[发明专利]一种用于飞机机身叠层结构机器人化螺旋制孔方法

说明书

技术领域

本发明属于飞机数字化装配自动制孔领域，具体涉及一种用于飞机机身叠层结构机器人化螺旋制孔方法与系统。

背景技术

CFRP与铝合金、钛合金等轻质合金叠层构件以其优异的轻质、高强度、耐腐蚀等综合性能而被广泛用于飞机机翼、中央翼盒、机身等部件。此类叠层构件给航空工业发展带来新机遇的同时，其加工困难和相关研究也备受国内外学者的高度关注。相关研究成果表明，如何减小钻孔轴向力、合理控制钻削温度，实现CFRP/轻质合金叠层构件少无缺陷高效制孔，一直是航空叠层构件的加工难题。

以传统钻削加工以钛合金与CFRP组成叠层结构时，由于CFRP与钛合金有着截然不同的机械性能和热性能，而且钻削CFRP时刀具磨损机理完全不同于钻削钛合金，以一种刀具材料、同一几何结构参数的钻头进行叠层构件一体化制孔，必然会加速刀具磨损，影响孔的加工质量，而且叠层构件的层间突变，常常会导致进贴合面处产生严重的制孔缺陷。尤其随着叠层构件连接孔的厚度和直径不断加大，排屑、散热、刀具磨损等影响钻孔质量的问题变得更加突出。

新兴的螺旋铣孔能大幅度降低制孔轴向力，其敞开式切削也便于排屑与散热，因而在抑制CFRP、钛合金单板制孔的缺陷方面具有明显优势，但为了降低制孔切削力且提高孔加工质量，现有螺旋铣孔普遍采用小螺距进给(轴向进给螺距小于0.5mm)，这会严重影响着叠层构件螺旋铣孔的加工效率。从轴向进给螺距p 影响加工设备性能来看，目前此类设备主要有机床和螺旋铣孔装置两种。对机床而言，螺旋铣孔的公转运动通常是由工作台和主轴协同实现，制孔刀具不会受到离心力作用。螺旋铣孔装置通常由刀具公转机构、刀具自转机构、轴向进给机构、公转半径调节机构组成，其公转运动则是由装置自身独立产生，因而装置的旋转组件会受到一个周期性变化的离心力作用，从而引发装置整机一定的受迫振动。当采用小螺距进给p、高公转速度n设计螺旋铣孔装置时，该装置因旋转组件的质量偏心容易产生旋转失衡，带来设备振动，引起轴承、联轴器等零件过早损坏。因此，当将螺旋铣孔工艺应用于机身叠层结构机器人化螺旋制孔系统时，从保证自动制孔系统加工稳定性出发，螺旋铣孔宜采用大螺距进给。

发明内容

本发明要解决的技术问题是飞机机身结构叠层装配的大直径连接孔加工难以采用传统钻削制孔，以及现有以小螺距进给存在加工叠层结构效率低和不利终端制孔执行器与机器人平台装接等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于飞机机身叠层结构机器人化螺旋制孔方法，其应用于机器人化螺旋制孔系统，包括以下步骤：

(1)根据刀具直径和机身叠层结构上的待制孔直径，将刀具公转半径e调至所需的设定值；

(2)刀具以匹配顶层构件材料的高自转转速n_s1、低公转转速n_ω1和大进给螺距P₁，对顶层构件进行螺旋制孔；

(3)在机身叠层结构分界面处，将刀具的高自转转速、低公转转速、大进给螺距由匹配顶层构件材料的n_s1、n_ω1、P₁调至匹配底层构件材料的n_s2、n_ω2、 P₂；

(4)刀具以匹配底层构件材料的高自转转速n_s2、低公转转速n_ω2和大进给螺距P₂，对底层构件进行螺旋制孔；

其中，所述机身叠层结构由顶层构件和底层构件叠层而成，所述顶层构件材料为碳纤维复合材料，所述底层构件材料为钛合金或铝合金，所述大进给螺距 P₁和大进给螺距P₂为刀具公转一圈时的轴向进给量；对底层构件进行螺旋制孔时，所述大进给螺距P₂不小于1mm；对顶层构件进行螺旋制孔时，所述大进给螺距P₁不小于0.5mm。

进一步地，所述高自转转速n_s1、n_s2和低公转转速n_ω1、n_ω2需满足以下条件：

其中，T为机身叠层结构制孔的最佳时间，δ₁为顶层构件的厚度，δ₂为底层构件的厚度，M为螺旋制孔执行器工作偏心质量，F为引起机器人化螺旋制孔系统发生切削颤振的临界力，所述螺旋制孔执行器为机器人化螺旋制孔系统的执行机构。