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飛機(jī)制造中的裝配連接 x' b2 B/ d0 o: {# B( m
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6 y* y& f" W+ h- [9 L) t飛機(jī)制造中的裝配連接$ u* F5 k, ]* j# V; L& i* P
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在飛機(jī)制造中，裝配連接質(zhì)量直接影響飛機(jī)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(jìn)的連接技術(shù)，如先進(jìn)焊接技術(shù),、膠接技術(shù),、擴(kuò)散連接技術(shù)以及先進(jìn)的機(jī)械連接技術(shù),。目前國(guó)外在裝配連接技術(shù)上使用了激光輔助定位,、計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)經(jīng)緯儀系統(tǒng)進(jìn)行裝配對(duì)接,、應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助鉆削系統(tǒng)并采用機(jī)器人化的裝配單元大大提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，減少了操作人員數(shù)目,，延長(zhǎng)飛機(jī)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(gè)方面。 * f V5 n1 o' x- N J
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1,、自動(dòng)鉆鉚技術(shù) 3 L3 V9 k; K5 _2 K
自動(dòng)鉆鉚技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù),，但其發(fā)展一直未曾間斷。國(guó)外目前現(xiàn)役軍,、民用飛機(jī)的自動(dòng)鉆鉚系數(shù)分別達(dá)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(jìn)行強(qiáng)化,。自動(dòng)鉆鉚技術(shù)從70年代起就在國(guó)外普遍采用,，如波音民機(jī)的壁板機(jī)鉚系統(tǒng)已達(dá)60%-75%,，麥道軍機(jī)也已達(dá)17.5%，但是真正的全自動(dòng)鉆鉚還需要解決工件定位和校平問題,。近年來,，鉚接正向機(jī)器人和包含機(jī)器人視覺系統(tǒng)、大型龍門式機(jī)器人,、專用柔性工藝裝備,、全自動(dòng)鉆鉚機(jī)和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)組成的柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)發(fā)展。如B767,、B777采用了翼梁自動(dòng)裝配系統(tǒng),，提高效率14倍，費(fèi)用降低90%,，廢品率降低50%,。而且由于進(jìn)一步的改進(jìn)使鉆鉚工具能夠到達(dá)以前難以達(dá)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(jī)在部件兩邊進(jìn)行連接有所不同，克服了工具難以到達(dá)部位所產(chǎn)生的問題。另外,，軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)在自動(dòng)連接方面有所不同,，民用飛機(jī)由于部件大、緊固件種類少較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,，而軍用飛機(jī)由于部件尺寸小且復(fù)雜,、緊固件種類多而較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配，如麥道軍用飛機(jī)公司的緊固件自動(dòng)化裝配程度只有大約17.5%,，他們的努力的目標(biāo)是達(dá)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(fèi)很多時(shí)間，而且大多數(shù)自動(dòng)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(jìn)了手動(dòng)鉆孔,、手動(dòng)鉚接機(jī)等工具的使用范圍,。進(jìn)一步發(fā)展的全自動(dòng)化設(shè)備（CNC）不僅能進(jìn)行定位而且還能完成鉆孔-安裝-鐓粗工序，操作人員只需進(jìn)行設(shè)備管理及工藝過程監(jiān)控,。一些更先進(jìn)的CNC設(shè)備還可編程,，根據(jù)裝配件安裝區(qū)域選擇適當(dāng)類型的緊固件。而以前使用的半自動(dòng)化設(shè)備只能安裝一種類型的緊固件,。
