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?yàn)榛A(chǔ)，對比分析了傳統(tǒng)的后處理工藝技術(shù)和模塊式磨頭組合濕法處理工藝的特點(diǎn)及其加工效果，結(jié)果表明，濕法加工處理工藝為航空鈑金件表面缺陷修復(fù)的最佳方式，其在不影響材料性能及表面防護(hù)狀態(tài)下，使工件處理的勻質(zhì)性得到了保障，加工的效率大大提升。

[關(guān)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(yè)加工水平的不斷提高和數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，飛機(jī)加工制造業(yè)對鈑金零件表面質(zhì)量、形狀精度、產(chǎn)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(fù)，不僅影響工件的整體外觀質(zhì)量，還會影響工件后續(xù)加工工序的加工質(zhì)量及檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，由于工件表面缺陷的存在，當(dāng)飛機(jī)在高速、高震動、高溫環(huán)境中運(yùn)行時容易引起應(yīng)力開裂趨勢的產(chǎn)生，使其可靠性、穩(wěn)定性降低。因此，對于這些表面缺陷的后處理就顯得至關(guān)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(xué)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(jié)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(fù)有嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求。而去除毛刺、鈍化銳邊或修復(fù)傷痕的加工屬于表面研磨，如操作不當(dāng)會直接對工件產(chǎn)生破壞，達(dá)不到產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量要求。由此，既要更好地修復(fù)鈑金件的表面缺陷，且又不影響材料性能及破壞表面防護(hù)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(jī)鈑金制造技術(shù)是航空航天制造工程的一個重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)特性的重要制造技術(shù)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(shè)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(jìn)行去除金屬材料加工留下的。銳邊：除有特殊規(guī)定的情況外，兩個平面或兩個設(shè)計(jì)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(zhì)（如板角、金屬或設(shè)備上的尖銳物等）與鋁合金表面接觸，在相對運(yùn)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(fù)雜，質(zhì)量控制嚴(yán)格，有一定的使用壽命要求，對成形后的零件有明確的力學(xué)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(shù)精準(zhǔn)性以及檢測準(zhǔn)確性存在不良影響，如日本液壓專家認(rèn)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?zhèn)鄣纳疃染哂袊?yán)格的質(zhì)量控制要求。

2傳統(tǒng)的后處理工藝簡析

以往，大多是采用人工方法對鈑金件進(jìn)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(nèi)孔及其周邊區(qū)域直接進(jìn)行研磨以達(dá)到去除毛刺和表面?zhèn)鄄⑩g化外邊刃口的目的。隨后，伴隨航空制造技術(shù)的發(fā)展和為了提高加工效率及改善作業(yè)環(huán)境，傳統(tǒng)的機(jī)械加工處理方式逐步得到應(yīng)用。但無論是人工研磨方法還是傳統(tǒng)的機(jī)械處理，其工藝技術(shù)缺陷則是共同的：無法完全、均勻、快速、安全地修復(fù)鈑金件表面缺陷。人工研磨處理方式比較適用于修復(fù)精度要求不高、加工量較小的工件。其主要問題在于，環(huán)保方面：研磨時產(chǎn)生的大量粉塵直接擴(kuò)散到勞動場所及其周邊，使勞動者共同的工作環(huán)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(zhì)性和美觀度極差，具體表現(xiàn)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(dāng)使淬火狀態(tài)的零件產(chǎn)生局部過熱而軟化；加工不完整性即加工死角問題：內(nèi)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(qū)或死角；加工效率方面：常見的300mm×150mm、空洞率30%、毛刺率80%、需進(jìn)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(tǒng)的機(jī)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(zhuǎn)式輥筒磨頭或圓盤式多點(diǎn)旋轉(zhuǎn)研磨刷頭，對工件上表面進(jìn)行干式或濕式表面打磨，達(dá)到去毛刺和表面研磨處理。這種方式在效率上要優(yōu)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(jī)械源自木工研磨技術(shù)，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(hù)膜問題：此類機(jī)械采用的垂直布控磨頭進(jìn)行下壓式研磨，鈑金件表面防護(hù)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(jī)體或造成工傷事故是此類機(jī)械的致命傷。

