飞机数字化装配制孔错孔机理与工艺控制方法

Aiming at the development and production requirements of a major aircraft, the project focuses on the stack drilling process in digital assembly for fuselage. It is well-known that current stack drilling process encounters great difficulties of unclear theoretical explanation and experience-based control of non-coaxiality defects of hole. This project attempts to explore the mechanism and control method of the non-coaxiality defects in drilling process after intensive theoretical and experimental study. Through quantitative analysis of the deformation behavior of the typical stacked components during automatic drilling process, it is possible to discover the laws of generation and transformation of inter-layer gaps. This benefits to obtain essential knowledge of occurence and evolution of non-coaxiality of hole. Furthermore, this project addresses the theoretical issues of the non-coaxiality defects, such as pattern, formation, inherient characteristics and influencing factors by changing the stacked materials and process parameters. As a result, the quantitative expression of the non-coaxiality of hole is proposed. The formation mechanism and the influencing principles of non-coaxiality are also discovered. Some effective control methods and parameters optimization are then presented. Finally, some drilling experiments and application tests are conducted to demonstrate and improve the theoretical works. This aims to build the fundamental theory, techanical control methods and industrial application rules. It is expected that the project achievements will accelerate the development of drilling theory and technology in digital assembly for aircraft, and find wide and important industrial applications.

本项目面向国家国防重大型号项目应用需求，以飞机机身部件数字化装配制孔为应用背景，针对目前错孔缺陷理论研究匮乏、实际生产完全依靠经验控制的问题，提出对飞机数字化装配制孔的错孔机理和工艺控制方法进行深入的理论分析和实验研究。通过定量分析飞机叠层构件在自动化钻削制孔工况下的变形行为，探索层间间隙的产生和变化规律，用以在根本上了解错孔的发生和发展过程。进而研究不同叠层结构、不同钻削制孔工艺参数条件下错孔缺陷的表现形式、形成过程、本质特征和影响因素，建立错孔缺陷的定量描述方法，揭示错孔缺陷形成机理和主要影响因素及规律，提出有效控制错孔缺陷的工艺措施与参数优化方法，并通过实验研究和模拟件应用测试，验证和完善错孔缺陷的理论分析模型，旨在建立飞机数字化装配制孔中错孔缺陷的基本理论、工艺控制方法及工程应用规范，显著提高制孔质量和效率。本项目成果将促进飞机数字化装配制孔理论与技术的发展，具有重要应用价值。

叠层制孔容易产生层间间隙，从而引起层间毛刺和叠层错孔，严重影响叠层制孔质量和配合性质，甚至可能导致连接件无法装入叠层孔中。目前层间间隙研究匮乏，对叠层错孔的研究更是鲜有报道，因此本项目面向国家国防重大型号项目应用需求，以某型号飞机中机身数字化装配制孔为应用背景，对叠层构件自动化制孔过程中的层间间隙与叠层错孔进行了深入的理论和实验研究。. 首先通过叠层制孔的二维简化力学建模与分析以及三维有限元仿真，揭示了叠层错孔的产生机理和形成原因，即力致错孔和热致错孔，前者由钻削力和压紧力引起的叠层结构不均匀弹性变形，后者为上下层材料在切削热作用下产生不均匀热膨胀，冷却后孔壁收缩量不同而引起台阶状错孔，由此定义了三种错孔形式，建立了定量描述错孔的方法。然后针对Al/Al、CFRP/Al、CFRP/Ti三种叠层类型，平面板叠层、平面和曲面板框架结构三种叠层结构，利用所建立的二维和三维叠层制孔分析模型，研究了各层零件的变形行为和叠层结构层间间隙及错孔变化规律，定量分析了叠层结构类型、钻削力、压紧力、拉钉布局、钻削温度对错孔的影响。结果表明，力致错孔对钻削力和拉钉间距的敏感度远大于压紧力，且钻削力和拉钉间距之间存在耦合作用，而热致错孔主要取决于金属层的钻削温升。在此基础上，建立了错孔预测模型，给出了控制错孔的优化工艺参数。为了验证理论研究和仿真分析结果，本项目利用叠层制孔实验平台和中机身数字化装配制孔设备开展了深入的叠层制孔错孔研究实验和模拟件试切实验，进一步完善了错孔理论，优化了工艺控制方法及参数。. 本项目研究成果在叠层错孔的定量化描述、产生机理、层间间隙与错孔规律、拉钉作用机制、错孔工艺控制方法等方面取得了创新性成果，并已应用于某型号中机身数字化装配系统，解决了以前完全依靠人工经验来控制错孔、制孔质量难以保证、制孔效率低的问题。目前该系统已完成多架次型号产品生产，将在今后的产品生产中发挥更大作用。