本發(fā)明屬于飛機(jī)零部件機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種飛機(jī)上下壁板制孔毛刺的控制方法。

背景技術(shù)：

為了使飛機(jī)零部件之間可靠準(zhǔn)確的連接，飛機(jī)壁板需要采用螺接或鉚接，在飛機(jī)壁板上制孔時(shí)連接的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，制孔質(zhì)量直接影響飛機(jī)的強(qiáng)度和壽命。裝配界面毛刺的產(chǎn)生情況和出口毛刺一樣，不進(jìn)行處理，即使零件加工采用最優(yōu)的工藝實(shí)現(xiàn)無(wú)毛刺，制孔時(shí)鉆頭的軸向力也可能使裝配界面分離，無(wú)法保證裝配界面無(wú)毛刺。制孔過(guò)程中產(chǎn)生的制孔毛刺會(huì)引起孔邊的應(yīng)力集中，嚴(yán)重降低螺接或鉚接的連接強(qiáng)度和疲勞壽命，降低飛機(jī)的服役壽命。

通常在制孔中采用局部施加壓力來(lái)減小疊層界面的分離，能夠有效控制疊層界面的毛刺高度。如專利CN102513508A發(fā)明一種能減小飛機(jī)裝配制孔時(shí)疊層毛刺的裝置。制孔前，先固定能減小飛機(jī)裝配制孔時(shí)疊層毛刺的便攜式真空吸附壓緊裝置，使其吸盤(pán)吸附于產(chǎn)品表面，然后，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)壓力腳壓緊以合適的壓緊力壓緊產(chǎn)品，最后通過(guò)自動(dòng)進(jìn)給鉆，沿壓力腳上的鉆鉚套進(jìn)行鉆孔。該專利給出了施加一定的壓力可以有效的控制制孔過(guò)程中疊層間的毛刺，但并未確定施加壓力的合理范圍。施加的壓力過(guò)大，會(huì)使在飛機(jī)裝配制孔時(shí)產(chǎn)品產(chǎn)生過(guò)大的撓度變形，影響裝配精度。專利CN 102357839A發(fā)明了一種單向壓緊制孔試驗(yàn)裝置，尤其是一種用于獲取在復(fù)雜表面鉆孔參數(shù)的試驗(yàn)裝置。該裝置用螺栓固定于工作臺(tái)上，鉆孔時(shí)將末端執(zhí)行器移動(dòng)到待加工位置，加工時(shí)保證末端執(zhí)行器的電主軸及壓緊頭處于工件的法線方向上，末端執(zhí)行器上的壓緊頭在氣缸的推力下，壓緊工件，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)電主軸進(jìn)給，完成工件的加工。該專利能夠有效的控制單向壓緊制孔質(zhì)量，但并未給出合適的壓緊力算法，以合理控制制孔質(zhì)量。

目前飛機(jī)制造過(guò)程中普遍采用飛機(jī)壁板制孔工序結(jié)束后，附加人工去毛刺工序。人工去毛刺效率比較低下，耗時(shí)耗力，并且不利于實(shí)現(xiàn)制孔的自動(dòng)化。在自動(dòng)化制孔過(guò)程中，一般采用機(jī)器人制孔，有時(shí)局限于飛機(jī)壁板的結(jié)構(gòu)，只能采用單向壓力來(lái)抑制疊層材料界面的分層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種飛機(jī)上下壁板制孔毛刺的控制方法，提出了一種合理控制施加于上壁板的壓力載荷來(lái)達(dá)到抑制制孔過(guò)程中毛刺產(chǎn)生的方法。

一種飛機(jī)上下壁板制孔毛刺的控制方法，通過(guò)控制制孔時(shí)施加在上壁板的壓力載荷來(lái)控制上壁板的變形量，補(bǔ)償下壁板由鉆削制孔產(chǎn)生的鉆削軸向力P而引起的下壁板產(chǎn)生的變形，從而達(dá)到控制壁板疊層材料間的間隙，進(jìn)而控制壁板夾層之間產(chǎn)生毛刺的方法，具體步驟如下：

1)根據(jù)壁板的制孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)得出制孔時(shí)的鉆削軸向力P

2)計(jì)算鉆孔時(shí)需施加在上壁板上的合適的壓力載荷P_c

2-1根據(jù)壁板結(jié)構(gòu)和材料屬性建立力學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)步驟1)中得出的鉆削軸向力P，由彈性力學(xué)中薄板的彎曲問(wèn)題導(dǎo)出彈性曲面的微分控制方程(包括幾何方程，物理方程，平衡方程)，計(jì)算出撓度ω

$D(\frac{{\∂}^2}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂}{r}+\frac{1}{r^2}\frac{{\∂}^2}{{\mathrm{\θ}}^2})(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\ω}}{r}+\frac{1}{r^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\θ}}^2})=q$

