論某鋁鋰合金飛機蒙皮鏡像銑質量控制

羅志恒，孔慶猛，文松濤，羅志輝

（1.海裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌， 330024；2.航空工業洪都，江西 南昌， 330095）

0 引言

隨著鋁鋰合金新型材料在大型飛機蒙皮上的應用， 一種以數控加工代替化銑的新工藝也應運而生。為順應科技發展潮流，國際上一些飛機制造公司與設備制造廠商合作，研制了一款新型多功能五軸數控蒙皮鏡像銑，該設備能精確地對蒙皮件進行銑薄、切邊、開口和鉆孔。鏡像銑加工綠色、環保，性價比較傳統的化學銑切要高；鏡像銑加工后的蒙皮，表面粗糙度和光滑度也優于化銑，同時由于鏡像銑產生的冷作硬化作用還提高了蒙皮的疲勞極限。在國內，某飛機制造廠引進了一臺蒙皮鏡像銑設備，用于承接某型號飛機蒙皮的制造。這為某型號蒙皮精確成形以及改善產品質量奠定了良好的硬件基礎，但缺乏配套的設備應用技術和工藝優化解決方案。

圖1為典型鏡像銑雙曲率、鋁鋰合金厚蒙皮零件，原材料長度為6000mm；寬度為1800mm；厚度為6mm，成形難度較大。目前，某飛機制造廠承接的某型號項目中，鋁鋰合金蒙皮（T≥3mm）有4 項，占鏡像銑切蒙皮項的20%。

圖1 典型鋁鋰合金蒙皮零件

在前期研制過程中，蒙皮鏡像銑厚蒙皮的報廢率達到了20%，嚴重影響了生產進度，造成了大量經濟損失，已成為制約某型號項目進展的瓶頸。 現有工藝人員在蒙皮鏡像銑方面經驗也較少，為了逐步取代傳統的、以經驗分析和試驗為主的零件成形方法，避免造成材料和人工的巨大浪費，使得數控鏡像銑設備的功能得到發揮， 滿足新型飛機蒙皮零件的生產要求，突破嚴重制約新型鋁鋰合金蒙皮制造水平的瓶頸，本文開展了該項目的研究。

1 選題理由

結合技術背景和現實生產需求給出選題理由，如圖2 所示。

圖2 選題理由

2 設定目標

按照單位要求，小組將目標設定為：將某機型鋁鋰合金超厚蒙皮銑切合格率由80%提升至90%。

3 目標可行性分析

3.1 成員能力

成員能力分析圖，如圖3 所示。

圖3 成員能力分析圖

由圖3 可見，QC 小組是一支新老融合，綜合素養較高的團隊，其中不乏技術水平高、能力強的專家。

3.2 領導支持

上層的決策關系著公司未來發展的方向和技術攻關目標。 公司和分廠領導高度重視小組的科研生產，實時關注研發進程，及時協調解決研發過程中遇到的問題及困難，使得小組攻關順利開展。

3.3 設備保障

公司引進的高速五坐標蒙皮精確銑設備包括3部分，分別是臥式銑床，柔性夾具，以及頂撐裝置，如圖4 所示。

圖4 蒙皮鏡像銑切系統示意圖

頂撐裝置能夠在臥式銑床進行下陷銑削時，從背后對蒙皮工件進行頂撐。 為了獲得最高級的柔性化，這里的臥式銑床必須與柔性夾具裝置以及蒙皮頂撐裝置實現集成化和協同工作。 其中，蒙皮頂撐裝置集成了蒙皮厚度直接測量裝置，該裝置不但可以檢測最終加工完成后的工件厚度， 還可以在整個加工過程中，對工件的厚度進行實時在線監測，這對保持工件的公差起到關鍵作用。

3.4 查找癥結

針對10 塊鋁鋰合金厚蒙皮銑切不合格品， 小組對其缺陷進行了進一步調查分析，見表1。

表1 蒙皮鏡像銑銑切缺陷類型統計表

由表1 可知，厚度超差（厚度超差是降低蒙皮鏡像銑銑切合格率的癥結所在）占據80%，出現頻率最高。

4 原因分析

根據制定的活動目標，QC 小組召開會議，從“人、機、料、環、法、測”六個方面分類尋找了造成鋁鋰合金厚蒙皮銑切厚度超差的原因并繪制了因果圖，如圖5所示。

圖5 鋁鋰合金厚蒙皮銑切缺陷因素因果圖

5 要因確認

通過以上分析，找到了11 項鋁鋰合金厚蒙皮銑切厚度超差影響因素并開展全面檢查， 逐一甄別，詳見表2。

表2 要因確認

6 對策制定

QC 小組針對上述分析得出4 個主要原因： 探測設備不精準、刀具選用不合理、加工參數不合理、裝夾方式不合理，按照“5W1H”原則制定了詳細的對策表和活動前后對比表，詳見表3。

表3 對策表

7 對策實施

7.1 加裝內表面探測設備

小組討論及調研，綜合考慮經濟性、時間性、可實施性、可靠性、有效性五個方面，確定了最佳方案：采取非接觸式激光掃描方式融合接觸式激光掃描方式，優勢互補，兩者的對比分析，詳見表4。

