先进的装配连接技术

先进的装配连接技术

英文名称：Advanced assembly & join technology

相关技术：总体设计技术；自动化技术；计算机应用技术；热处理技术

分类：制造；机械连接；装配连接；

定义与概念：

先进的装配连接技术指的是采用先进的机械方法、胶粘剂及热能或压力使工件及部件按要求准确定位并结合在一起的方法。

国外概况：

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*性，高性能航空器连接结构必须采用先进的连接技术，如先进焊接技术、胶接技术、扩散连接技术以及先进的机械连接技术。目前国外在装配连接技术上使用了激光辅助定位、计算机辅助光学经纬仪系统进行装配对接、应用计算机辅助钻削系统并采用机器人化的装配单元大大提高飞机结构抗疲劳性能，减少了操作人员数目，延长飞机的使用寿命。其主要的连接技术发展主要表现在以下几个方面。

1、自动钻铆技术

自动钻铆技术并不是一项新技术，但其发展一直未曾间断。国外目前现役军、民用飞机的自动钻铆系数分别达到17%和75%以上，大量采用无头铆钉干涉配合技术，新型紧固件有无头和冠头铆钉、钛环槽钉、高锁螺栓、锥形螺栓以及各种单面抽钉等，80%铆接和100%的不可卸传剪螺栓连接均采用干涉配合，而且孔壁还要进行强化。自动钻铆技术从70年代起就在国外普遍采用，如波音民机的壁板机铆系统已达60%-75%，麦道军机也已达17.5%，但是真正的全自动钻铆还需要解决工件定位和校平问题。近年来，铆接正向机器人和包含机器人视觉系统、大型龙门式机器人、专用柔性工艺装备、全自动钻铆机和坐标测量机组成的柔性自动化装配系统发展。如B767、B777采用了翼梁自动装配系统，提高效率14倍，费用降低90%，废品率降低50%。而且由于进一步的改进使钻铆工具能够到达以前难以达到的部位。如通过采用特制的紧固件，只在部件的单边需要工具，与通常的C型机在部件两边进行连接有所不同，克服了工具难以到达部位所产生的问题。另外，军用飞机和民用飞机在自动连接方面有所不同，民用飞机由于部件大、紧固件种类少较易实现自动化，而军用飞机由于部件尺寸小且复杂、紧固件种类多而较难实现自动化装配，如麦道军用飞机公司的紧

固件自动化装配程度只有大约17.5%，他们的努力的目标是达到20%。以F-18为例，把一纵梁连接到四分之一板上需要三种铆钉，每一种铆钉都需要重新安装工具，这样在安装工具上要花费很多时间，而且大多数自动化装配设备都是固定在车间内的，不仅大且不具备柔性，鉴于这种原因，促进了手动钻孔、手动铆接机等工具的使用范围。进一步发展的全自动化设备（CNC）不仅能进行定位而且还能完成钻孔-安装-镦粗工序，操作人员只需进行设备管理及工艺过程监控。一些更先进的CNC设备还可编程，根据装配件安装区域选择适当类型的紧固件。而以前使用的半自动化设备只能安装一种类型的紧固件。

各个公司应用CNC情况和部位有所不同。波音军用飞机的圣·路易斯工厂计划1999年在F-18E/F机翼使用第一台CNC机床进行紧固件安装以满足精密要求。波音民用飞机公司的大多数CNC设备用于757飞机结构件和蒙皮之间的连接。目前飞机装配面临的主要问题是铆钉的进给，较小的零件需要的铆钉更小，有些小得很难以一定的方向安装到孔中。例如，在雷神飞机公司使用的许多铆钉的长度和直径只有3/32英寸。雷神公司目前使用14台通用C 型机床和4台CNC机床用于安装工作，由于紧固件自动化安装的应用使原来每周安装5000个速度上升到每周100,000个。但雷神公司使用的CNC设备主要应用在次装配阶段，如纵梁、隔框和蒙皮的连接。在总装阶段，即机翼和机身和尾翼的连接没有应用自动化连接。据公司人员讲，在总装中只有民用机方面用了自动化连接。但在总装阶段采用自动化连接也是最终发展趋势。欧洲的空中客车公司已经在这方面先行一步了，美国在这方面也已做了不少的工作，波音公司的威奇托工厂已在737机身的总装上使用了自动化连接技术。但据GEMCOR公司权威人士讲，这种自动化的应用有时也会得不偿失，当进行高层次的装配时，结构件会更大，使工具进入也就更难，因此需要更加复杂和更昂贵的自动化设备，这时就不能仅为自动化而自动化，而应根据成本效益分析进行决策。GEMCOR公司生产的新型G2000就是开发出来专门用于高层次装配的产品，而且其成本又低。该机床为9座标机床，采用了高速伺服器和一台可视再同步系统，能在单机装载下装配180°机身部件，铆钉进给系统可*性达99.9%，该技术的开发是在发展自动化同时考虑成本效益的一个典型例子。

