中国大飞机制造：从“知其所以然”做起
近日，由航空工业西飞首次采用C919活动翼面自动制孔生产线加工的C919飞机4个活动面顺利交付客户，标志着该生产线正式具备产品加工能力，相较之前效率提升3倍，为C919飞机提速增效奠定了坚实的技术基础。C919活动翼面复材应用多、尺寸大、叠层厚，产品加工难度大，西飞尚未有对大尺寸复合材料活动翼面自动制孔的经验。为此，西飞机翼装配厂数字化团队成立了活动翼面自动制孔专项攻坚团队，对机器人制孔压紧力、进给速度、转速等各项加工参数不断进行探索和验证，形成定制化加工方案。攻坚团队解决了复合材料容易分层、劈裂以及进给速度慢导致加工效率低的问题。他们积极学习前期数字化设备应用经验，通过仿真分析、工艺参数试验、工艺流程优化、风险分析及预防、制孔方案改进等措施，提高验证效率和产品质量。
我们来看看可以从这个新闻中分析出什么重要信息。
不断扩展的自动钻铆技术
在大飞机领域，有统计说70%的飞机机体疲劳失效事故源于结构连接部件的疲劳失效，其中又有80%的疲劳裂纹发生于连接孔处。传统的手工制孔质量一致性差，效率低，制孔精度难以保证，铆接连接件的质量受铆接方法、铆接干涉量及铆钉种类等多种因素的影响。因此，随自动控制技术的发展，在飞机蒙皮等壁板上采用自动打孔和铆接得到广泛应用，在批量生产的飞机当中已经很少有采用手工制孔的部位，大部分都采用了自动钻铆技术。
A350飞机的壁板类零件的自动钻铆。
有资料显示，手工钻铆效率平均为15s/钉、手工铆接镦头高度公差为±0.5mm，而自动钻铆效率最快能达到3s/钉，公差能达到±0.05mm。自动钻铆的设备主要有龙门式、C型架式以及机器人自动钻铆系统等，这些形式的设备各有优势。国外自动钻铆设备主要公司有美国GEMCOR、Electroimpact、德国BROETJE、意大利B&C等，而经过几十年发展，自动钻铆设备已能够自动完成定位、制孔、送钉、铆接及检测功能，也在几乎所有商用飞机的生产中得到了广泛应用。
国外自动钻铆设备主要供应商。(图片来源：《航空制造技术》杂志)
随着国内转包生产规模的增加，ARJ21、C919 等新飞机的研制与生产，在国内自动钻铆技术也得到越来越多的应用。因为民用飞机的零件生产需要高度的程序化，对零件生产的一致性要求很高，而且还要保证足够的生产效率，采用手工制孔和铆接显然已经无法满足商用飞机零件生产的需要，所以采用自动钻铆来实现高效率高质量的生产。
Aritex公司用于C919的水平尾翼装配线，其中就包括两台高精度自动钻孔设备。
(图片来源：Aritex公司)
复合材料加工难在哪里
在C919的活动翼面上面，复合材料用量较高，而且有复材和金属零件的机械连接，这就要求在复合材料和金属壁板上同时打孔。而复合材料和金属材料的性质不同，对打孔的工艺要求也不同。复合材料结构制孔易出现分层和偏心，需切削速度高、进给量小，这样可以避免复合材料壁板的钻孔出口后产生分层和毛刺。一般看来，在钻头转速需求方面钛合金<铝合金<复合材料，而进给速度正相反，复合材料<铝合金<钛合金。因此，对于把复合材料壁板铆接到金属隔框上这类工艺，很难采用同一种工艺参数完成层叠板的钻孔。以复合材料和铝合金板材层叠为例，影响孔的质量的主要因素是复合材料的板材制孔，因此为保证复合材料部分的产品质量，通常采用高转速、低进给的方式完成整个层叠板的钻孔。虽然这样的工艺在加工金属部分时会增加刀具磨损并降低这一部分的加工效率，但在过去手工钻孔时代也只能采用这种形式。
上述自动制孔生产线中所应用的机器人自动制孔系统。
(图片来源：《航空制造技术》杂志)
随着自动钻铆技术的普及，利用自动设备加工参数可控的特点，采用与叠层匹配的变参数的加工方式，即在制孔过程中可以针对每层不同的材料及厚度选择相应的加工参数，以保证每种材料的板件都能使用最优加工参数�；故且愿床�/铝合金的层叠加工为例，自动控制的钻铆设备在钻头最初钻入铝板时采用适合铝合金的参数，而在钻头刀尖接触复合材料板材前切换为适合复材的参数，而在最终钻出复材板零件前又调整为适合减少毛刺和分层的参数，最终可以取得比较满意的钻孔效果。
自动调节参数的自动制孔刀具加工过程。(图片来源：《航空制造技术》杂志)
这也是像C919这样的飞机上复材和金属机械连接形式的主要挑战之一，而像本次C919活动翼面加工方式的探索，也是西飞的工程师团队在有限的参考资料下，结合了多个型号的研制过程，而提出的一套自动制孔方案。
在C919上面应用这个工艺说明什么？
国内过去对民机复合材料的研究还不够深入，导致国内自研民机型号很少有采用复合材料，复合材料部件的加工和装配一般是在转包生产国外飞机当中有所采用。而在转包生产中，转包方通常只会提供工艺本身，而不会提供该工艺的形成因素，因此国内对于生产的国外飞机部件生产只能是“知其然”，而不能“知其所以然”，难以用于指导国内的民用飞机零件生产。
而西飞此次采用自动制孔生产线来生产C919的活动翼面并顺利交付客户，这标志着国内面向民用飞机的自动制孔工艺已得到用户认可，可以满足民用飞机零件生产的效率高、一致性好的要求;而如果相关零部件的生产达到了可通过民用飞机生产认证的质量水平，表明相关工艺也真正达到了技术成熟的阶段。
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