航空用銅鈑金件下料工藝的柔性化研究

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610031）

0 引言

柔性化制造意味著生產(chǎn)線上的工藝裝備具有很大程度的通用性，在進(jìn)行新產(chǎn)品的研制生產(chǎn)時(shí)，不需要（或較少）對原有生產(chǎn)線進(jìn)行改造[1]。在航空領(lǐng)域，柔性化裝配技術(shù)早已得到蓬勃發(fā)展并已經(jīng)帶來顯著效果，如柔性機(jī)翼壁板/翼梁裝配系統(tǒng)、復(fù)合材料升降舵柔性裝配系統(tǒng)、柔性制孔技術(shù)等[2,3]；另一方面柔性化檢測也正在逐步實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，如蘇再為等人提出的柔性罩盒抽真空快速泄露檢測技術(shù)能夠針對不同外形工件進(jìn)行泄露檢測[4]。但在制造環(huán)節(jié)，尤其是鈑金件的生產(chǎn)，仍然大量采用專用模具成形加工。據(jù)統(tǒng)計(jì)[5]，鈑金零件項(xiàng)數(shù)占全機(jī)零件總項(xiàng)數(shù)的40%左右，若能在鈑金制造環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)柔性化，將給企業(yè)帶來顯著的效益提升。

航空用銅鈑金件大多為平板件（或平板件經(jīng)簡單折彎得到）。銅鈑金件一直采用傳統(tǒng)的專用模沖孔落料的下料方式。因?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)制造周期長，通用性差，出現(xiàn)問題時(shí)返修較麻煩，甚至需要報(bào)廢復(fù)制。為了解決類似問題，提出了銅鈑金件的柔性化下料工藝，在保證零件合格率的情況下，極大地縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，取得了較好的生產(chǎn)效益。

1 傳統(tǒng)銅鈑金件下料方式

傳統(tǒng)的銅質(zhì)鈑金件下料主要以下塊料，級進(jìn)模/復(fù)合膜沖孔落料為主。如圖1所示為一些典型的航空用銅質(zhì)鈑金零件展開圖形，每一類零件都是一個(gè)系列，每一系列零件外形大同小異，而又不完全一樣，所以生產(chǎn)用模具都彼此單獨(dú)存在而不能共用。因?yàn)槟＞邤?shù)量大，制造周期長，且需要定期檢修維護(hù)，耗費(fèi)不少時(shí)間和人力。并且每批次零件數(shù)較少，模具利用率低，有時(shí)候模具的制作、倉儲(chǔ)和定檢成本比其所加工零件的利潤還要高。

圖1 常見銅質(zhì)鈑金件展開圖形

對于銅鈑金件，除了回轉(zhuǎn)體類零件可以采用車削的方法加工外。目前常見的加工途徑還有線切割，數(shù)控銑切等方式，或者銑削粗加工配合磨削精加工的方法[6～8]。但因?yàn)殂~材料自身粘性大，切削加工性能差的特點(diǎn)，以上加工方法效率很低，不適合批量生產(chǎn)。為使銅鈑金零件優(yōu)質(zhì)高效地下料及加工成形，經(jīng)過對公司現(xiàn)有設(shè)備的調(diào)查研究，決定對利用數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行銅鈑金零件無模柔性化下料工藝的可行性展開研究。

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的加工特點(diǎn)

公司現(xiàn)有LVD某型號數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床一臺(tái)，其加工方式有單次沖壓與連續(xù)沖裁兩種[9]。單次沖壓的工作方式主要完成圓孔（標(biāo)準(zhǔn)圓孔、長圓孔）的沖裁，零件倒內(nèi)外圓角；連續(xù)沖裁的工作方式適合條形孔，切邊，小刀具進(jìn)行大圓孔、大弧度外形的沖裁等加工過程。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床沖裁零件最大的特點(diǎn)便是：它是以單次或連續(xù)沖裁為基礎(chǔ)，經(jīng)過模具的組合使用，沿零件內(nèi)孔及外形進(jìn)行蠶食加工從而得到所要求形狀。如圖2所示，紅色軌跡為行刀路徑。

