【威视点•制造创新】2014值得关注的航空制造技术突破（之三）
在本期，航空工业发展研究中心青年学者、国防制造创新问题研究专家刘亚威继续为您解读2014年值得关注的航空制造技术突破。今天给您讲述的是“轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔”。
这是什么技术：轨道加工工艺是一种创新的制孔工艺，与常规的钻孔方法（相当于“自转”）相反，轨道加工（相当于“公转”）实际上是一种铣削操作，在绕着孔中心的偏心运动中让刀具旋转，同时刀具绕着自己的轴旋转，沿着工件进给。
为什么值得关注：轨道加工不仅可以一次成孔，还具有很多功能。比如，只要调整偏移量，一个特定直径的刀具就可以生成不同直径的孔，这就可以显著减少刀具数量。轨道加工最重要的贡献于，它颠覆了航空制造领域的制孔流程，解决了碳纤维复合材料/钛合金叠板和碳纤维复合材料/铝合金叠板的挑战，大幅提升质量并降低成本。
在飞机制造中，制孔是工作量最为庞大的工作，数以十万、百万计，对部件质量和装配成本的影响不可小视。尤其是在碳纤维复合材料/金属叠板钻孔过程中，钛合金和铝合金产生的毛刺和碎屑，会损坏复合材料层，并使孔的尺寸精度低于要求的精度；而且，碳纤维非常容易磨损，并产生大量热，损伤树脂基体并造成刀具磨损，减少刀具寿命。这已经成为了飞机制孔中的老大难问题。
针对目前越来越广泛的复合材料和复材/金属叠板制孔，瑞典山德维克•可乐满公司与瑞典Novator公司开展了创新工艺的研究并取得了突破性进展，开发出了基于轨道加工的创新制孔工艺，解决了碳纤维复合材料/钛合金叠板和碳纤维复合材料/铝合金叠板的挑战，提升了制孔质量，降低了制造成本。与常规的钻孔方法（相当于“自转”）相反，轨道加工（相当于“公转”）实际上是一种铣削操作，在绕着孔中心的偏心运动中让刀具旋转，同时刀具绕着自己的轴旋转，沿着工件进给。
轨道加工制孔装置
轨道加工不仅可以一次成孔，还具有很多功能。比如，只要调整偏移量，一个特定直径的刀具就可以生成不同直径的孔，这就可以显著减少刀具数量。虽然数控加工中心也可以执行类似的动作，比如环形内插法，但是这样的机床尺寸大、速度慢，且功能较少。而轨道加工的推力小，孔质量高，从而可以提升干法加工或微量润滑（QML）的效果，很适合复材/钛合金叠板构件制孔。
轨道加工由于不需要不同类型的刀具，每把刀具的使用寿命得到延长，因此刀具成本会显著降低。常规钻孔系统中刀具寿命短是由于刀具中心暴露在过多的热量下。而在轨道加工中，刀具的切削刃只是部分、断续地与表面接触。再结合空气冷却，就避免了过热，延长了刀具寿命。
轨道加工原理
该工艺另一个重要的优点是，单个刀具可以用于各种操作，包括生成不同尺寸的孔、自适应叠层板钻孔、生成复杂外形孔、制埋头孔和绞孔等。因此，生产的准备时间会极大地减少。而且，整个工艺中不使用冷却液的优点，取消了冷却液清洁和处理环节，可以实现在清洁环境中制孔。
此外，轨道加工中的小推力特点还消除了复合材料钻孔中的分层，消除了金属钻孔中的毛刺。由于刀具比孔的直径更小，产生的碎屑更小，可以用气流系统排出。因此，该工艺不仅极大提升了表面光滑度，还减少了材料中的碎屑损伤。这种创新工艺的优点还包括消除了冶金变化的可能性，使高度自动化成为可能，总体上改进工作环境，使之更清洁等。
波音787中央翼盒-机身连接处制孔
轨道加工已经受到各大航空制造商青睐，空客是首个大量使用该工艺的，目前，该工艺已经成为航空工业公认的一种制孔方法。波音在787飞机的制造中就使用Novator的便携机床进行轨道加工，对飞机中央翼盒和机身连接处的最关键零件实施了制孔。
（航空工业发展研究中心 刘亚威）
作者简介：
刘亚威，航空工业发展研究中心青年学者，国防制造创新问题研究专家，足迹遍布全球几十个国家，对国外先进制造技术、智能制造、制造成熟度等有深入研究与独到见解。
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