激光切割技術(shù)在飛機(jī)樣板加工中的應(yīng)用

1、激光切割技術(shù)在飛機(jī)樣板加工中的應(yīng)用單位:技術(shù)裝備公司撰稿人:郭亞星日期:2016.07.06內(nèi)容摘要 本文主要結(jié)合貴飛公司技術(shù)裝備公司樣板加工實(shí)際，利用激光切割加工的特點(diǎn)，對(duì)比傳統(tǒng)加工工藝，簡(jiǎn)述了數(shù)控激光切割技術(shù)的特點(diǎn)及與傳統(tǒng)工藝的差異，重點(diǎn)闡述了在飛機(jī)樣板加工中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生的重大影響，并說明了廣泛采用該技術(shù)的迫切性。主題詞：飛機(jī) 樣板 激光切割 數(shù)控切割 經(jīng)濟(jì)效益引 言我國(guó)航空工業(yè)系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛地采用CAD/CAM技術(shù)，大幅度提高了設(shè)計(jì)加工的效率和質(zhì)量。但以目前國(guó)內(nèi)和我們貴飛公司應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)和所達(dá)到的水平而言，我們的樣板加工工藝方法相對(duì)落后，幾十

2、年來幾乎沒有什么大的變化，從曾經(jīng)輝煌的三線建設(shè)到如今合并后的騰飛的貴飛公司，我們的加工效率低，加工質(zhì)量且切費(fèi)用高。在模擬量與數(shù)字量傳遞并存，并且模擬量傳遞占很大比例的情況下，樣板加工質(zhì)量仍然是影響工裝質(zhì)量、零件質(zhì)量乃至飛機(jī)總體質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。另外樣板加工效率低，往往也成為影響飛機(jī)研制進(jìn)度和飛機(jī)交付進(jìn)度的重要因素。因此，改變樣板加工工藝是提高效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加效益的一致要求和迫切要求。在樣板加工過程中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造二者的結(jié)合是滿足這一要求的正確方向，而采用數(shù)控激光切割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一結(jié)合的極具希望的途徑。1.激光切割技術(shù)概述     當(dāng)激光束聚

3、焦成很小的光點(diǎn)其最小直徑可小于 0.1mm），使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度可超過106Wcm2)。這時(shí)光束輸入（由光能轉(zhuǎn)換）的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快加熱至汽化濕度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄（如0.1mm左右）的切縫。切邊熱影響很小，基本沒有工件變形。 切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體。鋼切割時(shí)得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性氣體。進(jìn)入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。 &#

4、160;   大多數(shù)有機(jī)與無機(jī)都可以用激光切割。在工業(yè)制造占有分量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可進(jìn)形無變形切割（目前使用最先進(jìn)的激光切割系統(tǒng)可切割工業(yè)用鋼的厚度已可接近20mm）。當(dāng)然，對(duì)高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割（某些難切割材料可使用脈沖波激光束進(jìn)行切割，由于極高的脈沖波峰值功率，會(huì)使材料對(duì)光束的吸收系數(shù)瞬間急劇提高）。     激光切割無毛刺，皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來說，由于微機(jī)程序的現(xiàn)代化激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與

5、尺寸的工件（工件圖紙也可修改），它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，還節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省加工費(fèi)用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟(jì)上更為合算。    另一方面，從如何使模具適應(yīng)工件設(shè)計(jì)尺寸和形狀變化角度看，激光切割也可發(fā)揮其精確、重現(xiàn)性好的優(yōu)勢(shì)。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級(jí)模具制作工，激光切割運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費(fèi)用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)淺硬化層（熱影響區(qū)），提高模具運(yùn)行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點(diǎn)給圓鋸片切割成形帶來無應(yīng)力優(yōu)勢(shì)

6、，由此提高了使用壽命。2. 激光切割技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)激光切割技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為一種以加工精度高、速度快，與CAD技術(shù)緊密結(jié)合為突出特色的廣泛應(yīng)用的切割技術(shù)。我公司目前采用的激光切割機(jī)是G3015F光纖激光切割機(jī)，其切割性能優(yōu)良。激光切割系統(tǒng)的加工特點(diǎn)：a:加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定?？蓾M足各種有人機(jī)無人機(jī)機(jī)型，各類樣板的加工精度要求。b:效率高。以每分鐘3m的切割速度計(jì)算，每小時(shí)可加工820項(xiàng)樣板。激光輸出功率在2000W以上時(shí)，切割速度一般都大于3m/min。c:可達(dá)性好。適用于加工應(yīng)用銑切方法無法達(dá)到、無法加工的地方（如樣板視孔、補(bǔ)加與樣板連接處夾角等）。d:可進(jìn)行多種工序工作，如切割、