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各個(gè)公司應(yīng)用CNC情況和部位有所不同,。波音軍用飛機(jī)的圣·路易斯工廠計(jì)劃1999年在F-18E/F機(jī)翼使用第一臺(tái)CNC機(jī)床進(jìn)行緊固件安裝以滿足精密要求。波音民用飛機(jī)公司的大多數(shù)CNC設(shè)備用于757飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和蒙皮之間的連接,。目前飛機(jī)裝配面臨的主要問題是鉚釘?shù)倪M(jìn)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(jī)公司使用的許多鉚釘?shù)拈L(zhǎng)度和直徑只有3/32英寸。雷神公司目前使用14臺(tái)通用C型機(jī)床和4臺(tái)CNC機(jī)床用于安裝工作,，由于緊固件自動(dòng)化安裝的應(yīng)用使原來每周安裝5000個(gè)速度上升到每周100,000個(gè),。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(jī)翼和機(jī)身和尾翼的連接沒有應(yīng)用自動(dòng)化連接,。據(jù)公司人員講,，在總裝中只有民用機(jī)方面用了自動(dòng)化連接。但在總裝階段采用自動(dòng)化連接也是最終發(fā)展趨勢(shì)。歐洲的空中客車公司已經(jīng)在這方面先行一步了,，美國(guó)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(jī)身的總裝上使用了自動(dòng)化連接技術(shù)。但據(jù)GEMCOR公司權(quán)威人士講,，這種自動(dòng)化的應(yīng)用有時(shí)也會(huì)得不償失,，當(dāng)進(jìn)行高層次的裝配時(shí)，結(jié)構(gòu)件會(huì)更大,，使工具進(jìn)入也就更難,，因此需要更加復(fù)雜和更昂貴的自動(dòng)化設(shè)備，這時(shí)就不能僅為自動(dòng)化而自動(dòng)化,，而應(yīng)根據(jù)成本效益分析進(jìn)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(jī)床為9座標(biāo)機(jī)床,，采用了高速伺服器和一臺(tái)可視再同步系統(tǒng)，能在單機(jī)裝載下裝配180°機(jī)身部件,，鉚釘進(jìn)給系統(tǒng)可靠性達(dá)99.9%,，該技術(shù)的開發(fā)是在發(fā)展自動(dòng)化同時(shí)考慮成本效益的一個(gè)典型例子。
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2,、電磁鉚接技術(shù)
h+ | T3 _% z2 W5 e" ?' _' j# z針對(duì)鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用范圍擴(kuò)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(kuò)展,，其成形機(jī)理完全不同于壓鉚,，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，由于加載速率高,，鉚接時(shí)鉚釘材料各方向流動(dòng)均勻且同步,，可以實(shí)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(guó)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(dòng)化緊固機(jī)制造商之一,，該公司生產(chǎn)的E4000機(jī)翼機(jī)是一臺(tái)立式鉚接/栓接機(jī)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能在一個(gè)地方完成所有的機(jī)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(shí)緊固件定位，然后把這塊板移到自動(dòng)鉚接機(jī)處,，這一過程通常要用到吊車并且可能會(huì)使板件變形,。而該機(jī)床本身可沿五座標(biāo)方向移動(dòng)并能把鉚釘固定安裝在部件上，不需要移動(dòng)組件,，并能在組件上方運(yùn)動(dòng)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(jī)翼大梁的兩個(gè)自動(dòng)化單元床身上安裝著由美國(guó)Electroimpact公司研制的電磁鉚接頭,。該公司還自行設(shè)計(jì)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(guó)的研究人員做了大量工作，如他們對(duì)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)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(duì)鉚接質(zhì)量的影響,，以此為根據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn),，使其電流脈沖持續(xù)時(shí)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(guó)對(duì)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(shí)間嚴(yán)格保密,。 4 [, n) W9 O, c* a
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3,、復(fù)合材料連接技術(shù) , z6 S5 O) L' {" t8 v
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(qiáng)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(qiáng)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?yàn)楦缮媪看髸?huì)對(duì)復(fù)合材料造成損傷，
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[影響] 9 V, i9 Z6 b( O8 O/ E' T/ o1 p ?