圖2 數(shù)控沖切零件展開外形

數(shù)控轉(zhuǎn)塔的這種蠶食加工的特點(diǎn)，是其能對銅鈑金件進(jìn)行柔性化下料的基礎(chǔ)。要充分發(fā)揮設(shè)備的柔性化加工能力，關(guān)鍵在于模具庫所包含刀具種類的完備程度，而這些模具都是各類型（包含不同材質(zhì)）零件所共用的。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床加工的另一特點(diǎn)便是陣列成形，即在一張毛坯板上同時(shí)成形多個(gè)外形一致或不一致的零件，只要求零件的原材料牌號及厚度規(guī)格相同便可，與傳統(tǒng)的專用模具下料相比，不用頻繁地更換壓力機(jī)上的模具，極大地提高了生產(chǎn)效率。

3 數(shù)控沖床柔性化下料流程

3.1 二維下料數(shù)據(jù)的獲取

如圖3所示，模線設(shè)計(jì)人員利用CATIA軟件專用模塊，基于經(jīng)驗(yàn)公式對外形簡單的零件進(jìn)行展開分析，得到二維圖，作為數(shù)控下料依據(jù)及展開樣板制造依據(jù)。這里的“外形簡單”是指平板料成形為零件的過程相對容易。若零件成形過程復(fù)雜，則無法給出精確的展開圖形。這時(shí)通過適當(dāng)放大余量的方法給出零件的展開毛料圖，作為下料依據(jù)。工人對毛料進(jìn)行加工成形，經(jīng)過修剪，成為合格零件之后，再將其逆向矯平，得到零件展開件[10]。利用二維測量機(jī)對展開件進(jìn)行掃面，獲取外形數(shù)據(jù)點(diǎn)云，為了得到正確的可利用的連續(xù)線條，還需對點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化處理，最終得到下料所需二維圖，在下一批零件下料時(shí)就可用其替代毛料樣板作為下料依據(jù)。

3.2 沖切程序編制

精確下料圖形定型以后導(dǎo)入到?jīng)_床對應(yīng)的編程軟件中，接著進(jìn)行刀具的選擇與加工路徑的編制。數(shù)控沖床與普通沖床最大的區(qū)別是[11]：后者完成沖切行程后，零件與毛板料完全脫離，每種零件都需要對應(yīng)的模具來完成下料；微連接工藝的采用，使得數(shù)控沖床僅僅利用通用模具就能加工出普通沖床上難以加工的形狀復(fù)雜、尺寸較大的落料件。即在編制沖切程序時(shí)，是利用通用模具的組合加工來完成一個(gè)零件的下料，如圓形模具完成沖孔、倒內(nèi)圓角，矩形模具完成切邊等。

一般對同種厚度規(guī)格的零件，同時(shí)進(jìn)行編程，因?yàn)閱畏N零件的需求數(shù)量實(shí)在太少，為了提高材料利用率，常常在一張毛坯板上沖切多種零件。因此編程完之后還需要進(jìn)行零件的排版，即各個(gè)零件在毛坯板上的下料位置。排版完之后一般還需優(yōu)化走刀路線，因?yàn)榫幊虄H對單個(gè)零件進(jìn)行，每個(gè)零件又同時(shí)用到多種模具，這樣加工時(shí)就需要來回切換模具，大大降低了加工效率，也不利用設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。優(yōu)化后的走刀方式是以最少的換刀次數(shù)，最短的行刀路徑進(jìn)行沖切加工。

3.3 數(shù)控沖切下料

將編制好的程序?qū)氍F(xiàn)場PC，同時(shí)將毛板料安裝固定好，運(yùn)行程序前檢查沖床工位上的模具是否與程序中的模具相匹配，模具周圍是否有上次沖切的碎屑等等，所有準(zhǔn)備工作到位后即可運(yùn)行程序進(jìn)行沖切。

圖3 零件展開二維圖的獲取

現(xiàn)數(shù)控沖切幾乎都采用微連接工藝，故沖切完成后，零件毛料仍然與原毛板料固連在一起，微連接大小根據(jù)零件大小和規(guī)格在編程時(shí)就已經(jīng)確定了，一般小于1mm，只需手工晃動(dòng)數(shù)次便可輕易取下零件。對于銅料零件，微連接的寬度可取得稍寬一點(diǎn)，如表1數(shù)值為我廠經(jīng)驗(yàn)值。

