殷世坤，郭巖，解二偉，張雪鋒

（1.航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽110034；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，遼寧沈陽110034）

化學(xué)銑切（簡稱化銑）作為鋁合金、鈦合金零件的重要加工方法，廣泛應(yīng)用于航空航天零部件的減薄、減重加工［1］?？绦褪腔娚a(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，刻型的質(zhì)量直接關(guān)系到化銑零件的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。目前國內(nèi)的航空制造企業(yè)化銑生產(chǎn)，刻型大多借助于化銑樣板、定位銷、手術(shù)刀等工具進(jìn)行手工刻型。手工刻型容易在零件基體表面產(chǎn)生一條刀痕，刀痕在腐蝕后就形成了化銑區(qū)根部的缺陷。并且成型化銑樣板在制造中，要經(jīng)過膜胎成型、畫線、手工開口等工序，樣板生產(chǎn)周期長，極大的延長了零件的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

目前波音、空客和達(dá)索等先進(jìn)航空制造企業(yè)，已將激光刻型技術(shù)應(yīng)用到了化銑生產(chǎn)中。國內(nèi)航空企業(yè)也引進(jìn)了激光刻型設(shè)備，且在鋁合金化學(xué)銑切工藝中實現(xiàn)了激光刻型技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工刻型［2］。由于加工精度高、加工速率高、無刻型刀痕等優(yōu)點(diǎn)，激光刻型技術(shù)得到了快速發(fā)展。

1 工藝及設(shè)備介紹

1.1 化銑工藝

化學(xué)銑切是指將金屬材料需加工的部位暴露在特定的化學(xué)介質(zhì)中進(jìn)行腐蝕，不需加工的部位加以保護(hù)，通過刻型及腐蝕時間的控制，以獲得零件所需要的形狀和尺寸的一種特種加工技術(shù)。主要用于蒙皮、薄板類零件加工。

零件的加工包括化銑和鈑金加工，其中化銑是完成零件加工的重要環(huán)節(jié)，加工流程見圖1。關(guān)鍵工序有刻型、化銑、成型（含定位孔鉆制）、外形切割，其中刻型和化銑是化銑加工部分，成型（含定位孔鉆制）和外形切割為鈑金加工部分。

圖1 化銑零件加工流程Fig.1 Machining process of milling parts

化銑刻型需借助化銑樣板，見圖2。當(dāng)前成型化銑樣板制造需經(jīng)過膜胎成型、畫線、手工開口等工序，樣板生產(chǎn)周期長，極大的延長了零件的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，且樣板制造中的手工畫線、手工開口也無法保證樣板的制造精度，使得化銑零件的形位公差無法保證。

1.2 激光刻型設(shè)備簡介

激光刻型設(shè)備一般為五坐標(biāo)龍門式數(shù)控激光刻型機(jī)床，見圖3。設(shè)備應(yīng)用于化銑刻型，可在一定程度上取代傳統(tǒng)的借助化銑刻型樣板的手工刻型。

圖2 化銑樣板刻型Fig.2 Milling the pattern

圖3 激光刻型機(jī)模型Fig.3 Model of laser engraving machine

柔性工裝與激光刻型設(shè)備配套應(yīng)用（見圖4），加工時起到零件定位和支撐的作用。柔性工裝按照零件的理論型面形成支撐面，除型面極度復(fù)雜的零件外均可應(yīng)用，可節(jié)省大量的剛性專用工裝。柔性工裝的缺點(diǎn)在于形成的支撐面允許成型零件有輕微的變形，且對該變形不可察?；诂F(xiàn)有的柔性工裝該缺點(diǎn)不能消除，只能改善。

現(xiàn)有柔性工裝與零件接觸的頭部可旋轉(zhuǎn)、角度可調(diào)整。支撐頭部的立柱有兩類：一類是單維度，僅在Z 軸方向可調(diào)整；一類是三維度，在X、Y、Z 軸方面均可調(diào)整。后者在克服成型零件變形方面表現(xiàn)更好。

