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面向自动化制孔的飞机叠层结构预连接工艺优化研究：提升飞机装配质量的关键路径

一、引言

1.1研究背景与意义

在飞机制造领域，飞机叠层结构作为关键的连接方式，广泛应用于机身、机翼等重要部件。飞机叠层结构通常由多层复合材料、金属材料等层压而成，凭借其优异的力学性能、重量优势以及良好的结构整体性，能够有效满足飞机在复杂飞行环境下的高强度、轻量化要求，对保障飞机的安全飞行和整体性能起着不可或缺的作用。

制孔是飞机叠层结构连接中必不可少的关键工艺步骤。连接孔的质量，包括孔径精度、圆度、垂直度、孔壁粗糙度以及孔周围材料的损伤程度等，直接关系到连接的稳定性和安全性。若制孔质量不佳，如出现孔径偏差、孔壁分层、撕裂等缺陷，会显著降低连接件与孔壁之间的配合精度和承载能力，进而在飞机服役过程中，因承受交变载荷、振动等作用，导致连接部位过早出现疲劳裂纹，严重时甚至引发结构失效，危及飞行安全。据相关数据统计，飞机结构由于疲劳失效产生的事故中，70%出现在连接处，其中绝大多数疲劳裂纹源产生在连接孔。因此，提高制孔质量对于提升飞机的使用寿命、可靠性和安全性具有至关重要的意义。

随着航空制造业的快速发展，对飞机的生产效率和质量提出了更高的要求。传统的手工制孔方式，不仅工序繁琐、劳动强度大，而且受操作人员技能水平和工作状态的影响，制孔质量不稳定，数据难以精确控制，容易出现质量问题，已无法满足现代飞机制造业高效、精准、可重复的生产需求。自动化制孔技术应运而生，它采用先进的设备和控制系统，能够实现高精度、高效率的制造过程，并且可以对生产过程进行实时监控和数据化管理，有效提高了生产的质量和效率，成为飞机制造领域的发展趋势。

在自动化制孔过程中，预连接工艺作为关键环节，对叠层结构制孔质量有着显著影响。预连接工艺的目的是实现接缝的高精度匹配和表面平整度的控制，从而提高连接的质量和稳定性。然而，现有的预连接工艺在实际应用中仍存在一些问题，如胶接工艺中胶粘剂的固化时间长、对环境要求高，栓接工艺中螺栓的预紧力控制难度大、容易出现松动等，这些问题都会影响制孔的精度和质量，进而制约飞机制造的整体水平。因此，对飞机叠层结构预连接工艺进行优化，对于提高自动化制孔质量、提升飞机整体性能和经济效益具有重要的现实意义。它不仅有助于推动飞机制造技术的进步，满足航空业不断增长的需求，还能增强我国航空制造业在国际市场上的竞争力，为我国航空事业的可持续发展奠定坚实基础。

1.2国内外研究现状

国外在自动化制孔技术和预连接工艺方面开展研究较早，取得了一系列显著成果。在自动化制孔设备方面，美国、德国等国家处于领先地位。例如，美国ElectroImpact公司联合空客公司研发的机器人柔性装配系统，集成了先进的制孔技术和自动化控制算法，能够实现机翼壁板与骨架的高精度自动化装配。在制孔工艺研究方面，国外学者针对不同材料的叠层结构，深入研究了钻头类型、切削参数、钻孔润滑冷却方式等对制孔质量的影响，并通过建立数值模拟模型，对制孔过程进行仿真分析，以优化制孔工艺参数。在预连接工艺方面，国外对胶接和栓接技术的研究较为深入，不断开发新型的胶粘剂和连接结构，提高预连接的质量和可靠性。

国内对自动化制孔技术和预连接工艺的研究起步相对较晚，但近年来发展迅速。在自动化制孔设备研制方面，以浙江大学、南京航空航天大学等科研单位为代表，取得了显著成果。南京航空航天大学田伟教授为成都航空工业（集团）有限公司开发的机器人自动制孔系统，通过精度补偿算法提高了机器人的绝对定位精度，利用激光位移传感器对机器人进行法向位姿调整，制孔精度达到了较高水平。国内学者在制孔工艺和预连接工艺研究方面也取得了不少进展，针对国产飞机的结构特点和材料特性，开展了大量的实验研究和理论分析，提出了一些适合国内生产实际的工艺优化方案。

然而，现有研究仍存在一些不足之处。在自动化制孔方面，对于复杂形状和特殊材料的飞机叠层结构，制孔精度和效率仍有待进一步提高，制孔过程中的稳定性和可靠性控制技术还不够成熟。在预连接工艺方面，不同预连接方法之间的综合性能对比研究还不够全面，缺乏系统的工艺优化方法和评价体系，难以实现预连接工艺与自动化制孔工艺的高效协同。

基于以上研究现状，本研究旨在针对飞机叠层结构自动化制孔过程中预连接工艺存在的问题，深入开展工艺优化研究，以提高制孔质量和生产效率，填补相关领域的研究空白，为我国飞机制造业的发展提供技术支持。

1.3研究内容与方法

本研究主要围绕面向自动化制孔的飞机叠层结构预连接工艺优化展开，具体研究内容包括以下几个方面：

预连接工艺分析：深入研究常用的胶接和栓接预连接方法，分析其工艺原理、特点以及在飞机叠层结构中的应用现状。通过对不同预连接工艺的工艺流程、材料选择、操作要点等方面进行详细剖析，找出影响预连接质量的关键因素