2、电磁铆接技术

针对钛合金在飞机结构上应用范围扩大，而钛合金铆接成本效益又差等原因，电磁铆接的使用也在逐渐扩展，其成形机理完全不同于压铆，它具有许多优点，由于加载速率高，铆接时铆钉材料各方向流动均匀且同步，可以实现比较理想的干涉配合连接，主要应用于钛合金、复合材料及厚夹层结构的铆接。国外应用电磁铆接始于70年代初，但由于涉及到高压的安全性问题，最初没有受到重视。目前使用的电磁铆接技术是由Electroimpact 公司的经理开发的一种低压型电磁铆接技术。Electroimpact 公司是目前世界上最大的自动化紧固机制造商之一，该公司生产的E4000机翼机是一台立式铆接/栓接机，其最大的优点是能在一个地方完成所有的机翼装配工作，并取消了全部的手工操作。一般的铆接过程要把所有的部件放在一块板上固定，然后手工钻孔并用临时紧固件定位，然后把这块板移到自动铆接机处，这一过程通常要用到吊车并且可能会使板件变形。而该机床本身可沿五座标方向移动并能把

铆钉固定安装在部件上，不需要移动组件，并能在组件上方运动并安装所有的铆钉和锁定螺栓。它还能安装绞接紧固件，并且取消了所有的定位紧固件。波音公司西雅图工厂装配机翼大梁的两个自动化单元床身上安装着由美国Electroimpact公司研制的电磁铆接头。该公司还自行设计和制造电容器组、控制器、有关的电子器件并编写相应的应用软件。在电磁铆接理论方面美国的研究人员做了大量工作，如他们对材料的动态力学性能进行了大量的理论分析和实验研究，得到了许多常用材料的合适的变形速率。研究了电容、电感等系统参数对铆接质量的影响，以此为根据对设备进行了改进，使其电流脉冲持续时间可调，以满足不同材料的铆接需要，从而使电磁铆接设备的柔性增大，应用范围更广。但美国对这一研究成果以及铆接设备内部如何调整电流脉冲持续时间严格保密。

3、复合材料连接技术

复合材料的连接一般采用胶接和共固化，由于复合材料层压板层间强度低、抗冲击能力差等原因，早期未采用干涉配合技术，到80年代研究表明复合材料结构采用干涉配合连接有利于提高接头强度。其解决的关键在于如何产生比较理想的干涉量而不损伤复合材料。因为干涉量大会对复合材料造成损伤，而干涉量小又会造成间隙配合。解决这一问题的办法是采用应力波铆接技术，即电磁铆接技术。这主要是因为电磁铆接不仅干涉量小且均匀，不会对复合材料造成伤害，电磁铆接属于冲击距离为零的脉冲加载，不会产生附加的安装损伤。此外，值得一提的是复合材料与金属材料的连接。这种连接要求钻头同时经过两种材料进行钻孔，一般情况下两种材料需要不同的钻头形状、不同的钻头材料以及不同的钻孔速度才能得到满意的结果。由波音公司开展的先进的机翼研究项目把这种连接从原来的三步简化到一步，节约了成本。该项目中的机翼为碳纤维复合材料和钛合金结构，其钻孔的路径是通过石墨环氧树脂蒙皮进入钛合金梁和肋。原来采用的三个步骤是：第一步用多晶金刚石钻头以高速钻透石墨环氧层，采用高转速的原因是如果钻孔的速率相对较高的话，进给速度也快，就会减少热量的产生，而多晶金刚石钻头的采用是由于埋在环氧树脂中的石墨纤维对刀具磨损很大，甚至碳化的钻头也会很快被磨损，而多晶金刚石钻头具有抗磨损能力强，一把钻头能钻几千个孔；第二步是用渗碳的钻头以低速穿过石墨环氧树脂层孔对钛合金进行钻孔，而钛合金钻孔技术与石墨环氧树脂复合材料正好相反，其通常用碳化的钻头进行钻孔，而且钛合金对钻孔速度相当敏感，速度稍有增加就会使钻头寿命大大降低。这主要是由于钛合金散热性差且易和其它材料产生粘结，尤其是碳，而多晶金刚石材料里的碳会扩散到钛合金中形成碳化钛，因此尤其不能使用多晶金刚石刀具，否则会造成钻头寿命降低，另外，钻头的几何形状设计也很重要，形状设计对钻头寿命的影响相当大；最后一步是用碳化的铰孔钻和多晶金刚石扩孔钻组成的一把工具按照规定尺寸进行扩孔，并在石墨环氧树脂表面埋孔以便和螺头配合。这样采用三步的方法进行复合材料与钛合金的连接不仅费时而且成本高。因此，波音公司正在开发一种新技术来改变工艺方法，用一种新型钻头和一种新方法以及一道工序就可以钻机翼上总共8000个孔。这种新方法要克服石墨环氧树脂与钛合金之间的矛盾需要大量在钻削过程中有关钻头的性能。波音公司还需要描述各种钻头形状、轴和进给速率、以及在钻削过程中其它各种致密填料的影响的一些经验数据。为此，波音公司在数据采集方面使用了Concurrent公司的6450计算机，数据采集系统提供模拟数字转换的16个通道，最高