圖4 柔性工裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of flexible tooling

2 激光刻型技術(shù)優(yōu)勢

激光刻型技術(shù)經(jīng)多年的實踐應(yīng)用，與傳統(tǒng)手工刻型相比，具有以下幾方面優(yōu)勢：

2.1 刻型精度高

傳統(tǒng)手工刻型的精度取決于兩個因素，分別是化銑樣板制作精度和操作者刻型手法。其中化銑樣板制作精度主要體現(xiàn)為化銑區(qū)開口的精度，當(dāng)前化銑樣板化銑區(qū)開口的制造誤差為±0.5 mm?；诓僮髡叩目绦褪址?，刻型存在如圖5 所示的①、②、③三種情況，①為刻型時刀片與化銑樣板垂直的理想狀態(tài)，②、③為刻型時刀片與化銑樣板不垂直的狀態(tài)，以生產(chǎn)經(jīng)驗判斷造成的誤差為±0.5 mm。 綜上手工刻型與化銑零件理論刻型線誤差為±1 mm。

激光刻型時運(yùn)行數(shù)控程序，編程的依據(jù)為零件的制造數(shù)據(jù)集，固刻型時激光的行走軌跡為化銑刻型的理論軌跡，有效避免了樣板制造和刻型手法帶來的±1 mm 的誤差。（注：浸蝕比為橫向浸蝕量與縱向浸蝕量的比值）

圖5 手工刻型示意圖Fig.5 Schematic diagram of manual engraving

2.2 大型零件刻型效率高

圖6 為化銑零件的刻型總長度與刻型時間的關(guān)系曲線。激光刻型之前，準(zhǔn)備工作包括定位銷裝載調(diào)整和零件的裝載，其準(zhǔn)備工作時間長于手工刻型前準(zhǔn)備工作的時間，即圖6 中t1＞t2。完成零件裝夾后，因激光刻型為定速刻型，故激光刻型時間與刻型總長度成正比關(guān)系，即T=t1+S/v（v激光刻型速度），如圖6中①所示。

圖6 激光刻型與手工刻型效率對比Fig.6 Efficiency comparison of laser engraving and manual engraving

手工刻型前準(zhǔn)備工作僅為將樣板用定位銷固定到零件上，刻型前準(zhǔn)備時間（t2）較短，但隨著零件尺寸的增大，刻型線的復(fù)雜程度加大，刻型時間與刻型總長度非一次線性關(guān)系，即T=t2+KS/v1（v1手工刻型速度，K為手工刻型速度的影響因子），如圖6中③所示。其中K為變量，與零件手工刻型的難易程度有關(guān)，其中包括手工連線（部分樣板由于樣板本身強(qiáng)度的考慮，并非所有的化銑區(qū)都能完全開口，如圖7，樣板卸下后需手工連線）等。

圖7 需手工連線的樣板Fig.7 Template to be wired manually

激光刻型批量加工時，定位銷的裝載調(diào)整只需在本批次首件加工時完成即可，后續(xù)的零件加工只需進(jìn)行零件的裝載。手工刻型批量加工時，每件零件都需要相同的刻型前準(zhǔn)備工作。故在批量生產(chǎn)達(dá)到一定數(shù)量時激光刻型效率高于手工刻型。如圖6 中曲線②、④所示，其中②為激光刻型批量零件加工，④為手工刻型批量零件加工。

激光刻型技術(shù)因柔性工裝的限制，并不適用小型零件的加工，通過圖6 可以看出激光刻型技術(shù)能明顯提高大型零件的刻型效率，以生產(chǎn)中某一2500 mm×2000 mm 零件為例，能提高刻型效率50%及以上。經(jīng)生產(chǎn)實踐，推薦激光刻型零件尺寸為≥1500 mm×1200 mm。

2.3 減少工裝數(shù)量，節(jié)約成本

對于化銑區(qū)域特別復(fù)雜的零件，為保證樣板的實用性和強(qiáng)度，往往需要多件化銑樣板配套使用。如圖8 所示零件，化銑區(qū)域復(fù)雜且為多臺階化銑，在一件化銑樣板上無法實現(xiàn)所有化銑刻型區(qū)域開口，在保證樣板強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，要表達(dá)出所有的化銑刻型需要3 件化銑樣板。此類零件采用激光刻型技術(shù)，只保留一件化銑刻型檢驗工裝即可。檢驗工裝的使用頻率和磨損程度遠(yuǎn)低于生產(chǎn)用工裝，工裝的生命周期得以延長，由此可見激光刻型技術(shù)能夠減少工裝數(shù)量，節(jié)約成本。

圖8 區(qū)域化銑復(fù)雜零件及樣板Fig.8 Localized milling of complex parts and templates

2.4 提升制造工業(yè)化水平，提高生產(chǎn)安全性

激光刻型技術(shù)是手工刻型到機(jī)械刻型的轉(zhuǎn)變，提升了制造的工業(yè)化水平。激光刻型技術(shù)的應(yīng)用減少了手工刻型的工作量，化銑刻型操作者使用11#手術(shù)刀片的時間明顯縮短，有效降低了手工刻型帶來的安全風(fēng)險的概率，提升了生產(chǎn)安全性。

