多數(shù)在±5%以?xún)?nèi)，絕對(duì)誤差值在0.1mm以?xún)?nèi)，根據(jù)體積不變定律算出的鐓頭直徑預(yù)測(cè)結(jié)果精度同樣很好，誤差絕大多數(shù)在±5%以?xún)?nèi)，絕對(duì)誤差值在0.3mm左右，完全滿(mǎn)足工程精度的要求，如圖5所示。 鋁鋰合金夾層厚度對(duì)干涉鉚接工藝影響分析 通過(guò)分析本次工藝試驗(yàn)結(jié)果，可以觀測(cè)到夾層厚度對(duì)干涉量有比較明顯的影響，以30kN壓鉚力試驗(yàn)為例，不同夾層厚度下干涉量見(jiàn)圖6。 （1）由于鋁鋰合金的干涉量沿軸向分布不均勻性較大，當(dāng)夾層厚度較大時(shí)，釘頭和釘桿中部干涉量會(huì)有減少，說(shuō)明從鐓頭到釘頭干涉量逐步減少的趨勢(shì)明顯。鐓頭干涉量明顯增加，但總體上趨于平穩(wěn)，并不一定隨夾層厚度增加而增加。 （2）對(duì)于飛機(jī)壁板鉚接，連接量最大的是5mm以下的蒙皮和長(zhǎng)桁，以4mm左右的夾層厚度為主，此時(shí)釘頭處能達(dá)到的干涉量相對(duì)較大，需要考慮鐓頭和釘桿直徑的尺寸效應(yīng)，避免鐓頭側(cè)干涉量過(guò)大。對(duì)于夾層厚度較大的連接位置，由于釘頭側(cè)干涉量逐步降低，此時(shí)應(yīng)格外關(guān)注釘頭側(cè)干涉量是否滿(mǎn)足要求。 結(jié)束語(yǔ) 本文開(kāi)展了大型客機(jī)鋁鋰合金壁板自動(dòng)鉆鉚技術(shù)的研究，特別是針對(duì)鋁鋰合金缺口敏感性較大的問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展了鋁鋰合金壁板干涉鉚接工藝的研究： （1）釘桿的干涉量、鐓頭尺寸可以采用解析公式準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測(cè)，絕對(duì)干涉量的誤差在0.4%以?xún)?nèi)，鐓頭尺寸的誤差在5%以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足工程要求； （2）鋁鋰合金干涉鉚接沿軸向分布不均勻性較傳統(tǒng)鋁合金2024大，對(duì)于夾層厚度較大的情況尤其要關(guān)注頂頭側(cè)的干涉量； （3）由于鋁鋰合金具有屈服強(qiáng)度高的特點(diǎn)，要想獲得合理的干涉量需要更大的壓鉚力，而這往往和鐓頭尺寸的要求有一定矛盾，需要在確定工藝規(guī)范時(shí)慎重考慮。
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