化銑生產中激光刻型技術的應用優勢探討

殷世坤，郭巖，解二偉，張雪鋒

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

化學銑切（簡稱化銑）作為鋁合金、鈦合金零件的重要加工方法，廣泛應用于航空航天零部件的減薄、減重加工［1］。刻型是化銑生產中的一個重要環節，刻型的質量直接關系到化銑零件的加工精度和產品質量。目前國內的航空制造企業化銑生產，刻型大多借助于化銑樣板、定位銷、手術刀等工具進行手工刻型。手工刻型容易在零件基體表面產生一條刀痕，刀痕在腐蝕后就形成了化銑區根部的缺陷。并且成型化銑樣板在制造中，要經過膜胎成型、畫線、手工開口等工序，樣板生產周期長，極大的延長了零件的生產準備周期。

目前波音、空客和達索等先進航空制造企業，已將激光刻型技術應用到了化銑生產中。國內航空企業也引進了激光刻型設備，且在鋁合金化學銑切工藝中實現了激光刻型技術代替傳統的手工刻型［2］。由于加工精度高、加工速率高、無刻型刀痕等優點，激光刻型技術得到了快速發展。

1 工藝及設備介紹

1.1 化銑工藝

化學銑切是指將金屬材料需加工的部位暴露在特定的化學介質中進行腐蝕，不需加工的部位加以保護，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。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節，加工流程見圖1。關鍵工序有刻型、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。當前成型化銑樣板制造需經過膜胎成型、畫線、手工開口等工序，樣板生產周期長，極大的延長了零件的生產準備周期，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 激光刻型設備簡介

激光刻型設備一般為五坐標龍門式數控激光刻型機床，見圖3。設備應用于化銑刻型，可在一定程度上取代傳統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 激光刻型機模型Fig.3 Model of laser engraving machine

柔性工裝與激光刻型設備配套應用（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，除型面極度復雜的零件外均可應用，可節省大量的剛性專用工裝。柔性工裝的缺點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。基于現有的柔性工裝該缺點不能消除，只能改善。

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

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

2 激光刻型技術優勢

激光刻型技術經多年的實踐應用，與傳統手工刻型相比，具有以下幾方面優勢：

2.1 刻型精度高

傳統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為化銑區開口的精度，當前化銑樣板化銑區開口的制造誤差為±0.5 mm。基于操作者的刻型手法，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，②、③為刻型時刀片與化銑樣板不垂直的狀態，以生產經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。

激光刻型時運行數控程序，編程的依據為零件的制造數據集，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系曲線。激光刻型之前，準備工作包括定位銷裝載調整和零件的裝載，其準備工作時間長于手工刻型前準備工作的時間，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

手工刻型前準備工作僅為將樣板用定位銷固定到零件上，刻型前準備時間（t2）較短，但隨著零件尺寸的增大，刻型線的復雜程度加大，刻型時間與刻型總長度非一次線性關系，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，其中包括手工連線（部分樣板由于樣板本身強度的考慮，并非所有的化銑區都能完全開口，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，定位銷的裝載調整只需在本批次首件加工時完成即可，后續的零件加工只需進行零件的裝載。手工刻型批量加工時，每件零件都需要相同的刻型前準備工作。故在批量生產達到一定數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能明顯提高大型零件的刻型效率，以生產中某一2500 mm×2000 mm 零件為例，能提高刻型效率50%及以上。經生產實踐，推薦激光刻型零件尺寸為≥1500 mm×1200 mm。

2.3 減少工裝數量，節約成本

對于化銑區域特別復雜的零件，為保證樣板的實用性和強度，往往需要多件化銑樣板配套使用。如圖8 所示零件，化銑區域復雜且為多臺階化銑，在一件化銑樣板上無法實現所有化銑刻型區域開口，在保證樣板強度的基礎上，要表達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，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低于生產用工裝，工裝的生命周期得以延長，由此可見激光刻型技術能夠減少工裝數量，節約成本。

圖8 區域化銑復雜零件及樣板Fig.8 Localized milling of complex parts and templates

2.4 提升制造工業化水平，提高生產安全性

激光刻型技術是手工刻型到機械刻型的轉變，提升了制造的工業化水平。激光刻型技術的應用減少了手工刻型的工作量，化銑刻型操作者使用11#手術刀片的時間明顯縮短，有效降低了手工刻型帶來的安全風險的概率，提升了生產安全性。

3 激光刻型技術使用限制因素

激光刻型技術具備上述優點，勢必成為化銑刻型技術的發展方向，但在現有工藝水平上，激光刻型技術的應用還有一些限制因素。

3.1 定位基準孔的加工精度

激光刻型技術依靠定位銷和零件上的定位基準孔同軸配合定位，見圖9。定位銷的裝載位置在編程時確定，依據零件的理論定位基準孔的位置而定。當實際零件定位基準孔制造偏差過大時，會直接導致零件裝載的失敗，激光刻型無法實施；當實際零件定位基準孔制造偏差較小時，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孔的尺寸必須精準。

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同使用，前文中提到柔性工裝的缺點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，但會對激光刻型產生影響。型面變形量過大，將直接導致零件裝載失敗，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，二是適當增加定位基準數量。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

激光刻型技術是一次性完成所有的化銑刻型，對于多臺階化銑的零件，應用線性密封劑對刻型縫隙進行密封，故一款優質高效環保的線性密封劑是激光刻型技術廣泛應用的必備輔料之一。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、去除化銑保護膠膜時密封劑成膜斷口整齊。目前生產應用的線性密封劑一般為國外進口，且使用限制化銑深度≤2 mm。國內相關企業在此發面也有研究，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 零件型面不準確造成的偏差模擬Fig.10 Simulation of deviation caused by inaccu?rate part profile

3.4 刻型質量的快速檢測手段

在相關文獻的查閱時，國內企業介紹激光刻型技術時均未提到相關的檢測技術［2，4-6］。在沒有能夠與激光刻型技術相適應的膠膜刻線檢測技術的情況下，有相關人士介紹了一種針對激光刻型研究的視覺檢測技術［7］。當前激光刻型技術，對于刻型質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快速發展的必備條件。

4 總結

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