式中：撓度ω和橫向載荷q(即鉆削軸向力P)是極坐標(biāo)r和θ的函數(shù)，D為壁板材料的彎曲剛度

2-2根據(jù)步驟2-1中計(jì)算出的撓度ω值，建立壁板疊層材料在制孔時(shí)的力學(xué)模型：

上下壁板采用周邊固定支撐，鉆削刀具鉆削下壁板時(shí)，通過(guò)在上壁板上施加壓力載荷P_c，補(bǔ)償下壁板由于鉆削軸向力P產(chǎn)生的彎曲變形引起的上下壁板之間的間隙，使上下壁板在鉆削過(guò)程中的間隙量最小，也即上壁板和下壁板的最大撓度變形量相等，從而控制壁板疊層材料界面間產(chǎn)生毛刺；通過(guò)薄板彈性曲面的微分控制方程的極坐標(biāo)形式分別計(jì)算出上下壁板鉆孔中心受集中載荷和同心圓載荷的最大撓度變形量；該力學(xué)模型中集中載荷為鉆削時(shí)的軸向鉆削力P，同心圓載荷即為施加在上壁板的壓力載荷P_c

彎曲撓度通用公式為：

根據(jù)上面彎曲撓度公式得出：

上壁板彎曲撓度：

下壁板彎曲撓度：

2-3計(jì)算出合適的壓力載荷P_c

合適的壓力載荷P_c，也即使上下壁板既不能產(chǎn)生過(guò)大變形，也不能間隙量過(guò)大，

鉆削力P引起下壁板的最大彎曲撓度：

${\mathrm{\ω}}_{1\max }={\mathrm{\ω}}_1(r=0)=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{16{\mathrm{\πD}}_2}$

施加在上壁板的壓力載荷P_c引起的上壁板的最大彎曲撓度：

${\mathrm{\ω}}_{2\max }={\mathrm{\ω}}_{22}(r=0)=\frac{P_c}{8{\mathrm{\πD}}_1}(\frac{a^2-b^2}{2}+b^2\ln \frac{b}{a})$

為使上下壁板之間的間隙最小，令：ω_1max＝ω_2max

得到

即得出為控制上下壁板制孔時(shí)疊層材料界面產(chǎn)生毛刺，需施加在上壁板上的合適的壓力載荷P_c；

3)制孔時(shí)，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將上壁板上的壓力載荷調(diào)節(jié)到計(jì)算出的合適的壓力載荷P_c，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔時(shí)上下壁板夾層之間毛刺的控制。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)能夠有效抑制疊層飛機(jī)壁板制孔過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺。

(2)該方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出控制制孔毛刺時(shí)，所應(yīng)該施加的法向壓力。

(3)該方法通過(guò)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行施加在上板上的壓力載荷的調(diào)節(jié)，進(jìn)而來(lái)進(jìn)行自動(dòng)制孔毛刺的控制。

附圖說(shuō)明

圖1疊層制孔的物理模型

圖2受集中載荷上下板的力學(xué)模型

圖3上下板制孔受載變形的物理模型

圖中編號(hào)說(shuō)明：1、鉆削刀具；2、上壁板；3、下壁板；Pc、單邊壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)施加的單邊壓力；P、鉆削軸向力。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1-圖3所示將半徑a＝100㎜、厚度d＝3㎜的兩塊鋁合金壁板材料疊層進(jìn)行鉆孔，在半徑b＝10㎜的位置施加均勻載荷P_ch。實(shí)驗(yàn)材料為2014Alloy，彈性模量E＝7.30E10，泊松比μ＝0.330?？椎囊螅害?±0.05㎜。

通過(guò)控制制孔時(shí)施加在上壁板2的壓力載荷P_c來(lái)控制上壁板2的變形量，補(bǔ)償下壁板3由鉆削制孔產(chǎn)生的鉆削軸向力P而引起的下壁板3產(chǎn)生的變形，從而達(dá)到控制壁板疊層材料間的間隙，進(jìn)而控制壁板夾層之間產(chǎn)生毛刺的方法，具體步驟如下：

1)根據(jù)壁板的制孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)得出制孔時(shí)的鉆削軸向力P

通過(guò)試驗(yàn)得知鉆孔過(guò)程中鉆削軸向力P＝800N

2)計(jì)算鉆孔時(shí)需施加在上壁板2上的合適的壓力載荷P_c

2-1根據(jù)壁板結(jié)構(gòu)和材料屬性建立力學(xué)計(jì)算模型，根據(jù)步驟1)中得出的鉆削軸向力P，由彈性力學(xué)中薄板的彎曲問(wèn)題導(dǎo)出彈性曲面的微分控制方程(包括幾何方程，物理方程，平衡方程)，計(jì)算出撓度ω

$D(\frac{{\∂}^2}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂}{r}+\frac{1}{r^2}\frac{{\∂}^2}{{\mathrm{\θ}}^2})(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂\mathrm{\ω}}{r}+\frac{1}{r^2}\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\θ}}^2})=q$

