飞机制造中的装配连接

东北大侠

飞机制造中的装配连接
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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，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。
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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，铆钉进给系统可靠性达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。
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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。

+ s( ?4 b. I' }# G3、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，
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3 ^9 C2 t2 Z7 G+ N6 o$ N! x[影响]
在航空器制造中，先进的装配连接技术在生产和质量控制中起到关键的作用。由于连接种类繁多，根据装配要求不同选择哪一种连接方法、其先进程度如何直接影响飞机结构抗疲劳性能与可靠性。具体影响体现在以下几个方面：
0 J; M4 x0 R5 Z- {' |( N* g5 y1、通过采用先进的连接技术可提高航空器使用寿命，如采用干涉配合铆接、电磁铆接、新型紧固件、孔挤压强化技术等来提高连接结构的抗疲劳性能与可靠性，从而达到延长使用寿命的目的。
4 P5 J! A9 h. J# M: p* a2、先进的装配连接技术可缩短航空武器装配的生产周期，提高生产效率。如前所述采用自动化和半自动化连接技术可提高工作效率十几倍，甚至二十几倍，大大减少操作人数和工作量，而且连接质量也有所提高，这对大型航空器的制造商来说，要想在激烈的市场竞争中生存必须采用的技术。
7 E4 L1 I' f( \) N$ ~- x$ m3、采用先进的连接技术可降低航空武器装备的成本并减轻重量。采用扩散连接、蜂窝胶接及共固化连接、高能束焊接技术不仅可节省紧固件研制生产费用，而且大大减轻了重量。


[技术难点]
先进的装配连接技术的难点在于如何正确地确定使用哪一种连接能达到效率、性能、费用比最优。另外一个难点是如何能最大限度地控制连接过程的质量。针对这两点进行的前沿研究工作如下：
, G% L' ^, e6 v1 R3 V6 |1、自动钻铆系统和自动电磁铆接系统应用研究；
% T+ h; F' j! m% }! Q) y2、柔性自动装配集成系统、自动钻铆系统应用研究；
3、计算机虚拟连接装配技术研究；
4、超声波焊和微波焊接技术研究；
8 z, F/ @: W E5、精密连接技术及其自动化、机器人柔性连接技术应用研究；
6、胶-铆复合连接技术研究。
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, B* X. [: w" \9 O! x先进机械连接技术
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　　现代飞机的安全使用寿命要求日益增长，军机寿命、干线飞机寿命分别要求达到8000、50000飞行小时以上，为了提高飞机结构连接的疲劳性能，采用了长寿命的干涉配合连接技术，并发展了相关的自动化设备。

" p; @' Y1 v7 |8 M$ x　　（1）为了消除制孔缺陷引起的应力集中，采用了光洁制孔技术，实现精密制孔。国外采用的先进制孔设备除数控自动钻铆机制孔外，还有机器人制孔、带激光引导的精密数控制孔中心。例如，F-16的垂尾石墨/环氧复合材料蒙皮采用了机器人制孔，不仅保证了制孔质量，提高了制孔效率，还避免了石墨粉尘对操作人员的损害；F-22部件装配采用快速装配技术，要求制孔精度更高、质量更精细，采用了自动化激光定位的精密数控制孔中心制孔。
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3 X; s, ~% M, R. i- i　　（2）为了减轻结构重量，提高连接强度，现代飞机所用紧固件大量采用钛合金、新型铝合金紧固件及干涉连接件。美国研制、生产的紧固件主要有高强紧固件、钛紧固件、防腐紧固件和特殊用途紧固件；着重开发复合材料结构用紧固件系统，如铆接用钛铌铆钉系列产品，轻型钛高锁螺栓，钛环槽钉及干涉钛环槽钉系统，钛合金单面螺纹抽钉、干涉抽钉、特大夹层（3.5mm）抽钉系统，用于蜂窝结构的可调预载紧固件系统、复合材料紧固件系统。
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$ G* w/ l% z6 q1 i2 ^5 a　　（3）为了提高铆接结构的自动钻铆率，扩大自动钻铆在飞机结构连接中的应用，尤其是对大型复杂结构件和不开敞难加工部位的装配，发达国家的飞机连接装配已由单台数控自动钻铆机的配置向由多台数控自动钻铆机、托架系统配置或由自动钻铆设备和带视觉系统的机器人、大型龙门机器人、专用柔性工艺装备及坐标测量机等多种设备、不同配置组成的柔性自动装配系统发展。
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) L+ K; y0 `8 z( H+ {0 M　　（4）电磁铆接可进行难成形材料、大直径及厚夹层的铆接，可以在结构上实现均匀的干涉配合连接，电磁铆接自动化设备已用于生产。这种设备占地面积都很小，装配机上还配有伺服驱动的检测探头和摄像系统，以确定机床及产品的位置和检测孔的质量，可对每根梁进行自动钻孔、紧固件定位、安装和铆接。

苍狼大地

学习了，以前只听过铆接这么个名词，具体的东西都不知道，只知道飞机制造中装配技术很重要，原来其中还有这么多道道。

yindahai2025

谢谢东北大侠，了解，增加知识面，好！大家路过了虽然没有留下痕迹，但是已经来过。

王子兵

能介绍一些钛合金标准件在国内航空系统内的应用情况和发展前景吗？
# e I! V* @. }& {8 i8 j谢了！

缺失的一角

已定型生产的飞机，手工铆接的能不能改成自动铆接呢？需要经过什么样的审核流程？比如：原来用气动工具进行手工铆接的，现在是否可以升级为电磁铆接？

缺失的一角

本来前几天安排去上海商飞看HH503的操作的，后来验收势急，没去成，呵呵