針對(duì)大尺寸高強(qiáng)度難加工鈦合金蒙皮零件切割難點(diǎn)，進(jìn)行多種鈑金加工方法迭代研究，將原有工藝流程進(jìn)行重構(gòu)，通過引入激光切割、數(shù)控銑切等工藝方法，解決了冷拉回彈造成的加工精度問題，以及高強(qiáng)度材料手工銑切的加工難題，優(yōu)化了各項(xiàng)難加工環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率，減少了加工時(shí)間。
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序言
鈑金蒙皮類零件的生產(chǎn)加工，其切割工藝多采用手工切割。面向鋁合金材料的生產(chǎn)加工，3.0mm厚度以下板材的切割加工較為適宜，但整體生產(chǎn)效率及生產(chǎn)精度偏低。隨著航空產(chǎn)品高精度、高性能需求的增長，鈦合金、鋁鋰合金及不銹鋼等材料的應(yīng)用逐漸增加，面向外形復(fù)雜、輪廓不規(guī)則、多孔及高強(qiáng)度材料零件切割所需的加工時(shí)間長，加工難度更大。尤其是采用鈦合金材料加工的大尺寸機(jī)身蒙皮零件，材料強(qiáng)度高，拉伸回彈變形大，采用冷拉成形實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)外形難度極大。因采用激光切割、數(shù)控切割過程中均需考慮一定的工藝余量補(bǔ)償，故降低了零件的生產(chǎn)效率[1-6]。本文以大尺寸鈦合金冷拉蒙皮零件為例，在考慮工藝補(bǔ)償?shù)那疤嵯?，綜合對(duì)比不同鈑金加工工藝所需時(shí)間，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)化工藝流程，提高難加工鈦合金蒙皮零件的生產(chǎn)效率和制造精度。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，解決了圖1所示典型難加工鈦合金蒙皮零件的加工問題，消除了切割加工主要難點(diǎn)，通過工藝流程迭代優(yōu)化，產(chǎn)品加工總時(shí)間相比優(yōu)化前大幅度縮短。
a）外形
b）多孔結(jié)構(gòu)
圖1 典型難加工鈦合金蒙皮零件
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復(fù)雜多孔鈦合金蒙皮零件加工問題
鈦合金蒙皮零件孔位極多，且部分孔外形表現(xiàn)為L形、橢圓形及槽形等異形。零件開孔數(shù)量分布于21～24個(gè)，裝配環(huán)節(jié)存在多個(gè)定位基準(zhǔn)和相互協(xié)調(diào)關(guān)系。該零件加工難度極高，生產(chǎn)效率低。零件在切割加工過程中，操作人員首先要預(yù)定位，劃出各孔及零件外形線，粗切割外形并找出各開孔定位點(diǎn)，隨后精確劃線，再手工精銑。生產(chǎn)過程冗長，加工所需時(shí)間較長。表1列出了實(shí)際生產(chǎn)中各工位所需有效加工時(shí)間。4種蒙皮零件平均所需有效加工時(shí)間較長，為33.75h，且多數(shù)情況下需2或3人協(xié)同加工，生產(chǎn)效率低。
表1 實(shí)際生產(chǎn)中各工位所需有效加工時(shí)間（單位：h）
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工藝方法優(yōu)化與重構(gòu)
通過表1所示各工位所需有效加工時(shí)間不難發(fā)現(xiàn)，切割（粗切和精銑）所需時(shí)間在瓶頸工序中所占比例為78%，即產(chǎn)品生產(chǎn)組織提效關(guān)鍵點(diǎn)為切割環(huán)節(jié)。針對(duì)難切割問題，擬通過引入數(shù)控切割方法，重構(gòu)工藝流程，逐步迭代優(yōu)化工藝方法。引入激光切割開展優(yōu)化。由于零件孔位切割、裝配協(xié)調(diào)關(guān)系較多，且冷拉回彈造成零件外形精度偏差較大，所以在實(shí)施過程中保留余量，以避免產(chǎn)生廢品。
通過優(yōu)化手工粗切環(huán)節(jié)為激光切割，切割工位所需有效加工時(shí)間有所降低，表2列出了第一次工藝方法優(yōu)化后各工位所需有效加工時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)零件1、零件2所需加工總時(shí)間降低21.9%，零件3、零件4所需加工總時(shí)間降低16.9%，但零件所需加工時(shí)間仍然較長，且保留余量造成手工精確劃線、手工精銑工作量較大，勞動(dòng)強(qiáng)度過高。
表2 激光切割方法各工位所需有效加工時(shí)間（單位：h）
該4種蒙皮零件的生產(chǎn)加工所用時(shí)間仍然過長。第二次工藝方法優(yōu)化為數(shù)控銑切，將劃線、粗切和精銑環(huán)節(jié)工作量降低至僅外形線，孔位及孔尺寸則由數(shù)控銑切保證精度。工藝驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，整個(gè)流程所需加工時(shí)間有所回升，其主要影響工位為手工切割外形和手工精銑外形。表3列出了數(shù)控銑切工藝方法優(yōu)化后各工位所需有效加工時(shí)間。相比第一次優(yōu)化結(jié)果，零件1、零件2所需加工總時(shí)間增加8%，零件3、零件4所需加工總時(shí)間增加1.7%。分析其有效加工時(shí)間增加原因，主要為數(shù)控銑切時(shí)間＞其他工位優(yōu)化減少總時(shí)間，數(shù)控定位、形面調(diào)整和檢測(cè)環(huán)節(jié)所占時(shí)間較長，需要進(jìn)一步調(diào)整。
表3 數(shù)控銑切方法各工位所需有效加工時(shí)間（單位：h）
結(jié)合激光切割方法優(yōu)化結(jié)果，在第三次工藝方法優(yōu)化時(shí)，將數(shù)控銑切方法手工粗切外形環(huán)節(jié)優(yōu)化為激光粗切外形。激光粗切能夠盡可能減小零件銑切工藝余量，一方面降低了手工粗切外形所需時(shí)間，同時(shí)也間接大大提高了手工精銑外形的加工時(shí)間。表4列出了激光+數(shù)控銑切方法各工位所需有效加工時(shí)間，對(duì)比優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體優(yōu)化效果明顯，產(chǎn)品加工總時(shí)間相比優(yōu)化前分別減少37.5%和40.8%。
表4 激光+數(shù)控銑切方法各工位所需有效加工時(shí)間（單位：h）
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結(jié)束語
本文針對(duì)鈦合金多孔蒙皮零件的切割難點(diǎn)和生產(chǎn)效率低的問題，重構(gòu)工藝流程并逐步優(yōu)化工藝方法。在保留加工余量的前提下，進(jìn)行不同鈑金加工方法的驗(yàn)證，綜合對(duì)比工藝所需時(shí)間，確定最優(yōu)工藝流程，最終采用激光粗切割外形與數(shù)控銑切內(nèi)孔相結(jié)合的方法，解決了零件的難加工問題，并大幅減少了加工時(shí)間。
