飛機(jī)疊層結(jié)構(gòu)預(yù)聯(lián)接工藝優(yōu)化

畢運(yùn)波，吳原驊，朱偉東，沈立恒，黃 穩(wěn)，朱 宇

（1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州310027；2.上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436）

在飛機(jī)裝配過程中，一架大型飛機(jī)通常需要150～200萬個(gè)聯(lián)接件，而聯(lián)接時(shí)所需的連接孔往往是在疊層狀態(tài)下加工而成的［1］.Choi等［2］利用有限元建立了疊層板鉆削仿真模型，指出疊層間隙對(duì)疊層毛刺生成有重要影響，然而缺乏對(duì)影響間隙因素以及如何減小間隙的進(jìn)一步研究.Hellstern等［3］通過在疊層板鉆削實(shí)驗(yàn)中使用一套簡(jiǎn)易的預(yù)壓緊裝置，發(fā)現(xiàn)更大的壓緊力有更好的毛刺抑制效果.Liang［4］提出一種分析疊層間隙及其影響因素的簡(jiǎn)化模型，發(fā)現(xiàn)壓緊力、鉆削力、板自身剛度均會(huì)影響疊層間隙，并指出較小的疊層間隙可有效降低加工參數(shù)對(duì)毛刺的影響.目前，疊層制孔毛刺控制技術(shù)主要是通過局部施加壓緊力抑制疊層零件分離，從而減小制孔間隙.在國(guó)外最新機(jī)型飛機(jī)如波音B787、空客A350中，工業(yè)機(jī)器人單向壓緊技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用.但單向壓緊通常僅適用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身有支撐的情況下，如在機(jī)身隔框上制孔時(shí)，隔框自身剛度較強(qiáng)，可以提供法向支撐，從而使單向壓緊達(dá)到“雙向壓緊”效果，當(dāng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)本身沒有支撐時(shí)，單向壓緊技術(shù)往往達(dá)不到最佳的毛刺抑制效果.

本文以壁板蒙皮、邊梁等組成的疊層件作為研究對(duì)象，建立預(yù)聯(lián)接有限元簡(jiǎn)化模型，研究不同預(yù)聯(lián)接工藝方案下的疊層結(jié)構(gòu)殘余間隙和制孔間隙（殘余間隙指疊層件預(yù)聯(lián)接后的間隙，制孔間隙指疊層件在制孔過程中產(chǎn)生的間隙），以制孔間隙為優(yōu)化目標(biāo)，給出最優(yōu)預(yù)聯(lián)接工藝方案，并通過工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化疊層制孔實(shí)驗(yàn)對(duì)不同預(yù)聯(lián)接工藝方案的毛刺尺寸進(jìn)行比較，驗(yàn)證該優(yōu)化方案的有效性.

1 預(yù)聯(lián)接件數(shù)量和安裝位置設(shè)計(jì)

如圖1所示為在制孔過程中，材料彎曲特性的差異和鉆削力等因素容易造成零件間的疊層間隙，給毛刺的產(chǎn)生提供了物理空間［5］.疊層件間的毛刺不僅會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，還會(huì)嚴(yán)重降低零件間的貼合程度，影響連接孔的加工質(zhì)量［6］.此外，還需在裝配過程中增加去毛刺工序.可見，減小疊層間隙對(duì)抑制毛刺產(chǎn)生、提高制孔質(zhì)量具有重要意義.

圖1 制孔過程中疊層毛刺生成Fig.1 Burr formation in drilling of stacks

如圖2所示為某型飛機(jī)蒙皮和邊梁組成的疊層結(jié)構(gòu)，由于疊層結(jié)構(gòu)局部剛性較弱，單向壓緊力無法有效消除疊層件的初始間隙和制孔間隙，為毛刺的產(chǎn)生提供了物理空間.在此情況下，需使用預(yù)聯(lián)接件緊固蒙皮和邊梁組成的疊層件.預(yù)聯(lián)接件不僅能夠有效增加疊層件的接觸剛度，減小制孔間隙，還可以保證后續(xù)鉚接或螺栓聯(lián)接質(zhì)量和效率［7-9］.

