CN104741651A - 用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，它包括：在使用自动钻铆系统进行试验加工之前，首先利用已有的数控加工设备进行实验，并得出相应的实验加工参数；参考所述实验加工参数而将其应用于自动钻铆系统中进行制孔试验，以得出自动钻铆系统最佳的制孔加工参数。通过本发明的一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，对垂尾试验件和垂尾产品进行了测试加工，加工结果符合检验要求，钻孔质量相对于人工加工也有很大提高，同时加工效率得到了显著提高，实现了垂尾部件连续，高效，高精度的加工。

Description

用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法

技术领域

本发明涉及飞机制造技术领域，具体涉及一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法。

背景技术

在飞机制造中，装配连接质量直接影响飞机结构抗疲劳性能与可靠性，而飞机结构所承载荷通过连接部位传递，形成连接处应力集中。据统计80％的疲劳裂纹产生于连接孔处，因此连接质量极大地影响着飞机的寿命，而手工钻铆难以保证寿命要求。自动钻铆可以很好的克服传统手工钻铆生产效率低和制孔质量难于保证的问题。

但通过实际应用发现，因设备主轴跳动率误差、六轴综合误差、坐标精度误差以及环境因素等影响，要在产品上钻制高精度的H9或是更高精度H8的制孔效果，显得极为困难，使最终设备利用率受到极大影响。因此，通过配置合理的加工参数，使之实现最初的加工目的，显得尤为重要。

自动钻铆系统可由X轴导轨系统、KUKA机器人、单任务终端执行器、真空除屑系统、自动钻铆控制系统、刀盘装置和离线编程系统组成；具备自动钻孔、绞孔、锪窝、换刀、排屑、打标识点等功能。

因自动钻铆系统采用的是机械臂式结构，其结构刚度相对于数控机床系统要差很多，导致了其在加工的过程中，如果受到过大的切削力作用，可能会发生抖动现象，导致钻孔质量下降；同时因自动钻铆系统的钻孔主轴的扭矩，功率等，与数控机床所使用的加工主轴相比，都有所不如，使其无法在较高的转速与进给的情况下保证加工精度；这些由加工系统本身所带来的不足，使得不得不从加工参数和加工流程上进行考虑，选择有别于常规数控机床的加工参数和有针对性的加工流程，从而达到能最终满足加工要求的工艺方案。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，用于实现机器人稳定，连续，高效地加工。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，它包括：

在使用自动钻铆系统进行试验加工之前，首先利用已有的数控加工设备进行实验，并得出相应的实验加工参数；

参考所述实验加工参数而将其应用于自动钻铆系统中进行制孔试验，以得出自动钻铆系统最佳的制孔加工参数。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，通过已有的数控加工设备得出的相应的实验加工参数包括：

根据本发明的另一个实施方案，对于自动钻铆系统中刀径为4.16mm的刀具的加工参数的确定包括：

首先将加工转速分为4000rpm、4500rpm、5000rpm、5500rpm、6000rpm、6500rpm、7000rpm、7500rpm、8000rpm，将进给速度分为0.04mm/rpm、0.05mm/rpm、0.06mm/rpm、0.07mm/rpm、0.08mm/rpm、0.09mm/rpm、0.1mm/rpm，然后试验在4000rpm情况下，观看不同进给速度的钻孔质量；之后继续试验其他转速情况下不同进给速度的钻孔质量，将每次的实验结果，以及钻孔质量做出记录，通过对比，寻找出孔壁质量、孔径精度、切屑质量较高，出口毛刺较少的那一组参数，就是适用于4.16刀径的机器人加工铝板的加工参数。

根据本发明的另一个实施方案，应用该权利要求3所述的方法以确认加工4.16刀径复材板，5.05刀径铝板、复材板，6.6刀径铝板、复材板的自动钻铆系统加工参数。

根据本发明的另一个实施方案，三种刀径的参数确定包括：在加工铝合金时，三种刀径的加工参数均为4000rpm，进给为200mm/min；在加工复合材料板时，三种刀径的加工参数均为3000rpm，进给为100mm/min；而在实际操作中，则根据自动钻铆系统针对材质的变化，转数和进给量是可变的调控功能，在NC程序中预先进行设置，确保了加工参数在加工过程中得到实际体现。

