激光切割技術在飛機樣板加工中的應用

1、激光切割技術在飛機樣板加工中的應用單位:技術裝備公司撰稿人:郭亞星日期:2016.07.06內容摘要 本文主要結合貴飛公司技術裝備公司樣板加工實際，利用激光切割加工的特點，對比傳統(tǒng)加工工藝，簡述了數(shù)控激光切割技術的特點及與傳統(tǒng)工藝的差異，重點闡述了在飛機樣板加工中應用該項技術對產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益產(chǎn)生的重大影響，并說明了廣泛采用該技術的迫切性。主題詞：飛機 樣板 激光切割 數(shù)控切割 經(jīng)濟效益引 言我國航空工業(yè)系統(tǒng)目前已經(jīng)廣泛地采用CAD/CAM技術，大幅度提高了設計加工的效率和質量。但以目前國內和我們貴飛公司應用CAD/CAM技術和所達到的水平而言，我們的樣板加工工藝方法相對落后，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，加工質量且切費用高。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，樣板加工質量仍然是影響工裝質量、零件質量乃至飛機總體質量的關鍵因素之一。另外樣板加工效率低，往往也成為影響飛機研制進度和飛機交付進度的重要因素。因此，改變樣板加工工藝是提高效率、提高產(chǎn)品質量、增加效益的一致要求和迫切要求。在樣板加工過程中實現(xiàn)計算機輔助設計與輔助制造二者的結合是滿足這一要求的正確方向，而采用數(shù)控激光切割技術是實現(xiàn)這一結合的極具希望的途徑。1.激光切割技術概述     當激光束聚

3、焦成很小的光點其最小直徑可小于 0.1mm），使焦點處達到很高的功率密度可超過106Wcm2)。這時光束輸入（由光能轉換）的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散部分，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線性移動，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。鋼切割時得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產(chǎn)生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內的熔渣。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。進入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過熱。 &#

4、160;   大多數(shù)有機與無機都可以用激光切割。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，都可進形無變形切割（目前使用最先進的激光切割系統(tǒng)可切割工業(yè)用鋼的厚度已可接近20mm）。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，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行切割，由于極高的脈沖波峰值功率，會使材料對光束的吸收系數(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。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序的現(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)約更換模具時間，從而節(jié)省加工費用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟上更為合算。    另一方面，從如何使模具適應工件設計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。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級模具制作工，激光切割運轉費用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會產(chǎn)生一個淺硬化層（熱影響區(qū)），提高模具運行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點給圓鋸片切割成形帶來無應力優(yōu)勢

6、，由此提高了使用壽命。2. 激光切割技術的特點和優(yōu)勢激光切割技術經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為一種以加工精度高、速度快，與CAD技術緊密結合為突出特色的廣泛應用的切割技術。我公司目前采用的激光切割機是G3015F光纖激光切割機，其切割性能優(yōu)良。激光切割系統(tǒng)的加工特點：a:加工精度高，質量穩(wěn)定。可滿足各種有人機無人機機型，各類樣板的加工精度要求。b:效率高。以每分鐘3m的切割速度計算，每小時可加工820項樣板。激光輸出功率在2000W以上時，切割速度一般都大于3m/min。c:可達性好。適用于加工應用銑切方法無法達到、無法加工的地方（如樣板視孔、補加與樣板連接處夾角等）。d:可進行多種工序工作，如切割、

7、開孔、劃線、刻標記等。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:可采用計算機對工件進行組合排樣，材料利用率高，浪費極少，減少成本。h:直接應用設計階段生成的CAD數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)CAD/CAM緊密結合。G3015F光纖激光切割機性能及特點我公司選用的是大族G3015F光纖激光切割機，采用交流伺服電機雙邊驅動的快速、高精度龍門式激光加工機。整機結構緊湊，外形美觀，具有時代感，采用人機工程學設計，高度適中，操作方便。整體剛性好、精度及性能穩(wěn)定。具備強大的切割能力、“飛一般”的切割速度、較低的運行成本、優(yōu)異的穩(wěn)定性、高質量的加工以及強大的適應能力等無可比擬的優(yōu)勢。a: 具有以下特

8、點：     智能加工，高速高精   運行成本低，光路免維護     全新一代激光切割機，引領激光切割技術革命，開創(chuàng)鈑金加工新時代G3015F光纖激光切割機性能參數(shù):b:具有以下優(yōu)勢: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，可實現(xiàn)任何形狀的高質量切割，并適于切割銅、鋁等高反材料。高效益    切割速度快，運行成本低，加倍回報您的投資