圖2 某型機(jī)疊層結(jié)構(gòu)Fig.2 Stacked structure of specific aircraft

如圖3所示為蒙皮、邊梁等組成疊層件簡(jiǎn)化模型在預(yù)聯(lián)接前后的狀態(tài)對(duì)比.該疊層件由2塊鋁合金板組成，其材料、厚度和孔位信息與實(shí)際情況一致.板1和板2之間預(yù)留初始間隙g，并通過螺栓預(yù)緊.模型中的參考點(diǎn)根據(jù)實(shí)際孔位信息選取，且均可視為預(yù)聯(lián)接候選點(diǎn).此外，參考點(diǎn)的形變可作為評(píng)價(jià)殘余間隙和制孔間隙大小的重要依據(jù).板1和板2尺寸為280mm×100mm×2mm，材料為鋁合金，之間留有1.2mm 最大初始間隙，螺栓尺寸為M5.

圖3 預(yù)聯(lián)接前后簡(jiǎn)化模型狀態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison of simplified model's state before and after pre-connection

不同的預(yù)聯(lián)接點(diǎn)數(shù)量和安裝位置通常會(huì)產(chǎn)生不同的殘余間隙r和接觸剛度，而合理的預(yù)聯(lián)接點(diǎn)數(shù)量和安裝位置可有效減小殘余間隙、增加接觸剛度，提高制孔質(zhì)量.因此，結(jié)合實(shí)際制孔過程中通常采用的預(yù)聯(lián)接件布局方案，以制孔間隙為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)如下3種預(yù)聯(lián)接工藝方案：

方案1：如圖4（a）所示，該方案采用2個(gè)預(yù)聯(lián)接件，且安裝在初始間隙最大處.2塊鋁合金疊層板每排有13 個(gè)參考點(diǎn)等距分布，共計(jì)26 個(gè)參考點(diǎn)，相鄰參考點(diǎn)之間的X 向和Y 向間距分別為20和40mm，而預(yù)聯(lián)接件在模型中的位置分別為F1（0，-20），F(xiàn)2（0，20）.

方案2：如圖4（b）所示，該方案采用4個(gè)預(yù)聯(lián)接件，且預(yù)聯(lián)接件沿y 軸對(duì)稱分布.在保證同列預(yù)聯(lián)接件之間的Y 向間距不變的前提下，該方案通過比較同排預(yù)聯(lián)接件之間不同的X 向間距條件下的殘余間隙和制孔間隙，實(shí)現(xiàn)預(yù)聯(lián)接件安裝位置優(yōu)化.在該方案中，X 向間距取40、80、120、160、200mm.

方案3：如圖4（c）所示，該方案采用6個(gè)預(yù)聯(lián)接件實(shí)現(xiàn)預(yù)聯(lián)接，其中2個(gè)安裝在模型初始間隙最大處，其余4個(gè)預(yù)聯(lián)接件的布置與方案2相同.

圖4 預(yù)聯(lián)接工藝方案Fig.4 Technological schemes of pre-connection

2 疊層制孔過程有限元仿真

2.1 Abaqus有限元建模

以預(yù)聯(lián)接工藝方案1為例，該模型主要包含2塊鋁合金板和2個(gè)螺栓預(yù)聯(lián)接件，其材料屬性參數(shù)如表1所示，其中E 表示彈性模量，ν表示泊松比，ρ表示密度.

表1 材料物理特性Tab.1 Material physical characteristics

板1和板2 之間留有1.2 mm 的最大初始間隙，兩者之間采用直徑為5 mm 的螺栓，直徑為8 mm 的螺母實(shí)現(xiàn)預(yù)聯(lián)接.該方案的有限元模型如圖5所示.鋁合金板網(wǎng)格單元剖分采用線性六面體單元C3D8I，單元總數(shù)為6 620；采用梁?jiǎn)卧⒙菟ňW(wǎng)格模型，單元總數(shù)為20.

圖5 預(yù)聯(lián)接工藝方案1有限元模型Fig.5 Finite element model of Pre-connection scheme 1

2.2 邊界條件

在有限元建模過程中，螺栓零件通常可簡(jiǎn)化為三維實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧蛷椈蓡卧?，但彈簧單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無法模擬彎矩載荷；而梁?jiǎn)卧m較三維實(shí)體單元簡(jiǎn)單，但采用梁?jiǎn)卧r(shí)無需建立嚴(yán)格的接觸關(guān)系，僅用耦合約束就可模擬與被聯(lián)接件之間的裝配關(guān)系，且其計(jì)算效率較高，結(jié)果與三維實(shí)體單元也較為接近［10］.因此，本文采用梁?jiǎn)卧獊斫⒙菟Ｐ?，其尺寸參?shù)同M5螺栓一致，如圖6所示，同時(shí)在梁?jiǎn)卧Ｐ偷亩瞬抗?jié)點(diǎn)與2塊板的表面之間建立耦合約束關(guān)系.

