通風板激光熱加工成形改進

邱明 施玉霄 李杰

航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧 沈陽 110850

引言

在高速高壓環境下工作的機械，其結構應在保證強度條件下考慮通風散熱問題，故而通風板類零件較為常見。通風板類零件主要分為復合材料和金屬材料兩大類，目前機械行業，尤其是靠近各種發動機的部位，通風板類零件多選用金屬材料，因此針對使用鈑金材料的通風板類零件加工過程中存在成形困難、加工質量差、生產周期長、報廢率高等問題，開展對含有通風板特征的零件成形過程進行改進研究十分必要。

鈑金成形加工過程中，比較常見且成熟的切削加工有數控銑切、線切割、激光切割等加工工藝。加工工藝各有利弊，如何選取高效且節約成本的加工方式，對生產順利進行有著至關重要的作用。本文主要對激光切割這一較新的加工工藝進行實驗研究，對比數控銑切、線切割加工工藝，得出通風板類零件加工的優化工藝，為此類零件的批量化加工工藝設計提供思路。

激光切割技術是一項利用激光加工平面的切割技術，由于其加工精度高、無污染等一些優點受到眾多學者的關注[1]。將激光切割技術應用到鋁合金鈑金加工中，不僅能夠帶來較大的便利性，還可以提升鋁合金鈑金加工的質量和效率，從而順利地完成鋁合金鈑金加工。如果能夠對鋁合金的加工效率和高質量的激光切割，將會明顯提高鋁合金加工效率，促進我國重要工業領域的發展[2]。

1 生產現狀

金屬材料通風板類零件多為整體結構，零件局部典型結構模型見圖1。零件外擴尺寸涵蓋范圍較廣，料厚覆蓋范圍較大，腹板上多個加強結構。本文主要選取長度尺寸超過1.5m的金屬鈑金通風板零件進行研究，該零件不僅整體面積較大，而且加強結構多且尺寸不一，在工業生產中加工難度較大。此類零件現階段比較成熟的加工成形方式為：使用沖切成形一體模在橡皮囊液壓機上液壓成形。即利用液壓機壓力，在切口同時完成用于加強的翻邊結構。

圖1 通風板局部典型結構模型

目前該工藝方法較為成熟，但生產過程中發現，零件成形后在開口根部時有發生沖切不開，造成局部易產生細微裂紋等情況見圖2，該情況可以采取補加工止裂孔、局部打磨等措施進行修復，但零件一次交檢合格率偏低，零件廢品率居高不下。

圖2 沖切不開及裂紋情況

對于工裝而言，由于在成形時需要借助液壓機壓力和工裝結構沖裁零件斷口并成形出加強結構，在成形3-5件零件后會使刀口損耗報廢，在需要滿足沖裁間隙足夠的前提下，工裝的生命周期遠遠不如一般的僅成形工裝。

2 研究方向及技術指標

通風板類零件結構多為金屬薄壁鋁結構[3]。針對通風板類零件加工過程中存在成形困難、加工質量差、生產周期長、報廢率高等問題，且延長工裝的生命周期，對帶有通風板特征的零件成形過程進行改進研究。通過不同的輔助加工結果比對分析從而得到最優的工藝方法，進而取締原有依靠孔定位、沖切工裝的加工方式，避免零件出現裂紋的風險，實現通風 板類零件精準成形，提升零件質量、延長工裝使用壽命。

通過以往生產過程中出現的生產周期過長及出現零件報廢等情況分析發現，將對應的切縫 在成形之前預先加工出來，代替原有的工裝刀具切割的開縫工序，對后續零件成形時工裝的 損耗有大幅度減緩，且能大幅度避免不適當切割產生的裂紋，故新的工藝方案設計為增加數銑控銑刀銑切、線切割、激光切割等輔助加工，預先加工切縫。

