航空鈑金件后處理工藝研究范文

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[摘要]以航空鈑金件邊緣毛刺、銳邊及表面劃傷、擦傷等表面缺陷形成的原因為基礎，對比分析了傳統的后處理工藝技術和模塊式磨頭組合濕法處理工藝的特點及其加工效果，結果表明，濕法加工處理工藝為航空鈑金件表面缺陷修復的最佳方式，其在不影響材料性能及表面防護狀態下，使工件處理的勻質性得到了保障，加工的效率大大提升。

[關鍵詞]航空鈑金件；表面缺陷；研磨；后處理工藝

引言

隨著制造業加工水平的不斷提高和數字化技術的迅猛發展，飛機加工制造業對鈑金零件表面質量、形狀精度、產品合格率等的要求也越來越高。如毛刺、銳邊和傷痕等表面缺陷得不到有效修復，不僅影響工件的整體外觀質量，還會影響工件后續加工工序的加工質量及檢驗結果的準確性。同時，由于工件表面缺陷的存在，當飛機在高速、高震動、高溫環境中運行時容易引起應力開裂趨勢的產生，使其可靠性、穩定性降低。因此，對于這些表面缺陷的后處理就顯得至關重要。然而，鋁合金材料分為不包鋁（沿整個厚度方向具有均勻化學成分的板材）和包鋁（在零件板材的一面或兩面有一層冶金結合的包覆層，其目的是防止腐蝕，保持表面外觀等），其表面缺陷的修復有嚴格的質量控制要求。而去除毛刺、鈍化銳邊或修復傷痕的加工屬于表面研磨，如操作不當會直接對工件產生破壞，達不到產品設計質量要求。由此，既要更好地修復鈑金件的表面缺陷，且又不影響材料性能及破壞表面防護就成為航空鈑金后處理加工的難題。

1鈑金件表面缺陷的特性分析

飛機鈑金制造技術是航空航天制造工程的一個重要組成部分，是實現飛機結構特性的重要制造技術之一。成千上萬的鈑金零件，制造方法多種多樣，在其制造過程中大量的鈑金件由于設備、工裝、材料問題等不可避免地會形成以下幾類常見的表面缺陷問題：毛刺：沿切邊或沿孔周邊的金屬突起物，是由于進行去除金屬材料加工留下的。銳邊：除有特殊規定的情況外，兩個平面或兩個設計特征表面的交線形成的包容金屬的角度小于120°（A面和B面的夾角）。劃傷：因尖銳的物質（如板角、金屬或設備上的尖銳物等）與鋁合金表面接觸，在相對運動時所造成的成條狀的傷痕。擦傷：因棱狀物與鋁合金表面接觸或板面（包括曲面）在相對滑動或錯動時所造成的呈束狀分布的傷痕。鈑金零件形狀復雜，質量控制嚴格，有一定的使用壽命要求，對成形后的零件有明確的力學性能和物理性能的要求。而鈑金件上的邊緣毛刺、銳邊等對后期的制造技術精準性以及檢測準確性存在不良影響，如日本液壓專家認為，影響液壓件性能和壽命的原因有70%是毛刺造成的[6]。因此，對鈑金件邊緣毛刺大小、銳邊的角度（見圖1）和表面傷痕的深度具有嚴格的質量控制要求。