螺栓預(yù)緊力和扭矩之間存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中：F 為螺栓預(yù)緊力，T 為扭矩，K 為扭矩系數(shù)，其中K 的取值范圍通常為0.15～0.20，d 為螺栓的公稱直徑.8.8級(jí)的M5螺栓的標(biāo)準(zhǔn)緊固扭矩T＝5.47N·m，轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力為5 470N［11］，因此取梁?jiǎn)卧下菟A(yù)緊力為0～5 000N.

圖6 簡(jiǎn)化的螺栓聯(lián)接約束Fig.6 Simplified constraints of bolt connection

設(shè)置兩鋁合金板之間的摩擦系數(shù)為0.15，約束鋁合金板兩側(cè)表面的自由度.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 方案1殘余間隙和制孔間隙分析

由于模型存在對(duì)稱性，文中僅用1／4模型中的6個(gè)參考點(diǎn)和1個(gè)預(yù)聯(lián)接點(diǎn)的Z 向位移進(jìn)行殘余間隙和制孔間隙分析.

平均殘余間隙（簡(jiǎn)稱用殘余間隙）為

式中：uRi和dRi分別為上下參考點(diǎn)在預(yù)聯(lián)接過程中的Z 向位移，而gi為參考點(diǎn)之間的初始間隙.方案1的殘余間隙（R）計(jì)算結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出，當(dāng)預(yù)緊力從0增至100N 時(shí)，兩板之間的殘余間隙逐漸減小，在預(yù)緊力為100N 時(shí)達(dá)到最小，為0.192mm.然而，當(dāng)預(yù)緊力大于100N 時(shí)，預(yù)緊力施加區(qū)域會(huì)產(chǎn)生過大彈性變形，而疊層件兩側(cè)受約束，此時(shí)疊層件的彈性變形能向螺栓周圍區(qū)域釋放，導(dǎo)致殘余間隙隨著預(yù)緊力的增加而逐漸增大.

圖7 方案1殘余間隙曲線Fig.7 Curves of residual gap under scheme 1

過大的預(yù)緊力雖會(huì)導(dǎo)致殘余間隙增大，但預(yù)緊力的增加，也會(huì)使疊層鋁合金板的接觸剛度得到相應(yīng)增加，從而減小上下兩層板之間因受鉆削力不均而形成的制孔間隙.同樣，在下層板1／4模型中6個(gè)參考點(diǎn)上依次施加150N 的鉆削力.

平均制孔間隙（簡(jiǎn)稱制孔間隙）為

式中：uDi和dDi分別為上下參考點(diǎn)在制孔過程中的Z 向位移，Ri為參考點(diǎn)之間的殘余間隙，如圖8所示為方案1在不同預(yù)緊力下的制孔間隙D 曲線，在預(yù)緊力從0增至2 000N 時(shí)，兩板之間的制孔間隙逐漸減小，并在預(yù)緊力為2 000N 左右達(dá)到最小，為0.558 6 mm，再增大預(yù)緊力將導(dǎo)致參考點(diǎn)殘余間隙增大，從而導(dǎo)致制孔間隙增大.

3.2 方案2殘余間隙和制孔間隙分析

方案2的4個(gè)預(yù)聯(lián)接件按軸對(duì)稱方式分布，因此，殘余間隙的計(jì)算方法和方案1相同.如表2所示為模型在預(yù)聯(lián)接件的X 向間距分別為40、80、120、160及200mm 時(shí)受不同預(yù)緊力作用下計(jì)算得到的殘余間隙.由表可知，預(yù)聯(lián)接件的預(yù)緊力越大，殘余間隙先減小后增大；預(yù)聯(lián)接件的安裝位置不同，殘余間隙也不同，其中當(dāng)預(yù)聯(lián)接件的X 向間距為200mm，預(yù)緊力為5 000N 時(shí)，模型殘余間隙最小，為0.019mm.