3 激光刻型技術(shù)使用限制因素

激光刻型技術(shù)具備上述優(yōu)點(diǎn)，勢必成為化銑刻型技術(shù)的發(fā)展方向，但在現(xiàn)有工藝水平上，激光刻型技術(shù)的應(yīng)用還有一些限制因素。

3.1 定位基準(zhǔn)孔的加工精度

激光刻型技術(shù)依靠定位銷和零件上的定位基準(zhǔn)孔同軸配合定位，見圖9。定位銷的裝載位置在編程時確定，依據(jù)零件的理論定位基準(zhǔn)孔的位置而定。當(dāng)實際零件定位基準(zhǔn)孔制造偏差過大時，會直接導(dǎo)致零件裝載的失敗，激光刻型無法實施；當(dāng)實際零件定位基準(zhǔn)孔制造偏差較小時，零件裝載可能成功，但刻型線的位置存在偏差，該偏差可能超過刻型允許的誤差范圍。故采用激光刻型的零件定位基準(zhǔn)孔的尺寸必須精準(zhǔn)。

圖9 激光刻型零件的定位Fig.9 Positioning of laser engraving parts

3.2 零件型面加工精度

激光刻型與柔性工裝協(xié)同使用，前文中提到柔性工裝的缺點(diǎn)在于形成的支撐面允許成型零件有輕微的變形，且對該變形不可察。鈑金零件成型后在殘余應(yīng)力的作用下會有小幅度的回彈，此變形量在鈑金加工允許的誤差范圍內(nèi)，但會對激光刻型產(chǎn)生影響。型面變形量過大，將直接導(dǎo)致零件裝載失敗，激光刻型無法實施；型面變形量小時，零件能夠在柔性工裝上裝載成功，但刻型線位置會產(chǎn)生偏差，如圖10所示。

該問題有兩種解決方法，一是提高零件型面加工精度，二是適當(dāng)增加定位基準(zhǔn)數(shù)量。此兩種措施能使零件刻型面盡可能的接近理論型面，其中提高零件型面加工精度是解決問題的根本。

3.3 線性密封劑的選用

激光刻型技術(shù)是一次性完成所有的化銑刻型，對于多臺階化銑的零件，應(yīng)用線性密封劑對刻型縫隙進(jìn)行密封，故一款優(yōu)質(zhì)高效環(huán)保的線性密封劑是激光刻型技術(shù)廣泛應(yīng)用的必備輔料之一。一般對于線性密封劑的要求有：耐化銑槽液侵蝕、密封性好、干燥快速、去除化銑保護(hù)膠膜時密封劑成膜斷口整齊。目前生產(chǎn)應(yīng)用的線性密封劑一般為國外進(jìn)口，且使用限制化銑深度≤2 mm。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在此發(fā)面也有研究，以熱塑性彈性體和氯化聚乙烯樹脂相互改性，制備線性密封劑［3］。

圖10 零件型面不準(zhǔn)確造成的偏差模擬Fig.10 Simulation of deviation caused by inaccu?rate part profile

3.4 刻型質(zhì)量的快速檢測手段

在相關(guān)文獻(xiàn)的查閱時，國內(nèi)企業(yè)介紹激光刻型技術(shù)時均未提到相關(guān)的檢測技術(shù)［2，4-6］。在沒有能夠與激光刻型技術(shù)相適應(yīng)的膠膜刻線檢測技術(shù)的情況下，有相關(guān)人士介紹了一種針對激光刻型研究的視覺檢測技術(shù)［7］。當(dāng)前激光刻型技術(shù)，對于刻型質(zhì)量可以采用樣板檢驗，鑒于樣板的加工精度，此方法顯然與激光刻型技術(shù)的制造水平不匹配。因此一種快速檢測手段是激光刻型技術(shù)快速發(fā)展的必備條件。

4 總結(jié)

激光刻型技術(shù)相對傳統(tǒng)手工刻型具有加工精度高、加工效率高、無刻型刀痕、減少工裝等優(yōu)點(diǎn)，是未來化銑刻型的發(fā)展方向。但同時對零件的鈑金加工提出了更高的要求，對快速檢測技術(shù)提出了新的需求。