2傳統的后處理工藝簡析

以往，大多是采用人工方法對鈑金件進行去毛刺、鈍化銳邊（或倒圓角）和表面去傷痕處理。人工研磨方法，是勞動者采用銼刀、刮刀、砂布或采用動力裝置的砂輪、銑刀為研磨工具，對鈑金件切削刃口、內孔及其周邊區域直接進行研磨以達到去除毛刺和表面傷痕并鈍化外邊刃口的目的。隨后，伴隨航空制造技術的發展和為了提高加工效率及改善作業環境，傳統的機械加工處理方式逐步得到應用。但無論是人工研磨方法還是傳統的機械處理，其工藝技術缺陷則是共同的：無法完全、均勻、快速、安全地修復鈑金件表面缺陷。人工研磨處理方式比較適用于修復精度要求不高、加工量較小的工件。其主要問題在于，環保方面：研磨時產生的大量粉塵直接擴散到勞動場所及其周邊，使勞動者共同的工作環境受到破壞;勞保方面：勞動者和研磨工具與工件是近距離接觸的，極易引起人體劃傷、粉塵吸入等危害勞動者身體健康的事故；加工效果方面：勻質性和美觀度極差，具體表現為毛刺去除不完全、圓角大小不均、平面研磨凹凸不平、研磨欠缺和過度研磨而破壞鋁涂層等等，如圖2所示，甚至，研磨不當使淬火狀態的零件產生局部過熱而軟化；加工不完整性即加工死角問題：內孔直徑很小、其外邊沿錯縫間隙過小，如圖2所示，是人工研磨工具難以完成的，從而形成加工盲區或死角；加工效率方面：常見的300mm×150mm、空洞率30%、毛刺率80%、需進行雙面去除毛刺、鈍化銳邊和平面研磨處理的鈑金件，在正常情況下，一名操作工每小時不間斷工作時，加工這類工件的效率大約是20~30件/小時，如果一個批次下來需要加工2000件，則需要10個人干一整天才能完成。傳統的機械處理方式一般采用立式磨頭，對物體表面做下壓式研磨處理。研磨工具一般是單向研磨砂帶和旋轉式輥筒磨頭或圓盤式多點旋轉研磨刷頭，對工件上表面進行干式或濕式表面打磨，達到去毛刺和表面研磨處理。這種方式在效率上要優于手工方式，但其問題也是顯而易見的，加工溫度問題：由于此類機械源自木工研磨技術，不成熟的冷卻方式是其短板，而鈑金件被研磨處的溫度不得超過用手不能觸摸的溫度（約58℃以上）造成了其加工范圍的局限性；防護膜問題：此類機械采用的垂直布控磨頭進行下壓式研磨，鈑金件表面防護膜在研磨過程中常常被磨穿劃傷或掀開，如圖3所示；送料安全問題：采用真空或電磁吸附式工件傳送方式的不適用性是顯而易見的，小型或多孔工件飛出擊傷機體或造成工傷事故是此類機械的致命傷。