9、。低氣耗    激光產(chǎn)生無需發(fā)生氣體；獨有空氣切割8mm不銹鋼技術，無N2消耗。低能耗    節(jié)能環(huán)保，耗電量極低，是傳統(tǒng)CO2激光切割機的20%-30%。低維護    無反射鏡片，無需調整光路，基本免維護。3. 傳統(tǒng)樣板加工方法的不足傳統(tǒng)的飛機樣板加工方法主要依靠簡單的車床或者手工鋸、銼、修、刻入、劃線、標記等操作完成樣板加工工序。從三線建設，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，直至近幾年才購置了較先進的激光切割機，才得以解放生產(chǎn)力。傳統(tǒng)的樣板加工方法有以下缺點：a:加工精度低、質量難以保證。使用多年的簡單機

10、床和手工修銼、標記、劃線、測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，每天每個模線設計員設計樣板工藝圖紙開始直至技術嫻熟的技術工人加工出完整樣板，再完成測量、手工刻入標記等工序，至少需要8個工時。加工效率落后激光切割加工10倍或者更高。 c:可達性不好。d:材料利用率低。浪費很大，不利于企業(yè)降本增效。4.技術經(jīng)濟效益分析a) 零件、工裝質量將得到大幅提高應用傳統(tǒng)工藝加工樣板時，樣板的積累公差大：按模線加工樣板時，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）。應用數(shù)控激光切割技術時，工序少，無

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

12、來在我公司具有廣闊的發(fā)展前景。c) 提高加工效率，縮短新機研制周期a:在樣板劃線、切割、打磨、標記過程中，應用激光切割可提高效率100倍以上。目前數(shù)控激光切割機床切割速度可達20m/min。即使我們以2m/min的速度切割，以10m/min的速度劃線打標記，切割邊長為10m，劃線長度為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工時。b:應用激光切割技術大幅度簡化了樣板加工的工藝過程傳統(tǒng)技術與激光切割技術加工樣板過程大有不同： 應用傳統(tǒng)技術時的工藝過程如下;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、標記協(xié)調噴漆檢驗交付。

13、 應用激光切割時的工藝如下：樣板設計編程數(shù)控激光切割檢驗交付。比較以上兩個工藝過程不難看出：應用激光切割技術省略了傳統(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。c:應用激光切割技術，在切削前可對樣板進行組合排樣，一次備料，連續(xù)加工，大大減少了準備工作量，大大減少了樣板浪費。綜合以上所述可知：應用激光切割技術加工樣板，完全可能將加工綜合效率提高10倍甚至更高。d) 經(jīng)濟效益顯著應用數(shù)控激光切割機加工樣板可以顯著提高經(jīng)濟效益，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：a、應用激光切割技術之后，由CAD系統(tǒng)設計產(chǎn)品（PCM）或模線（MLO）時形成的CAD數(shù)據(jù)集（或叫CAD

14、模型）將成為樣板加工、檢驗的依據(jù)，即充分利用了已生成的CAD數(shù)據(jù)集，不再需要繪制、復制大量的聚酯模線，可因此節(jié)約大量價格昂貴的聚脂薄膜，以及大量復制工時。以JL9模線制作為例，2001年由十幾位模線設計員自行設計繪制JL9理論模線500余平方米，按聚酯模線每米120元計算，共需要材料費720萬元，數(shù)額巨大的材料加工費和工時費用我們還沒有計算進去。如果大范圍應用聚酯模線檢驗零件，所需要費用更大。采用激光切割技術之后，我們則不必要付出這筆費用中的絕大部分。b、應用激光切割技術加工樣板，樣板工作邊的加工精度和工藝孔的協(xié)調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圖板。c、應用激光切割技術，

15、可節(jié)約大量的工時費用。三線建設時期，我們的J7系列飛機所需要的樣板制作所花費的工時超過150000小時。即使我們不以本文所述效率來對比計算，而是以最保守的綜合提高加工效率5倍計算，可得到如下結果：新工藝所需要工時：150000÷5=30000h節(jié)約工時：150000 30000=120000h節(jié)約工時費：20元×120000=2400000元d、巨大的間接經(jīng)濟效益：如果全面采用數(shù)控技術加工樣板，加工差錯減少，加工樣板精度將顯著提高，協(xié)調性將明顯改善，因此將大量減少樣板及工裝返修工作量及工裝與產(chǎn)品的報廢損失，其數(shù)額難以計算，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)進度得到可靠保證，從而使公司的生產(chǎn)進度得到有力保證。3.5 在飛機生產(chǎn)中的多種應用除了樣板加工以外，激光切割技術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相關廠部銑切下料的不足，也可滿足非金屬廠部下料的需要。b、 進行化銑零件化銑余量劃線或保護層切割。5. 大規(guī)模普及數(shù)控激光加工技術的急迫性我公司訂單數(shù)量不斷增加，外協(xié)項目也成倍增加。為了搞好已有的有人機和無人機，保證外協(xié)項目的產(chǎn)品可靠性，才能不斷擴大外協(xié)規(guī)模，吸引更多的合作伙伴，必須使我們的加工技術不斷提高，使我們的產(chǎn)品更有吸引