本发明还可以是：

根据本发明的另一个实施方案，利用自动钻铆系统本身所具备的封闭区自吸尘装置、以及进给量可控装置，依据刀具上产生铝屑的钻尖高度值，完成相应的进给量后，钻头往后退出一段距离，退刀后就形成一个断屑过程，而在这个过程中所产生的铝屑长度和大小均能通过刀具自带的退屑槽进行正常排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，加工结果符合检验要求，钻孔质量相对于人工加工也有很大提高，同时加工效率得到了显著提高，实现了垂尾部件连续，高效、高精度的加工。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，它包括：

在使用自动钻铆系统进行试验加工之前，首先利用已有的数控加工设备进行实验，并得出相应的实验加工参数；

参考所述实验加工参数而将其应用于自动钻铆系统中进行制孔试验，以得出自动钻铆系统最佳的制孔加工参数。

本实施例对不同材质叠层结构自动化制孔加工参数选择研究，就是为了得到一个合理的参数，应用于自动钻铆系统，使机器人能够自动加工出符合检验要求的孔位和高精度制孔质量，并最终实现机器人稳定，连续，高效地加工。

以及利用自动钻铆系统本身所具备的封闭区自吸尘装置、以及进给量可控装置，依据刀具上产生铝屑的钻尖高度值，完成相应的进给量后，钻头往后退出一段距离，退刀后就形成一个断屑过程，而在这个过程中所产生的铝屑长度和大小均能通过刀具自带的退屑槽进行正常排出。

具体地，自动钻铆系统在一定程度上跟数控加工机床有很多的共同点，所以在使用自动钻铆系统进行试验加工之前，首先利用已有的数控加工设备进行大量的实验，最终根据现有数控机床的实验结果，在使用数控机床加工铝合金时，一般保证刀具的线速度为160m/min，进给速度为0.05～～0.1mm/rpm；加工复合材料时的刀具线速度为120m/min,进给速度保持在0.02～～0.04mm/rpm。根据转速的计算公式n＝v/2Rπ(其中，n为刀具转速，v为刀具线速度，R为刀具半径)，因自动钻铆系统在系统稳定性，结构刚性，主轴功率等方面与数控相比有一定的差异，所以在选用试验参数时，以适合数控机床加工的参数的一般数值为标准来进行试验。

确定的试验参考参数为：

根据上述计算结果，使用控制单一变量的方法来确定加工试验方案，分别在铝合金以及复材测试试验板上进行参数试验。

对于刀径为4.16的刀具，首先将加工转速分为4000rpm，4500rpm，5000rpm，5500rpm，6000rpm，6500rpm，7000rpm，7500rpm，8000rpm等9个等级，然后将进给速度分为0.04mm/rpm、0.05mm/rpm、0.06mm/rpm、0.07mm/rpm、0.08mm/rpm、0.09mm/rpm、0.1mm/rpm等7个等级，然后试验在4000rpm情况下，不同进给速度的钻孔质量(钻孔质量的检测包括孔壁质量，出口毛刺，孔径精度，切屑质量)；之后继续试验其他转速情况下不同进给速度的钻孔质量。将每次的实验结果，以及钻孔质量做出记录，通过对比，寻找出孔壁质量，孔径精度，切屑质量较高，出口毛刺较少的那一组参数，就是适用于4.16刀径的机器人加工铝板的加工参数。

同样使用这种方式，确认加工4.16刀径复材板，5.05刀径铝板、复材板，6.6刀径铝板、复材板的机器人加工参数。

根据这种试验加工方案，最终确定在加工铝合金时，三种刀径的加工参数均为4000rpm，进给为200mm/min；在加工复合材料板时，三种刀径的加工参数均为3000rpm，进给为100mm/min。而在实际操作中，则根据自动钻铆系统针对材质的变化，转数和进给量是可变的调控功能，在NC程序中预先进行设置，确保了加工参数在加工过程中得到实际体现。

同时通过已得到的加工参数可以很明显的看出，自动钻铆系统与数控机床加工在加工参数上的不同。数控机床在进行加工时，其加工参数不会保持一致，会根据刀具直径的不同，出现一定的变化；而自动钻铆系统，在不同刀径参数下，得出的最佳加工参数都是一致的。