7、開孔、劃線、刻標(biāo)記等。e:適合單件生產(chǎn)。f:適用于多種材料切割下料，如金屬、非金屬。g:可采用計(jì)算機(jī)對(duì)工件進(jìn)行組合排樣，材料利用率高，浪費(fèi)極少，減少成本。h:直接應(yīng)用設(shè)計(jì)階段生成的CAD數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM緊密結(jié)合。G3015F光纖激光切割機(jī)性能及特點(diǎn)我公司選用的是大族G3015F光纖激光切割機(jī)，采用交流伺服電機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)的快速、高精度龍門式激光加工機(jī)。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，具有時(shí)代感，采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，高度適中，操作方便。整體剛性好、精度及性能穩(wěn)定。具備強(qiáng)大的切割能力、“飛一般”的切割速度、較低的運(yùn)行成本、優(yōu)異的穩(wěn)定性、高質(zhì)量的加工以及強(qiáng)大的適應(yīng)能力等無可比擬的優(yōu)勢(shì)。a: 具有以下特

8、點(diǎn)：     智能加工，高速高精   運(yùn)行成本低，光路免維護(hù)     全新一代激光切割機(jī)，引領(lǐng)激光切割技術(shù)革命，開創(chuàng)鈑金加工新時(shí)代G3015F光纖激光切割機(jī)性能參數(shù):b:具有以下優(yōu)勢(shì):高速度    1mm不銹鋼切割速度40m/min；0.5mm不銹鋼切割速度100m/min。高性能    光纖傳輸，柔性加工，可實(shí)現(xiàn)任何形狀的高質(zhì)量切割，并適于切割銅、鋁等高反材料。高效益    切割速度快，運(yùn)行成本低，加倍回報(bào)您的投資

9、。低氣耗    激光產(chǎn)生無需發(fā)生氣體；獨(dú)有空氣切割8mm不銹鋼技術(shù)，無N2消耗。低能耗    節(jié)能環(huán)保，耗電量極低，是傳統(tǒng)CO2激光切割機(jī)的20%-30%。低維護(hù)    無反射鏡片，無需調(diào)整光路，基本免維護(hù)。3. 傳統(tǒng)樣板加工方法的不足傳統(tǒng)的飛機(jī)樣板加工方法主要依靠簡(jiǎn)單的車床或者手工鋸、銼、修、刻入、劃線、標(biāo)記等操作完成樣板加工工序。從三線建設(shè)，老云馬廠和雙陽廠開始，這種比較落后的樣板加工方法沿用幾十年，直至近幾年才購(gòu)置了較先進(jìn)的激光切割機(jī)，才得以解放生產(chǎn)力。傳統(tǒng)的樣板加工方法有以下缺點(diǎn)：a:加工精度低、質(zhì)量難以保證。使用多年的簡(jiǎn)單機(jī)

10、床和手工修銼、標(biāo)記、劃線、測(cè)量難以保證精度要求高的樣板生產(chǎn)。 b:加工效率低。傳統(tǒng)方法加工樣板，每天每個(gè)模線設(shè)計(jì)員設(shè)計(jì)樣板工藝圖紙開始直至技術(shù)嫻熟的技術(shù)工人加工出完整樣板，再完成測(cè)量、手工刻入標(biāo)記等工序，至少需要8個(gè)工時(shí)。加工效率落后激光切割加工10倍或者更高。 c:可達(dá)性不好。d:材料利用率低。浪費(fèi)很大，不利于企業(yè)降本增效。4.技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析a) 零件、工裝質(zhì)量將得到大幅提高應(yīng)用傳統(tǒng)工藝加工樣板時(shí)，樣板的積累公差大：按模線加工樣板時(shí)，樣板的積累公差為：±0.5±3（模線±0.20+曬相0.10+樣板加工±0.20）。應(yīng)用數(shù)控激光切割技術(shù)時(shí)，工序少，無

11、積累公差，樣板制造公差僅為±0.1（數(shù)控激光切割機(jī)加工精度）。從以上不難看出，應(yīng)用數(shù)控激光切割加工技術(shù)精度高、效率高，能為公司最大限度提高經(jīng)濟(jì)效益。b) 應(yīng)用前景廣闊我公司數(shù)控激光切割技術(shù)的應(yīng)用還處于起步嘗試階段，且已經(jīng)取得相當(dāng)大的成功，能提高樣板加工效率、加工精度，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。很多形狀復(fù)雜，應(yīng)用現(xiàn)行加工工藝無法達(dá)到精度要求的樣板，改用激光切割技術(shù)后，問題就迎刃而解了。在現(xiàn)在和以后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，樣板仍然將是工裝和零件制造、檢驗(yàn)、協(xié)調(diào)的基本依據(jù)，因此，樣板精度的提高，對(duì)提高工裝和零件的制造精度，改善其協(xié)調(diào)性以及提高飛機(jī)整體質(zhì)量都有重要意義。我公司對(duì)數(shù)控激光切割機(jī)需求還很大，未