表4 探測設備對比分析圖

非接觸式激光掃描方式，將預成形的蒙皮零件采用激光裝置對固定好的蒙皮內型面進行掃描，由激光頭發出光束（每束光包含上百個點）對蒙皮毛坯內型面所需加工區域無死角探測掃描，獲取一系列點的集合即為點云，然后再根據點云擬合成實際的零件內表面對原數模編程進行修整，以確保刀具運動軌跡與固定裝夾狀態下的蒙皮形狀一致。這種以蒙皮銑切加工表面為基準，通過控制下陷加工深度來確保蒙皮加工厚度精確度的方法，是一種對蒙皮加工厚度進行間接控制的方法，不僅效率高，掃描質量好，同時也能節省大量后處理及加工程序的編制時間。

非接觸式激光掃描運用專用軟件可以實時檢測并可以快速、量化、高質量地處理掃描獲得的點云。如圖6 所示，在操作界面中有“Automatic”選項可以開啟自動光強補償模式，克服了受蒙皮內表面顏色、反射特性的影響。 在最下方有兩個重要的指標“Laser-Width”和噪點指數，前者代表激光線的寬度，后者代表噪點嚴重程度， 從而可以有效地降噪獲取準確、有效數據。以點帶面，為后續處理提供了強有力的保障，修正加工程序，實現了精確銑切加工，從而提高了加工效率和加工質量。

圖6 非接觸式激光探測點云處理軟件交互界面

7.2 選用鋁鋰合金專用加工刀具

針對鋁鋰合金的加工性能， 加工選用Φ25R4 可拆換硬質合金銑刀，一方面是由于硬質合金材質的硬度大，耐磨性高；另一方面，這種銑刀是普通銑刀的2倍，在相同轉速和進給速度下，該銑刀的切削力比普通銑刀小，磨損也較緩慢，刀具冷卻通過主軸內部微量潤滑(MQL)實現。

7.3 修正加工參數

銑切鋁鋰合金蒙皮零件時，軸向力隨著進給量F的增大而增大，隨著轉速N 的增大而減小，并且與刀具材質也有一定關系。因此，采取先粗銑、后精銑的方式，盡量采用較小的進給量，適當提高主軸轉速。 但是，考慮到生產交付進度，為了提高加工效率，進給量在合適范圍內盡量選擇較高的數值。轉速和進給量數值的確定，應與選用的刀具類型和加工零件的材質相匹配，加工參數選用對比詳見表5。

表5 加工參數選用對比

7.4 更改裝夾方式

將零件毛坯料放置于銑床上進行試切定位后，為了克服零件自重下沉和銑切回彈引發震顫的影響，用自制輔助夾具在零件周邊余量位置上進行夾緊固定，特殊情況下用下部墊塊或者頂升裝置輔助裝夾，提高裝夾剛度和定位精度。 一般而言，毛坯料應比零件數模尺寸大50mm，避免成形零件被夾傷。

8 效果值檢查

8.1 目標值檢查

2018 年7 月至2018 年10 月，小組組織蒙皮鏡像銑生產攻關，每月生產了3 塊鋁鋰合金厚蒙皮，銑切合格率保持在90%。

QC 活動前，每塊厚蒙皮探點編程大約需要1 小時，活動后掃描編程大約需要0.5 小時；活動前每塊厚蒙皮探點時間大約3 小時，活動后的掃描時間大約需要0.5 小時，單件約節約3 小時。

本次QC 活動開展后，生產鋁鋰合金厚蒙皮零件，厚度超差問題得到明顯改善，提高了某機型鋁鋰合金厚蒙皮零件的銑切合格率（由80%提升至90%），達到了本次QC 攻關合格率提升至90%的目標。

8.2 技術經濟效益

此次活動讓我們積累了鋁鋰合金厚蒙皮零件的銑切成形經驗，學到了解決實際問題的方法，開拓了思路，提高了公司在該領域的制造技術水平，填補了國內此項技術的空白，提升了公司民機生產能力。

從經濟價值方面看，故障率降低到10%，現零件已經進入了小批生產階段，質量保持穩定，設備利用率大幅提高，降低了鏡像銑蒙皮零件報廢率，實現了較好的經濟效益。

9 制定鞏固措施

為了進一步鞏固活動成果，小組采取了以下措施：

1） 編制完善了《蒙皮銑機床基本操作規范》，XXX 2380-2018；

2） 編制完善了《激光測頭使用技術規范》， XXX 2381-2018。

10 思考與展望

本次活動中，QC 小組達到了預定目標，質量問題基本得到解決，為后續零件順利批產加工打下了堅實的基礎。 通過開展QC 小組活動，小組成員不僅在創新意識、個人能力、QC 知識、解決問題的信心方面得到提升，而且在團隊建設方面積累了寶貴經驗。

本次QC 小組質量攻關解決了某機型鋁鋰合金厚蒙皮零件的質量和加工效率問題，對今后類似零件的加工起到了很好的借鑒作用。