圖8 方案1制孔間隙曲線Fig.8 Curves of drilling gap under scheme 1

表2 方案2殘余間隙Tab.2 Residual gap under scheme 2

如表3所示為模型在不同預(yù)聯(lián)接件X 向間距和預(yù)緊力下計(jì)算得到的制孔間隙.從表中可以看出，不同預(yù)聯(lián)接件X 向間距和預(yù)緊力下的制孔間隙也不同.當(dāng)X 向間距相同時(shí)，大于500N 的預(yù)緊力對(duì)制孔間隙影響很?。划?dāng)X 向間距為40、160和200mm 時(shí)，制孔間隙較大；當(dāng)X 向間距為80mm且預(yù)緊力為2 000N 時(shí)，模型的制孔間隙最小，為0.260 5mm；當(dāng)X 向間距為120 mm 且預(yù)緊力為4 000N時(shí)，模型的制孔間隙其次，為0.263 8mm.

如圖9所示給出了以上2種優(yōu)選方案下的各個(gè)參考點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的制孔間隙，N 為參考點(diǎn)編號(hào)，可見預(yù)聯(lián)接件對(duì)其周邊參考點(diǎn)的制孔間隙起到了很好抑制作用.其中，當(dāng)X 向間距為80mm，預(yù)緊力F＝2 000 N 時(shí)，參 考 點(diǎn)N ＝2 制 孔 間 隙 最 大，為0.484 2mm；X 向間距為120 mm，預(yù)緊力F＝4 000N 時(shí)，參考點(diǎn)N＝7制孔間隙最大，為0.437 9 mm.方案2相比于方案1增加了2個(gè)預(yù)聯(lián)接件，制孔間隙得到顯著降低.對(duì)比不同預(yù)聯(lián)接件安裝位置下的殘余間隙和制孔間隙，可見殘余間隙越小，并不意味著制孔間隙越小，這是由于較優(yōu)的預(yù)聯(lián)接件安裝位置可優(yōu)化疊層件的接觸剛度，從而減小制孔間隙.

表3 方案2制孔間隙Tab.3 Drilling gap under scheme 2

圖9 方案2中優(yōu)選方案制孔間隙Fig.9 Drilling gap of preferred solutions under scheme 2

3.3 方案3殘余間隙和制孔間隙分析

如圖10 所示為疊層間隙I 在預(yù)緊力為0～5 000N的取值區(qū)間中，當(dāng)預(yù)聯(lián)接X 向間距為200 mm 時(shí)，殘余間隙最小，為0.018mm；當(dāng)預(yù)聯(lián)接X向間距為80mm 時(shí)，制孔間隙最小，為0.172mm.方案3預(yù)聯(lián)接件數(shù)量較多，增加前期人工工作量和成本，降低了工作效率，相比于方案2，制孔間隙并沒有得到明顯改善.

圖10 方案3疊層間隙Fig.10 Interlayer gap under scheme 3

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)材料、刀具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在疊層制孔實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料為鋁合金2024-T3（280mm×100mm×2mm），采用Φ5.8mm 硬質(zhì)合金制孔刀具，利用KISTLER9257B 測(cè)力儀測(cè)得鋁合金板所受的鉆削力，通過德國(guó)SAYKE 數(shù)顯扭矩扳手調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力，利用蔡司Axio CSM 700共聚焦顯微鏡檢測(cè)上層板出口和下層板入口的毛刺尺寸，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用自行研制的機(jī)器人自動(dòng)化制孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括一臺(tái)KUKA KR360-2型工業(yè)機(jī)器人，它主要由機(jī)器人底座、機(jī)械臂、手腕、快換法蘭、平衡裝置等組成，如圖11所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作現(xiàn)場(chǎng).

圖11 機(jī)器人自動(dòng)化制孔系統(tǒng)工作現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Job site of robot automatic drilling system

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照上述3種預(yù)聯(lián)接工藝方案安排實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)的加工孔的孔位信息與有限元模型參考點(diǎn)的孔位信息一致.用4個(gè)螺栓將疊層板的4個(gè)邊緣角固定.在機(jī)器人制孔過程中，測(cè)得在轉(zhuǎn)速6 000r／min和進(jìn)給速度240mm／min時(shí)，鋁合金板所受軸向鉆削力大小約為150N，如圖12所示.t為時(shí)間，該鉆削力F 大小與有限元仿真時(shí)施加的鉆削力大小基本一致，因此采用該加工參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化制孔實(shí)驗(yàn).

如圖13所示，以毛刺高度h0、毛刺根厚度bf作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量指標(biāo)［12］.定義疊層毛刺高度H 及毛刺根厚度T 分別為

式中：h01為上層板出口毛刺高度，h02為下層板入口毛刺高度；bf1為上層板出口毛刺根厚度，bf2為下層板入口毛刺根厚度.