12、來在我公司具有廣闊的發(fā)展前景。c) 提高加工效率，縮短新機(jī)研制周期a:在樣板劃線、切割、打磨、標(biāo)記過程中，應(yīng)用激光切割可提高效率100倍以上。目前數(shù)控激光切割機(jī)床切割速度可達(dá)20m/min。即使我們以2m/min的速度切割，以10m/min的速度劃線打標(biāo)記，切割邊長(zhǎng)為10m，劃線長(zhǎng)度為10m的大樣板，僅需要6分鐘即可完成，兒按照現(xiàn)在的傳統(tǒng)工藝加工這樣大的樣板至少需要幾十個(gè)工時(shí)。b:應(yīng)用激光切割技術(shù)大幅度簡(jiǎn)化了樣板加工的工藝過程傳統(tǒng)技術(shù)與激光切割技術(shù)加工樣板過程大有不同： 應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)的工藝過程如下;圖板曬相鉆孔二底圖曬相樣板毛料噴漆樣板曬相樣板描圖樣板切割、打磨、鉆孔、標(biāo)記協(xié)調(diào)噴漆檢驗(yàn)交付。

13、 應(yīng)用激光切割時(shí)的工藝如下：樣板設(shè)計(jì)編程數(shù)控激光切割檢驗(yàn)交付。比較以上兩個(gè)工藝過程不難看出：應(yīng)用激光切割技術(shù)省略了傳統(tǒng)工藝不可缺少的二底圖曬相、圖板曬相及加工、樣板曬相、描線等過程，節(jié)省了大量的加工工時(shí)。c:應(yīng)用激光切割技術(shù)，在切削前可對(duì)樣板進(jìn)行組合排樣，一次備料，連續(xù)加工，大大減少了準(zhǔn)備工作量，大大減少了樣板浪費(fèi)。綜合以上所述可知：應(yīng)用激光切割技術(shù)加工樣板，完全可能將加工綜合效率提高10倍甚至更高。d) 經(jīng)濟(jì)效益顯著應(yīng)用數(shù)控激光切割機(jī)加工樣板可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：a、應(yīng)用激光切割技術(shù)之后，由CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品（PCM）或模線（MLO）時(shí)形成的CAD數(shù)據(jù)集（或叫CAD

14、模型）將成為樣板加工、檢驗(yàn)的依據(jù)，即充分利用了已生成的CAD數(shù)據(jù)集，不再需要繪制、復(fù)制大量的聚酯模線，可因此節(jié)約大量?jī)r(jià)格昂貴的聚脂薄膜，以及大量復(fù)制工時(shí)。以JL9模線制作為例，2001年由十幾位模線設(shè)計(jì)員自行設(shè)計(jì)繪制JL9理論模線500余平方米，按聚酯模線每米120元計(jì)算，共需要材料費(fèi)720萬元，數(shù)額巨大的材料加工費(fèi)和工時(shí)費(fèi)用我們還沒有計(jì)算進(jìn)去。如果大范圍應(yīng)用聚酯模線檢驗(yàn)零件，所需要費(fèi)用更大。采用激光切割技術(shù)之后，我們則不必要付出這筆費(fèi)用中的絕大部分。b、應(yīng)用激光切割技術(shù)加工樣板，樣板工作邊的加工精度和工藝孔的協(xié)調(diào)要求可以得到充分滿足，因此不必要不必再曬制大量的檢驗(yàn)圖板。c、應(yīng)用激光切割技術(shù)，

15、可節(jié)約大量的工時(shí)費(fèi)用。三線建設(shè)時(shí)期，我們的J7系列飛機(jī)所需要的樣板制作所花費(fèi)的工時(shí)超過150000小時(shí)。即使我們不以本文所述效率來對(duì)比計(jì)算，而是以最保守的綜合提高加工效率5倍計(jì)算，可得到如下結(jié)果：新工藝所需要工時(shí)：150000÷5=30000h節(jié)約工時(shí)：150000 30000=120000h節(jié)約工時(shí)費(fèi)：20元×120000=2400000元d、巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益：如果全面采用數(shù)控技術(shù)加工樣板，加工差錯(cuò)減少，加工樣板精度將顯著提高，協(xié)調(diào)性將明顯改善，因此將大量減少樣板及工裝返修工作量及工裝與產(chǎn)品的報(bào)廢損失，其數(shù)額難以計(jì)算，但其數(shù)量巨大是不容置疑的。 由于樣板加工效率提高，鈑金分廠的生產(chǎn)進(jìn)度得到可靠保證，從而使公司的生產(chǎn)進(jìn)度得到有力保證。3.5 在飛機(jī)生產(chǎn)中的多種應(yīng)用除了樣板加工以外，激光切割技術(shù)還可以用于以下工作：a、 金屬薄板料與非金屬材料下料?？蓮浹a(bǔ)相關(guān)廠部銑切下料的不足，也可滿足非金屬?gòu)S部下料的需要。b、 進(jìn)行化銑零件化銑余量劃線或保護(hù)層切割。5. 大規(guī)模普及數(shù)控激光加工技術(shù)的急迫性我公司訂單數(shù)量不斷增加，外協(xié)項(xiàng)目也成倍增加。為了搞好已有的有人機(jī)和無人機(jī)，保證外協(xié)項(xiàng)目的產(chǎn)品可靠性，才能不斷擴(kuò)大外協(xié)規(guī)模，吸引更多的合作伙伴，必須使我們的加工技術(shù)不斷提高，使我們的產(chǎn)品更有吸引