這三種切縫加工方式在工業上已經有較為廣泛和成熟的應用，其中選取數銑控銑刀銑切主要考慮該加工方式在鋁合金切割應用上最為常規，對于大量重復性加工，該工藝成熟且效率較高；選取線切割主要考慮該加工方式對于窄縫加工優勢大，切口平整，無須后續加工，但由于加工方式受限，加工效率待驗證；選取激光切割主要考慮切割面光滑，無須后續加工，加工熱影響區等待驗證。

優化下料方式，即在止裂孔圓心之間預加工一道2mm縫隙。開縫具體加工方式分為三類： 數控銑刀銑切、線切割、激光切割。技術指標：①外形加工公差正負0.5mm。②形面與工裝貼合間隙不大于0.5mm。③粗糙度要求Ra6.3。④確定最優止裂孔尺寸（止裂孔一般給定范圍，以防止開裂，范圍值為Φ5～8mm）。⑤加工周期至少縮短 20%。

3 實施方案

為優化下料方式，需要先進行以下前期工藝準備：

完成基礎二維展開數據集，局部視圖見圖3。

圖3 基礎二維展開數據集局部視圖

確定實驗所需的不同輔助工藝方式；數銑銑切，線切割銑切，激光銑切；按工裝實際 止裂孔位置進行調整后得到理想狀態的開縫后的基礎二維展開數據集，縫隙寬度 2mm，局部視圖見圖4。

圖4 開縫后的基礎二維展開數據集局部視圖

確定實驗時所需最佳止裂孔尺寸為研究范圍為Φ5～8mm。

確定實驗所需的不同工藝方式：液壓成形。

4 實施結果及存在問題

4.1 數控銑刀銑切

采用方式：數控銑刀銑切，局部效果見圖5。成形后的零件除表面質量外，并無明顯 裂紋等缺陷。

圖5 數控銑刀銑切局部效果圖

存在問題：在用銑刀開縫的過程中，由于改工藝刀具材料受限，零件縫隙僅2mm 且數量較多，導致銑刀多次斷裂， 耗費Φ2.7銑刀32根。零件表面有多道斷刀造成的劃傷，最深處超過0.3mm。加工單一零件總時長超過24h，生產效率嚴重低下，且零件表面質量較差。

4.2 線切割

采用方式：線切割，效果見圖6。成形后的零件除表面質量、熱影響區外，并無明顯 裂紋等缺陷。

圖6 線切割局部效果圖

存在問題：線切割因機床加工平臺尺寸過小，無法全面加工零件。且線切割加工過程較為煩瑣，鋁合金加工過程中電流需要最小，不適用與大型鈑金零件的大批量加工的生產任務，制約產能。

4.3 激光切割

采用方式：激光切割，局部效果圖見圖7。將零件成形后，局部效果圖見圖8，成形后的零件除表面質量、熱影響區外，并無明顯裂紋等缺陷。

圖7 激光切割局部效果圖

圖8 激光切割后成形局部效果圖

存在問題：激光切割編程大約3分鐘，加工5分鐘/每件，加工過程中由于鋁合金表面反光，易造成光點跳動，熱影響區有波動，該波動在要求范圍內。

5 結束語

對比不同切縫方式所成形的零件效果發現，采用數控銑刀銑切，由于刀具材料受限，對零件損傷較大，且生產效率上優勢不大；采用線切割，由于設備和加工方式特點，雖然零件表面較好，但是生產受限；采用激光切割，由于加工方式特點，產前準備時針對鋁合金表面 反光，需對設備進行保護，夾持設備需選用不導熱材料，生產過程中會產生熱影響區，但熱影響區波動范圍在技術要求范圍內，綜合來說生產效率較高。

綜上，采用激光切割預先加工切縫，實現在后續液壓成形時得到通風板類零件最終外形的工藝方法，可以取締原有依靠孔定位、沖切工裝的加工方式，避免零件出現裂紋的風險，實現通風板類零件精準成形，提升零件質量、延長工裝使用壽命，縮短零件生產周期。