4 銅鈑金件數(shù)控沖切下料試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證現(xiàn)有LVD某型號數(shù)控沖切設(shè)備對銅料（主要為T2M）沖切的適應(yīng)性，針對常用模具類型及料厚規(guī)格做了試沖裁。模具庫主要包含圓形沖孔模具，矩形切邊模具，以及倒圓角（特指外圓角）模具。材料厚度包含1mm、1.5mm、2mm三種規(guī)格，試驗(yàn)沖裁二維圖如圖4所示，孔徑從φ3.2～φ35，外圓角取R2、R5、R7三種常用值進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4及表2所示。

從圖4及表2來看，銅料的沖裁較好，尺寸公差均在±0.1mm以內(nèi)。說明現(xiàn)有數(shù)控沖切設(shè)備完全適應(yīng)T2M銅料的下料加工，可以用于零件下料的試生產(chǎn)。經(jīng)分析，數(shù)控沖切設(shè)備能有如此良好的沖裁效果，主要有兩方面的原因：

1）得益于LVD設(shè)備的高精度位置控制，該設(shè)備的定位精度可達(dá)到±0.05mm，足以保證鈑金零件的各種位置公差；

圖4 銅鈑金數(shù)控沖切效果

2）如圖5所示，數(shù)控轉(zhuǎn)塔設(shè)備使用的模具，無論什么類型，與被沖裁板料相關(guān)的部分主要是沖頭、導(dǎo)套與凹模。單次沖裁過程中，導(dǎo)套下壓，并與凹模一起將板料僅僅夾住，然后沖頭下壓進(jìn)行沖裁，即導(dǎo)套除了對沖頭導(dǎo)向的作用外，還兼有壓料板的作用，并且具有較大剛性。這與級進(jìn)模、復(fù)合模中的剛性壓料板（主要為卸料作用）不同，后者壓料板與板料之間一般有0.2mm～0.3mm的間隙，并且是固定的，并未對板料的初始波浪、翹曲等缺陷進(jìn)行校正，對沖裁過程中板料的變形限制作用也有限，而轉(zhuǎn)塔所采用模具是可以將沖裁區(qū)域內(nèi)的板料進(jìn)行校正后再?zèng)_裁的，并且限制了沖裁過程板料翹曲變形的發(fā)生，所以沖裁質(zhì)量較好。其對比結(jié)果可采用數(shù)值模擬的方式較為明顯地表現(xiàn)出來，如圖6所示，利用數(shù)控轉(zhuǎn)塔進(jìn)行沖裁下料，斷面光亮帶比例大，沒有明顯撕裂帶，其斷面質(zhì)量明顯好于傳統(tǒng)使用固定壓料板的沖裁方式。

表1 銅料沖裁微連接寬度經(jīng)驗(yàn)值

利用數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行匯流條系列零件的試生產(chǎn)，結(jié)果如圖7所示。因?yàn)榧夁M(jìn)模具設(shè)計(jì)不夠合理，其落料出的匯流條內(nèi)圓角較大，需要大量的人工修挫，因此表面質(zhì)量也不理想。改用數(shù)控沖床下料之后，可一次性沖出外形和表面質(zhì)量較好的零件且人工修挫量小，經(jīng)工裝校驗(yàn)，符合要求，已批量交付使用。

圖5 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖裁過程

圖6 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖裁與專用模具沖裁效果對比

圖7 數(shù)控沖床實(shí)際生產(chǎn)效果

5 結(jié)論

目前，利用數(shù)控轉(zhuǎn)塔進(jìn)行銅鈑金件的柔性化下料已經(jīng)用于部分零件的實(shí)際生產(chǎn)，取得了較好的效果，省去了大量專用工裝的使用與定檢，同時(shí)提高了零件的尺寸精度與表面質(zhì)量。按照以往每年新增銅鈑金專用下料模具數(shù)量計(jì)算，預(yù)計(jì)每年度可節(jié)省模具、人工等各類成本80余萬。

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