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖12 鋁合金板所受軸向鉆削力Fig.12 Axial drilling force exerting on aluminum alloy plate

圖13 毛刺尺寸參數(shù)示意圖Fig.13 Schematic diagram of burr size parameter

如圖14（a）和（b）分別為方案1中加工孔的上層板出口毛刺和下層板入口毛刺（簡(jiǎn)稱疊層毛刺）的宏觀形貌觀察結(jié)果，F(xiàn) 表示每組實(shí)驗(yàn)中預(yù)緊力的大小.在預(yù)緊力從0增大到2 000N 的過程中，疊層毛刺尺寸逐漸減小，在預(yù)緊力從2 000增大到3 500 N 的過程中，疊層毛刺尺寸有微小的增大.該規(guī)律與有限元模擬的結(jié)果一致.可見通過施加預(yù)緊力可有效抑制疊層毛刺的生長(zhǎng).

如圖15所示給出了方案1所有加工孔在不同預(yù)緊力下的疊層毛刺尺寸B，包括疊層毛刺高度均值和疊層毛刺根厚度均值.測(cè)得毛刺高度均值為0.12～0.31 mm，毛刺根厚度均值為0.07～0.15 mm，最小值均出現(xiàn)在預(yù)緊力為2 000N 時(shí)，分別為0.12和0.07mm.

如圖16所示給出了方案2在不同安裝位置和最優(yōu)預(yù)緊力下的毛刺高度均值和毛刺根厚度均值，可見不同的預(yù)聯(lián)接件安裝位置對(duì)疊層毛刺尺寸影響顯著.測(cè)得預(yù)聯(lián)接件安裝位置相距80mm 時(shí)，毛刺高度均值和毛刺根厚度均值較小，分別可達(dá)0.051 mm 和0.015 mm，相比于方案1毛刺尺寸有明顯減小.對(duì)方案3進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得毛刺高度均值和毛刺根厚度均值的最小值分別為0.043 和0.013mm.可見方案3 相比于方案2 毛刺尺寸并沒有明顯減小，與有限元仿真結(jié)果一致.

圖14 上下層板的毛刺形態(tài)Fig.14 Burr form of upper plate and lower plate

圖15 方案1毛刺尺寸隨預(yù)緊力變化曲線Fig.15 Burr size and pre-load curves of scheme 1

圖16 方案2毛刺尺寸隨安裝位置的變化曲線Fig.16 Burr size and installation location curves of scheme 2

5 結(jié) 論

本文通過建立壁板蒙皮、邊梁等組成的疊層件預(yù)聯(lián)接有限元模型，在不考慮壓緊力的情況下，以制孔間隙為優(yōu)化目標(biāo)，研究了預(yù)聯(lián)接件數(shù)量、安裝位置以及預(yù)緊力大小等因素對(duì)疊層殘余間隙和制孔間隙的影響規(guī)律，并通過疊層制孔實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）隨著預(yù)緊力的增加，疊層殘余間隙先減小后增大.當(dāng)預(yù)緊力過大時(shí)，預(yù)緊力施加的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生過大彈性變形，而疊層件兩側(cè)受約束，此時(shí)疊層件的彈性變形能向螺栓周圍區(qū)域釋放，導(dǎo)致殘余間隙隨著預(yù)緊力的增加而逐漸增大.當(dāng)疊層件的殘余間隙最小時(shí)，通過增大預(yù)緊力可增加疊層件的接觸剛度，從而進(jìn)一步減小制孔間隙.

（2）預(yù)聯(lián)接狀態(tài)下疊層殘余間隙越小，并不意味著制孔間隙越小，這是由于較優(yōu)的預(yù)聯(lián)接件安裝位置可優(yōu)化疊層件的接觸剛度，從而減小制孔間隙.

（3）預(yù)聯(lián)接件數(shù)量較少，預(yù)聯(lián)接后殘余間隙越大，制孔間隙也越大，增加預(yù)聯(lián)接件，可增加疊層件的接觸剛度，并減小制孔間隙.但較多的預(yù)聯(lián)接件會(huì)增加預(yù)聯(lián)接工作量，降低工作效率，且制孔間隙不會(huì)明顯減小.

（4）隨著預(yù)緊力增大，疊層毛刺尺寸先明顯減小后小幅度增大.預(yù)聯(lián)接件的安裝位置對(duì)毛刺尺寸影響顯著，較優(yōu)的預(yù)聯(lián)接工藝方案可有效消除疊層間隙，抑制毛刺生長(zhǎng).

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