自动钻铆技术的应用和无头铆钉安装.pdf

FORUM论坛航空制造技术2007年第9期目前，世界航空制造业中铆接的机械化和自动化已成为铆接技术发展的必然趋势，自动钻铆机无疑是这一发展趋势的标志。铆接的机械化、自动化，不仅能够大大提高生产效率，更重要的是能显著提高产品的铆接质量。在国外，早在上世纪50年代初就已经在飞机铆接装配生产线上应用了自动钻铆机。经过50年的发展，世界各航空制造业发达国家都已广泛采用了该项技术。例如，F-15、B-747大量采用钛合金无头铆钉，基本上全部用自动钻铆机铆接，只是在确实无法上机铆接的特定区域才采用手铆或其他方式铆接。据有关资料统计报道，B-747机铆率达62%，伊尔86的机铆率达54.5%，空中客车A300机铆率为45%。随着自动钻铆机技术的不断提升和发展，机器的功能也不断完善，目前民用飞机的机铆率可高达90%以上，据报道，美国波音767机身的机铆率高达97%左右。随着计算机技术的快速发展，钻铆自动化已经从单台数控钻铆机向多台自动钻铆机联动集控，或通过钻铆装置、托架、铆钉传送装置、真空吸屑装置、传感控制装置等组成的计算机集成控制的柔性自动装配系统方向发展，这一阶段开始出现了带有机器人特征的智能自动装配单元。据国外专家介绍，美国波音公司在波音767机翼的装配制造中便采用了由4台自自动钻铆技术的应用和无头铆钉安装动装配机组成的翼梁自动装配系统，该系统能自动定位零件、自动确定孔位，自动测厚，自动钻铆，单个连接点的工作循环只需8s。由此可见，飞机的装配制造技术已经开始进入了数字化时代。我国自动钻铆技术起步较晚，在90年代初期才开始引进、应用该项技术。目前，仅有部分航空制造公司拥有开发、应用该项技术的基础，而且成都飞机工业(集团)有限公司民机公司李少波陈翔鹏目前，世界航空制造业中铆接的机械化和自动化已成为铆接技术发展的必然趋势，自动钻铆机无疑是这一发展趋势的标志。铆接的机械化、自动化，不仅能够大大提高生产效率，更重要的是能显著提高产品的铆接质量。李少波高级工程师，毕业于南京航空航天大学飞机制造专业，现为成都飞机工业集团公司民机公司技术副经理，长期从事民用飞机及转包生产项目的装配技术工作和管理。50无头铆钉自动钻铆工具航空专用设备SpecialEquipmentforAviationIndustry航空制造技术2007年第9期在装配生产中也只是部分应用，使用面还不是很广泛，铆接结构的机铆率还不到30%。中国一航成都飞机工业（集团）有限公司，早在1993年就开始正式引进自动钻铆机，通过多年艰难摸索和不懈努力，在自动钻铆技术的开发和应用方面取得了长足的进步，也积累了不少经验。从1999年至今，已经先后在民机转包生产线上顺利完成了B-757飞机垂平尾蒙皮壁板、大梁组件以及B-757飞机机身48段中小型双曲面蒙皮壁板的自动钻铆，工艺和质量控制均获得了美方的认证，产品的加工质量和生产能力也得到客户的好评。随着国内大飞机项目的启动，一些装配工艺技术难题的解决已迫在眉睫，无头铆钉的自动钻铆技术就是其中之一。凭借在自动钻铆技术方面的实践经验和相对的比较优势，一航成飞在国内众多的飞机制造工厂中被挑选出来进行ARJ21机翼无头铆钉自动钻铆试验件的加工制造。但无头铆钉的自动钻铆对于成飞公司来说也是一项全新的拓展应用技术，在国内尚无先例，具有较大的难度。1产品结构特点此项试验件是机翼壁板典型结构，由蒙皮和Z字形长桁组成，结构简单，适合进行自动钻铆，所采用的连接件为NAS1321AD8E无头铆钉,试验件要用于结构强度和疲劳试验。由于此前国内尚无无头铆钉自动钻铆的先例，因此，这是此次试验的重点和难点。2连接件的特点无头铆钉是一种没有铆钉头的实心圆杆干涉铆钉，它具有以下优点:(1)铆接后沿铆钉杆全长可形成较均匀的干涉配合，成倍地提高连接结构的疲劳寿命；(2)采用无头铆钉干涉配合的铆接，能够可靠地保证铆钉自身的密封性。