而在实际加工中，铝屑形成的大小、长短，刀具排屑槽的容屑率以及能否正常排屑，都会对叠层材质的复材蒙皮上已制孔精度带来影响，有时严重时甚至会出现卡刀现象，造成刀具在制孔过程中断裂。因此如何更好确保加工过程中短小的铝屑正常、均衡排出，也成为亟待解决的问题。对此，利用自动钻铆系统本身所具备的封闭区自吸尘装置，以及进给量可控装置，在原有一次性完成制孔的步骤基础上进行完善，提出了类似于“啄钻”的“进二退一”的加工步骤。该步骤实际运动轨迹是：依据刀具上产生铝屑的钻尖2mm高度值，完成2mm的进给量后，钻头往后退出1mm，退刀后就自然形成一个断屑过程，而在这个过程中所产生的铝屑长度和大小均能通过刀具自带的退屑槽进行正常排出，不会因铝屑的大小、长度等问题而在退屑槽中形成屑瘤(注：加工对象一般为叠层材质的，加工总厚度等于或大于刀具刃口长度)，从而不会对孔壁进行挤压和对已制孔精度产生影响，也不会因屑瘤等原因使刀具在加工过程中产生断裂。

本实施例的自动钻铆系统可应用在某型机的翼面类部件之上，在该类部件中，又以垂尾部件最具有代表性。垂尾部件是典型的翼面类部件，其所需要加工的孔位全部都处于连接区域，而这些区域的材料组成结构就是复材和铝板的叠层结构，就以垂尾部件为突破口为例，在经过反复工艺摸索，并结合大量理论推算和试验数据总结后，针对钻铰锪一体加工刀具的几何参数，对原有的碳纤维复合材料叠层材质的加工工艺参数，以及工艺方法进行了协调改进创新，使某型机垂尾复材部件的高精度制孔质量有了一个质的飞跃。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，其特征在于它包括：

在使用自动钻铆系统进行试验加工之前，首先利用已有的数控加工设备进行实验，并得出相应的实验加工参数；

参考所述实验加工参数而将其应用于自动钻铆系统中进行制孔试验，以得出自动钻铆系统最佳的制孔加工参数。

2.根据权利要求1所述的用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，其特征在于通过已有的数控加工设备得出的相应的实验加工参数包括：

3.根据权利要求1或2所述的用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，其特征在于对于自动钻铆系统中刀径为4.16mm的刀具的加工参数的确定包括：

首先将加工转速分为4000rpm、4500rpm、5000rpm、5500rpm、6000rpm、6500rpm、7000rpm、7500rpm、8000rpm，将进给速度分为0.04mm/rpm、0.05mm/rpm、0.06mm/rpm、0.07mm/rpm、0.08mm/rpm、0.09mm/rpm、0.1mm/rpm，然后试验在4000rpm情况下，观看不同进给速度的钻孔质量；之后继续试验其他转速情况下不同进给速度的钻孔质量，将每次的实验结果，以及钻孔质量做出记录，通过对比，寻找出孔壁质量、孔径精度、切屑质量较高，出口毛刺较少的那一组参数，就是适用于4.16刀径的机器人加工铝板的加工参数。

4.根据权利要求3所述的用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，其特征在于应用该权利要求3所述的方法以确认加工4.16刀径复材板，5.05刀径铝板、复材板，6.6刀径铝板、复材板的自动钻铆系统加工参数。

5.根据权利要求2所述的用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，其特征在于三种刀径的参数确定包括：在加工铝合金时，三种刀径的加工参数均为4000rpm，进给为200mm/min；在加工复合材料板时，三种刀径的加工参数均为3000rpm，进给为100mm/min。

6.根据权利要求1所述的用自动钻铆系统对不同材质叠层结构制孔的方法，其特征在于利用自动钻铆系统本身所具备的封闭区自吸尘装置、以及进给量可控装置，依据刀具上产生铝屑的钻尖高度值，完成相应的进给量后，钻头往后退出一段距离，退刀后就形成一个断屑过程，而在这个过程中所产生的铝屑通过刀具自带的退屑槽排出。