高强度钛合金多孔蒙皮零件钣金加工方法

针对大尺寸高强度难加工钛合金蒙皮零件切割难点，进行多种钣金加工方法迭代研究，将原有工艺流程进行重构，通过引入激光切割、数控铣切等工艺方法，解决了冷拉回弹造成的加工精度问题，以及高强度材料手工铣切的加工难题，优化了各项难加工环节的生产效率，减少了加工时间。

　　1.序言

　　钣金蒙皮类零件的生产加工，其切割工艺多采用手工切割。面向铝合金材料的生产加工，3.0mm厚度以下板材的切割加工较为适宜，但整体生产效率及生产精度偏低。随着航空产品高精度、高性能需求的增长，钛合金、铝锂合金及不锈钢等材料的应用逐渐增加，面向外形复杂、轮廓不规则、多孔及高强度材料零件切割所需的加工时间长，加工难度更大。尤其是采用钛合金材料加工的大尺寸机身蒙皮零件，材料强度高，拉伸回弹变形大，采用冷拉成形实现精准外形难度极大。因采用激光切割、数控切割过程中均需考虑一定的工艺余量补偿，故降低了零件的生产效率[1-6]。本文以大尺寸钛合金冷拉蒙皮零件为例，在考虑工艺补偿的前提下，综合对比不同钣金加工工艺所需时间，并根据验证结果优化工艺流程，提高难加工钛合金蒙皮零件的生产效率和制造精度。经实际生产验证，解决了图1所示典型难加工钛合金蒙皮零件的加工问题，消除了切割加工主要难点，通过工艺流程迭代优化，产品加工总时间相比优化前大幅度缩短。

a）外形

b）多孔结构

图1　典型难加工钛合金蒙皮零件

　　2.复杂多孔钛合金蒙皮零件加工问题

　　钛合金蒙皮零件孔位极多，且部分孔外形表现为L形、椭圆形及槽形等异形。零件开孔数量分布于21～24个，装配环节存在多个定位基准和相互协调关系。该零件加工难度极高，生产效率低。零件在切割加工过程中，操作人员首先要预定位，划出各孔及零件外形线，粗切割外形并找出各开孔定位点，随后精确划线，再手工精铣。生产过程冗长，加工所需时间较长。表1列出了实际生产中各工位所需有效加工时间。4种蒙皮零件平均所需有效加工时间较长，为33.75h，且多数情况下需2或3人协同加工，生产效率低。

表1　实际生产中各工位所需有效加工时间（单位：h）

　　3.工艺方法优化与重构

　　通过表1所示各工位所需有效加工时间不难发现，切割（粗切和精铣）所需时间在瓶颈工序中所占比例为78%，即产品生产组织提效关键点为切割环节。针对难切割问题，拟通过引入数控切割方法，重构工艺流程，逐步迭代优化工艺方法。引入激光切割开展优化。由于零件孔位切割、装配协调关系较多，且冷拉回弹造成零件外形精度偏差较大，所以在实施过程中保留余量，以避免产生废品。

　　通过优化手工粗切环节为激光切割，切割工位所需有效加工时间有所降低，表2列出了第一次工艺方法优化后各工位所需有效加工时间，可以发现零件1、零件2所需加工总时间降低21.9%，零件3、零件4所需加工总时间降低16.9%，但零件所需加工时间仍然较长，且保留余量造成手工精确划线、手工精铣工作量较大，劳动强度过高。

表2　激光切割方法各工位所需有效加工时间（单位：h）

　　该4种蒙皮零件的生产加工所用时间仍然过长。第二次工艺方法优化为数控铣切，将划线、粗切和精铣环节工作量降低至仅外形线，孔位及孔尺寸则由数控铣切保证精度。工艺验证发现，整个流程所需加工时间有所回升，其主要影响工位为手工切割外形和手工精铣外形。表3列出了数控铣切工艺方法优化后各工位所需有效加工时间。相比第一次优化结果，零件1、零件2所需加工总时间增加8%，零件3、零件4所需加工总时间增加1.7%。分析其有效加工时间增加原因，主要为数控铣切时间＞其他工位优化减少总时间，数控定位、形面调整和检测环节所占时间较长，需要进一步调整。

表3　数控铣切方法各工位所需有效加工时间（单位：h）

　　结合激光切割方法优化结果，在第三次工艺方法优化时，将数控铣切方法手工粗切外形环节优化为激光粗切外形。激光粗切能够尽可能减小零件铣切工艺余量，一方面降低了手工粗切外形所需时间，同时也间接大大提高了手工精铣外形的加工时间。表4列出了激光+数控铣切方法各工位所需有效加工时间，对比优化结果发现，整体优化效果明显，产品加工总时间相比优化前分别减少37.5%和40.8%。

表4　激光+数控铣切方法各工位所需有效加工时间（单位：h）

　　4.结束语

　　本文针对钛合金多孔蒙皮零件的切割难点和生产效率低的问题，重构工艺流程并逐步优化工艺方法。在保留加工余量的前提下，进行不同钣金加工方法的验证，综合对比工艺所需时间，确定最优工艺流程，最终采用激光粗切割外形与数控铣切内孔相结合的方法，解决了零件的难加工问题，并大幅减少了加工时间。