式中：撓度ω和橫向載荷q(即鉆削軸向力P)是極坐標(biāo)r和θ的函數(shù)，D為壁板材料的彎曲剛度

2-2根據(jù)步驟2-1中計(jì)算出的撓度ω值，建立壁板疊層材料在制孔時(shí)的力學(xué)模型：

上下壁板采用周邊固定支撐，鉆削刀具1鉆削下壁板時(shí)，通過(guò)在上壁板2上施加壓力載荷P_c，補(bǔ)償下壁板3由于鉆削軸向力P產(chǎn)生的彎曲變形引起的上下壁板之間的間隙，使上下壁板在鉆削過(guò)程中的間隙量最小，也即上壁板2和下壁板3的最大撓度變形量相等，從而控制壁板疊層材料界面間產(chǎn)生毛刺；通過(guò)薄板彈性曲面的微分控制方程的極坐標(biāo)形式分別計(jì)算出上下壁板鉆孔中心受集中載荷和同心圓載荷的最大撓度變形量；該力學(xué)模型中集中載荷為鉆削時(shí)的軸向鉆削力P，同心圓載荷即為施加在上壁板的壓力載荷P_c

彎曲撓度通用公式為：

根據(jù)上面彎曲撓度公式得出：

上壁板彎曲撓度：

下壁板彎曲撓度：

帶入具體數(shù)值得出

2-3計(jì)算出合適的壓力載荷P_c

合適的壓力載荷P_c，也即使上下壁板既不能產(chǎn)生過(guò)大變形，也不能間隙量過(guò)大，

鉆削力P引起下壁板3的最大彎曲撓度：

${\mathrm{\ω}}_{1\max }={\mathrm{\ω}}_1(r=0)=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{16{\mathrm{\πD}}_2}$

施加在上壁板2的壓力載荷P_c引起的上壁板2的最大彎曲撓度：

${\mathrm{\ω}}_{2\max }={\mathrm{\ω}}_{22}(r=0)=\frac{P_c}{8{\mathrm{\πD}}_1}(\frac{a^2-b^2}{2}+b^2\ln \frac{b}{a})$

為使上下壁板之間的間隙最小，令：ω_1max＝ω_2max

得到

即得出為控制上下壁板制孔時(shí)疊層材料界面產(chǎn)生毛刺，需施加在

上壁板2上的合適的壓力載荷P_c；

以上過(guò)程帶入具體數(shù)值進(jìn)行計(jì)算時(shí)：

(1)通過(guò)薄板的彎曲問(wèn)題計(jì)算出下層鋁合金壁板的最大彎曲撓度變形量。

$D_2=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}=\frac{7.03E^{10}\×{0.003}^3}{12\×(1-0.330)}=2.36E^2$

${\mathrm{\ω}}_1\left(r\right)=\frac{{\mathrm{Pr}}^2}{8{\mathrm{\πD}}_2}\ln \frac{r}{a}+\frac{P}{16{\mathrm{\πD}}_2}(a^2-r^2)=\frac{800r^2}{8\mathrm{\π}\×2.36E^2}\ln \frac{r}{0.1}+\frac{800}{16\mathrm{\π}\×2.36E^2}({0.1}^2-r^2)$

${\mathrm{\ω}}_{1\max }={\mathrm{\ω}}_1(r=0)=\frac{800\×0.01}{16\×3.14\×236}=0.674mm$

(2)由下壁板3的最大彎曲撓度變形量，計(jì)算出疊層界面間隙最小時(shí)，所應(yīng)該施加的壓力載荷P_c。

$D_1=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-{\mathrm{\μ}}^2)}=\frac{7.03E^{10}\×{0.003}^3}{12\×(1-0.330)}=2.36E^2$

${\mathrm{\ω}}_{2\max }={\mathrm{\ω}}_{22}(r=0)=\frac{P_c}{8{\mathrm{\πD}}_1}(\frac{a^2-b^2}{2}+b^2\ln \frac{b}{a})=\frac{P_c}{8\mathrm{\π}\×2.36E^2}(\frac{{0.1}^2-{0.01}^2}{2}+{0.01}^2\×\ln \frac{0.01}{0.1})$

由ω_1max＝ω_2max得

施加在上壁板2上的壓力載荷P_c為

$P_c=\frac{{\mathrm{Pa}}^2{D}_1}{2D_2(\frac{a^2-b^2}{2}+b^2\ln \frac{b}{a})}=\frac{800\×{0.1}^2\×236}{2\×236\×(\frac{{0.1}^2-{0.01}^2}{2}+{0.01}^2\ln \frac{0.01}{0.1})}=939N$

3)制孔時(shí)，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將上壁板2上的壓力載荷調(diào)節(jié)到計(jì)算出的合適的壓力載荷P_c，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔時(shí)上下壁板夾層之間毛刺的控制。