无头铆钉的埋头窝制成82和30两个锥度，采用这种形状的好处是:(1)既能保证铆钉具有一定的连接强度，埋头窝的锥度又比较小，这样易于填满埋头窝，保证密封性能和干涉配合均匀；(2)可以减少压铆力，如果压铆力太大，铆钉容易出现裂纹，且易引起工件变形。无头铆钉由于其铆接过程的特殊性和复杂性，技术标准极其严格，用自动钻铆机来安装无头铆钉是最佳的选择。本次试验件的紧固件安装采用自动钻铆机，自动钻铆机由机械、液压、电气三大部分组成。该设备具有个工作头：钻孔工作头、铣切工作头、密封工作头和铆接工作头。每个工作头都可以通过操作台单独设置程序进行循环周期运行。其循环工作周期有6个，即：钻孔周期、铆接周期、铣切周期、HI-LOK周期、HUCK周期、振动周期。每个周期之间也可通过操作台设置复合程序进行复合周期运行。该设备具备无头铆钉铆接功能以及相关的工具和配件。在产品钻孔铆接过程中，自动钻铆机可一次完成夹紧、钻孔-锪窝、去毛刺、密封、送钉、插入和铆接等工序。以上各工序的加工参数都可以通过操作面板精确设置，由于设备带有较高精度的钻孔动力头，能钻出较高精度的孔，锪窝的调节深度和窝深重复精度均可控制在0.0005英寸(0.0127mm)范围内。加之设备由51自动钻铆机设备情况工艺分析和准备无头铆钉制孔连接示意图821301孔径锪窝深度板厚C机械铣平铆成头无头铆钉倒角.010FORUM论坛航空制造技术2007年第9期PLC(程序逻辑控制)系统控制着运行程序，通过操作面板的设置开关对铆钉的压铆力进行精确设置，从而能保证铆钉铆头外形、镦头直径大小高度一致，而且工作速度快(一个工作周期时间不超过5s)。此外，该系统配备有铆钉自动送给装置、激光辅助定位装置以及油温、气压、液压等9项报警系统，对操作者来讲极为方便。在自动钻铆机钻孔、铆接过程中，由于钻孔时结构件处在较高的夹紧力下，结构之间不会产生毛刺和铝屑进入，减轻了疲劳载荷下发生磨损腐蚀损伤程度，有利于提高产品的疲劳强度。与传统手动铆接方式相比，自动铆接不仅铆接质量高，而且工作稳定，可使人力节省75%，时间节省72%。(1)按技术标准ZS5076260A中的参数要求,选择与产品材料、厚度相同的试片进行钻孔试验。无头铆钉与钉孔的配合公差要求比普通铆接严得多,钉杆与孔的间隙仅为0.030.15mm,当间隙超过0.25mm时,就难以形成较好的干涉配合；钉孔表面粗糙度应比普通铆接好；孔壁容许的划伤深度为0.04mm,在接近零件表面处不允许有划伤，这些划伤虽然不52影响干涉量,但裂纹会降低疲劳寿命和气密性能。根据以上要求,通过对自动钻铆机的钻头转速、锪窝深度、进刀速度等参数的反复调节和钻孔试验,用82-30-(8)-SR窝径量规测量制孔质量，通过反复调试获得最佳的工艺参数。(2)钻孔试验完成后，开始进行铆接试验。无头铆钉的自动钻铆有分步挤压法和同步挤压法两种方式。分步挤压法的要点是在铆接阶段下部铆模先挤压镦头部分，然后进行第二次挤压使钉头部分成形；同步挤压法的要点是在铆接阶段上部铆模和下部铆模同时作用，使铆钉钉头和镦头一起成形。我们使用的G4026SXX-144型自动钻铆机采用的是分步挤压法。在确定了自动钻铆挤压方式后，用试片进行铆接试验。由于采用分步挤压方式，对无头钉铆接效果产生直接影响的参数主要是机器的压铆力和增压缸的增压时间（即二次挤压的时间）。自动钻铆机下部液压作动筒产生向上的压铆力用来控制无头钉镦头的成形，增压缸则通过内部活塞的行程产生向下的挤压力使无头钉的钉头成形，而增压缸的增压作用时间则直接影响无头钉的钉头的膨胀量。通过不断对机器的压铆力以及增压缸的调节，最终得出了满足铆接要求的加工参数。为了进一步证实所选择参数的正确性，对铆接后的试片进行了分解，取出铆接后的铆钉，通过对其膨胀量的测量，确定它的干涉量在1.53之间，完全满足干涉配合的要求。通过试验件的加工，不仅圆满地完成了民用飞机ARJ21的设计试验任务，还使自动钻铆技术的应用水平得到考验和提升，不仅拓展了自动钻铆技术的应用领域，而且填补了国内无头铆钉自动钻铆技术的空白。从近期看，无头铆钉因其技术经济性