3模塊式磨頭組合濕法處理工藝特點(diǎn)及效果分析

選擇鈑金件表面缺陷后處理的方法時應(yīng)考慮工件本身的材質(zhì)、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(yè)環(huán)境和條件，降低生產(chǎn)成本，提高加工效率。同時，表面缺陷修復(fù)后應(yīng)能達(dá)到所期望的標(biāo)準(zhǔn)、不能降低工件尺寸精度要求和改變其表面形態(tài)。經(jīng)過實(shí)證測試和技術(shù)比對，發(fā)現(xiàn)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(fù)的有效方式。這種模塊式磨頭組合濕法加工機(jī)源于德國的金屬表面處理技術(shù)，分為加工部和干燥部兩個加工區(qū)；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(guī)格需要依據(jù)加工要求進(jìn)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(jī)驅(qū)動，由電子跟蹤系統(tǒng)和氣缸自動調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)對工件表面的與進(jìn)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?qū)ぜ砻孀鋈コ齽澓邸⒗z或拋光處理；砂帶規(guī)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(shù)。第二類是立軸盤刷組合磨頭，根據(jù)工作臺面的寬度由不同數(shù)量盤刷組成盤刷組合，電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速一般是可調(diào)的，調(diào)整的依據(jù)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(jìn)行掃除式處理，同時對內(nèi)外邊沿進(jìn)行倒頓處理；盤刷刷頭的材質(zhì)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(zhì)的選擇一般根據(jù)工件的處理工藝目標(biāo)以及加工模式來決定。第三類是臥軸輥筒式磨頭，電機(jī)驅(qū)動，可以采用與進(jìn)料方向相同或相反兩種旋轉(zhuǎn)方式，同時具備橫向的往復(fù)式擺動功能以增加加工的力度和均勻性；轉(zhuǎn)速一般依據(jù)工件的加工要求以及選擇研磨材料的質(zhì)地而定；其主要功能是對工件表面進(jìn)行柔性、精細(xì)的終極研磨；磨頭的材質(zhì)根據(jù)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(jī)架及其驅(qū)動系統(tǒng)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(zhì)的同類磨頭來實(shí)現(xiàn)一次加工過程可以取得多樣化加工要求的目標(biāo)。這樣的配置選擇對于航空件多品種、小批次的特點(diǎn)尤為重要。保持工件在高速研磨狀態(tài)下仍處于一定的溫度以內(nèi)，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(guān)重要的課題。為此，選擇了先進(jìn)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(diào)，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(fēng)刀強(qiáng)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(nèi)孔和外邊緣有形態(tài)各異的毛刺、銳邊、表面?zhèn)郏矣行┍砻婧星邢鬟^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(dá)到修復(fù)工件表面缺陷的目的，又要保證不會掀翻防護(hù)膜或擊穿鋁涂層，還要保證加工后工件表面粗糙度達(dá)到工藝要求。為此，采用含有3%左右防銹液的普通工業(yè)用水作為輔助性加工介質(zhì)，一方面可以清洗附著在磨頭表面的殘?jiān)?xì)屑，更重要的是對鈑金件進(jìn)行冷卻。然后，在第一工位采用120目的硅質(zhì)布基砂帶作為研磨介質(zhì)，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(zhì)的研磨盤刷，刷頭的材質(zhì)可以根據(jù)加工要求進(jìn)行調(diào)整，對工件內(nèi)孔邊緣和外刃口的二次毛刺進(jìn)行掃除式加工處理；第三工位選擇了比較柔細(xì)的研磨介質(zhì)羊絨拋光輥，來實(shí)現(xiàn)對工件表面的精研拋光等細(xì)化處理。通過優(yōu)化配置，每個和各個不同工位（磨頭）的研磨參數(shù)的設(shè)定與應(yīng)用、以及不同工位（磨頭）上不同規(guī)格研磨材料的使用，可以實(shí)現(xiàn)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(wěn)，一般可以控制在40℃以內(nèi)，加工后工件無內(nèi)在應(yīng)力變化。②選擇80~120目顆粒度的砂帶并精確設(shè)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(zhì)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(hù)膜的完整。③在板料平整度符合工藝要求和毛刺狀態(tài)可控的情況下，毛刺可以完全去除且內(nèi)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(zhì)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(dá)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(jìn)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(jī)器加工，效率達(dá)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(jié)束語

航空鈑金件無論其處于產(chǎn)品外部或是機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)，都屬于“生命件”，其質(zhì)量都關(guān)乎人的生命。而且鈑金件以及它們所組成的最終產(chǎn)品，始終代表著國家和行業(yè)的整體形象，維系著航空制品使用者的生命安全，而其質(zhì)量則是這個形象的最重要的、最有力的支撐之一。飛機(jī)制造過程中有大量的鈑金工件需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、工藝要求進(jìn)行表面缺陷后處理修復(fù)，以保證航空器的高質(zhì)量和高安全性。因此，只有改良鈑金件后處理的工藝技術(shù)，通過采取科學(xué)的工藝、前沿的設(shè)備，加之合理、有效的管理，使表面缺陷修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器化、智能化及主動化，從而達(dá)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(xiàn)

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作者：關(guān)軍謝 永鑫 單位：航空工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)