在航空器制造中,，先進(jìn)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(jìn)程度如何直接影響飛機(jī)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(gè)方面：
* g/ j, Q% N" I6 n( X% V% d7 a& \# T1、通過采用先進(jìn)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(qiáng)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(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的,。 6 D3 v! q7 `! y* {5 B* J; E% Z8 W
2、先進(jìn)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(dòng)化和半自動(dòng)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(duì)大型航空器的制造商來說,，要想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存必須采用的技術(shù),。
, Y+ Y4 q( B8 Y0 G! ~. _* T% u6 _3、采用先進(jìn)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(kuò)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(fèi)用,，而且大大減輕了重量,。
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7 b* o" U* l, g) I[技術(shù)難點(diǎn)] 2 g. \1 X, X+ I% s% A1 k
先進(jìn)的裝配連接技術(shù)的難點(diǎn)在于如何正確地確定使用哪一種連接能達(dá)到效率、性能,、費(fèi)用比最優(yōu),。另外一個(gè)難點(diǎn)是如何能最大限度地控制連接過程的質(zhì)量。針對(duì)這兩點(diǎn)進(jìn)行的前沿研究工作如下：
( m8 k. U! I4 x8 I* N1,、自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和自動(dòng)電磁鉚接系統(tǒng)應(yīng)用研究,；
% q0 t+ S) o0 [; C2、柔性自動(dòng)裝配集成系統(tǒng),、自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)應(yīng)用研究,； % o; c9 W; W" v
3、計(jì)算機(jī)虛擬連接裝配技術(shù)研究,； , o6 D6 A) X- t0 R' Y
4,、超聲波焊和微波焊接技術(shù)研究； # I, V" v9 L# v8 c
5,、精密連接技術(shù)及其自動(dòng)化,、機(jī)器人柔性連接技術(shù)應(yīng)用研究； 3 B6 g1 k! P" P7 i" s" a
6,、膠-鉚復(fù)合連接技術(shù)研究。
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% q! k r9 X; ]. X2 e先進(jìn)機(jī)械連接技術(shù)7 m9 V9 Q% J- v! X* U) s% m1 ~) e+ N
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" ] C& D5 Q8 }3 x' C4 } 現(xiàn)代飛機(jī)的安全使用壽命要求日益增長(zhǎng),，軍機(jī)壽命,、干線飛機(jī)壽命分別要求達(dá)到8000,、50000飛行小時(shí)以上，為了提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接的疲勞性能,，采用了長(zhǎng)壽命的干涉配合連接技術(shù),，并發(fā)展了相關(guān)的自動(dòng)化設(shè)備。
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�,。�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(shí)現(xiàn)精密制孔,。國(guó)外采用的先進(jìn)制孔設(shè)備除數(shù)控自動(dòng)鉆鉚機(jī)制孔外,，還有機(jī)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(jī)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(duì)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(xì)，采用了自動(dòng)化激光定位的精密數(shù)控制孔中心制孔,。
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�,。�2）為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高連接強(qiáng)度,，現(xiàn)代飛機(jī)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(guó)研制,、生產(chǎn)的緊固件主要有高強(qiáng)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),。- f3 V( y6 r+ ]8 R# B- `
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�,。�3）為了提高鉚接結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鉆鉚率,，擴(kuò)大自動(dòng)鉆鉚在飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中的應(yīng)用，尤其是對(duì)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(dá)國(guó)家的飛機(jī)連接裝配已由單臺(tái)數(shù)控自動(dòng)鉆鉚機(jī)的配置向由多臺(tái)數(shù)控自動(dòng)鉆鉚機(jī),、托架系統(tǒng)配置或由自動(dòng)鉆鉚設(shè)備和帶視覺系統(tǒng)的機(jī)器人、大型龍門機(jī)器人,、專用柔性工藝裝備及坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等多種設(shè)備,、不同配置組成的柔性自動(dòng)裝配系統(tǒng)發(fā)展。9 c$ X: L# C* p% ~4 T5 z
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�,。�4）電磁鉚接可進(jìn)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(shí)現(xiàn)均勻的干涉配合連接,，電磁鉚接自動(dòng)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(jī)上還配有伺服驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)探頭和攝像系統(tǒng),，以確定機(jī)床及產(chǎn)品的位置和檢測(cè)孔的質(zhì)量,，可對(duì)每根梁進(jìn)行自動(dòng)鉆孔、緊固件定位,、安裝和鉚接,。 |
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發(fā)表于 2008-12-27 09:05:42
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