3模塊式磨頭組合濕法處理工藝特點及效果分析

選擇鈑金件表面缺陷后處理的方法時應考慮工件本身的材質、加工精度、幾何尺寸及表面缺陷大小和部位等因素；還要注意改善作業環境和條件，降低生產成本，提高加工效率。同時，表面缺陷修復后應能達到所期望的標準、不能降低工件尺寸精度要求和改變其表面形態。經過實證測試和技術比對，發現模塊式磨頭組合濕法處理工藝為航空鈑金件表面缺陷修復的有效方式。這種模塊式磨頭組合濕法加工機源于德國的金屬表面處理技術，分為加工部和干燥部兩個加工區；加工部按照加工處理工藝需要而配置最多4個工位即磨頭，磨頭的形式和規格需要依據加工要求進行合理配置。組成這些工位的磨頭一般有三類：第一類是砂帶磨頭，電機驅動，由電子跟蹤系統和氣缸自動調節和糾偏，使用布基平面研磨材料，其端頭平直對接成封閉式筒圈，在上下兩個直徑不同的輥筒（其中下面的一個是表面具有一定柔性的包膠輥）的帶動下，實現對工件表面的與進料方向相同的單向研磨；其主要功能是去除工件表面突出的尖利的毛刺或披鋒，或對工件表面做去除劃痕、拉絲或拋光處理；砂帶規格的選定一般取決于工件的加工要求、濕法或干法加工模式以及選擇的加工參數。第二類是立軸盤刷組合磨頭，根據工作臺面的寬度由不同數量盤刷組成盤刷組合，電機驅動，組合整體可以做橫向的擺動用以增加研磨的力度和均勻度；盤刷組合的旋轉方向和轉速一般是可調的，調整的依據一般依工件的加工要求而定；其主要功能是對工件表面的毛刺，包括立面研磨引起的二次毛刺，進行掃除式處理，同時對內外邊沿進行倒頓處理；盤刷刷頭的材質是多樣的，諸如陶瓷絲、金屬絲、尼龍絲、百潔布、砂條、砂片等等，對于材質的選擇一般根據工件的處理工藝目標以及加工模式來決定。第三類是臥軸輥筒式磨頭，電機驅動，可以采用與進料方向相同或相反兩種旋轉方式，同時具備橫向的往復式擺動功能以增加加工的力度和均勻性；轉速一般依據工件的加工要求以及選擇研磨材料的質地而定；其主要功能是對工件表面進行柔性、精細的終極研磨；磨頭的材質根據加工要求而多樣化，諸如百潔布、砂條、羊絨等等。值得一提的是，由于采用相同的工裝與機架及其驅動系統連接，第二類和第三類磨頭是可以在同一個加工工位上互換使用的，即多個工位可以采用相同的磨頭來提高加工效能，也可以分別采用不同磨頭或不同材質的同類磨頭來實現一次加工過程可以取得多樣化加工要求的目標。這樣的配置選擇對于航空件多品種、小批次的特點尤為重要。保持工件在高速研磨狀態下仍處于一定的溫度以內，是采用濕法加工的主要原因，這對航空鈑金件而言是另一個至關重要的課題。為此，選擇了先進的工件冷卻方式，即在每一個加工工位或磨頭（組合）的前后分別配置一根具有排列緊密的噴淋水嘴的水管，噴淋方向和噴水量均可調，這對于保持加工時鈑金件表面溫度不超過40℃的要求以及工件表面塵渣的有效清洗是非常重要的。干燥部采用輥筒擠壓和風刀強力吹拂的雙重處理方法，確保鈑金件上水分被完全去除。如前所述，鈑金件內孔和外邊緣有形態各異的毛刺、銳邊、表面傷痕，且有些表面含有切削過程中帶來的油脂等，如圖4（a）所示；某些表面要求高的工件為貼膜下料，這就要求加工時，既要達到修復工件表面缺陷的目的，又要保證不會掀翻防護膜或擊穿鋁涂層，還要保證加工后工件表面粗糙度達到工藝要求。為此，采用含有3%左右防銹液的普通工業用水作為輔助性加工介質，一方面可以清洗附著在磨頭表面的殘渣細屑，更重要的是對鈑金件進行冷卻。然后，在第一工位采用120目的硅質布基砂帶作為研磨介質，主要對工件表面做去除毛刺或去除劃痕處理；第二工位采用陶瓷絲材質的研磨盤刷，刷頭的材質可以根據加工要求進行調整，對工件內孔邊緣和外刃口的二次毛刺進行掃除式加工處理；第三工位選擇了比較柔細的研磨介質羊絨拋光輥，來實現對工件表面的精研拋光等細化處理。通過優化配置，每個和各個不同工位（磨頭）的研磨參數的設定與應用、以及不同工位（磨頭）上不同規格研磨材料的使用，可以實現不同而多樣化的處理效果，如圖4（c）所示。①工件加工溫度平穩，一般可以控制在40℃以內，加工后工件無內在應力變化。②選擇80~120目顆粒度的砂帶并精確設定-0.1~-0.3的壓力值，使垂直壓力作用于工件表面受到有效控制；選擇150mm直徑、陶瓷絲或尼龍絲材質的盤刷磨頭做拉帶式加工，既有效處理了毛刺和鈍化銳邊，同時又保全了防護膜的完整。③在板料平整度符合工藝要求和毛刺狀態可控的情況下，毛刺可以完全去除且內外邊緣銳邊得以鈍化，同時，工件表面研磨去削量不破壞材質及鋁涂層；同時鈑金件的表面光潔粗糙度得到了有力保證，輕松達到Ra0.3。④加工效率爆破式的提高：還是以300mm×150mm、空洞率30%、毛刺率80%、需進行雙面去除毛刺、鈍化銳邊和平面研磨處理的鈑金件為例，使用機器加工，效率達到每小時加工300~400件左右，等同于十幾名員工不間斷的小時加工量。

4結束語

航空鈑金件無論其處于產品外部或是機內結構，都屬于“生命件”，其質量都關乎人的生命。而且鈑金件以及它們所組成的最終產品，始終代表著國家和行業的整體形象，維系著航空制品使用者的生命安全，而其質量則是這個形象的最重要的、最有力的支撐之一。飛機制造過程中有大量的鈑金工件需要依據相關標準、工藝要求進行表面缺陷后處理修復，以保證航空器的高質量和高安全性。因此，只有改良鈑金件后處理的工藝技術，通過采取科學的工藝、前沿的設備，加之合理、有效的管理，使表面缺陷修復技術實現機器化、智能化及主動化，從而達到完全、均勻、快速、安全地去除航空鈑金件的表面缺陷。

參考文獻

[1]楊漢,陳佳,蘭勇等.數字化技術在航空鈑金成形模具制造中的應用[J].航空制造技術,2012,17:60

[2]胡學弘,許方君.去毛刺常用方法分析[J].科技創新與應用,2014(6):83

[3]張惠生.機械零件去毛刺工藝的現狀與發展[J].北京建筑工程學院學報,2001,17(4):58~63

作者：關軍謝 永鑫 單位：航空工業陜西飛機工業