鋁合金蒙皮化銑保護(hù)層切割技術(shù)及工具

唐臣升，孫朝海，唐鵬，王金權(quán)，白玉珍，李研

沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

化學(xué)銑切(簡(jiǎn)稱化銑)工藝是一種非傳統(tǒng)的加工工藝，采用特定化學(xué)溶液對(duì)金屬進(jìn)行均勻腐蝕，從而獲得具有較復(fù)雜形貌和特定尺寸與精度的零件[1-3]。由于化銑不產(chǎn)生切削應(yīng)力，可加工特薄、易變形和大面積的零件，是飛機(jī)生產(chǎn)制造中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一[4-7]?；瘜W(xué)銑切工藝?yán)酶g溶液去除成形后蒙皮上不需要的部分，而不需要去除的部分采用保護(hù)層與化銑液隔離。由于先將保護(hù)層覆蓋整個(gè)鋁合金蒙皮零件表面，需要對(duì)化銑蒙皮的保護(hù)層進(jìn)行去除。由于采用了玻璃鋼切割樣板，因此采用手術(shù)刀片切割化銑保護(hù)層極易使玻璃鋼樣板損壞，最終導(dǎo)致化銑蒙皮保護(hù)層分離切割出現(xiàn)效率低、質(zhì)量差等問(wèn)題，較難滿足化銑的工藝要求。

為了提高化銑保護(hù)層分離切割的質(zhì)量與效率，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)的鋁合金化銑保護(hù)層切割方法及工具技術(shù)研究，研制出合理的處理方法及工具，達(dá)到降低化銑成本與制造周期的目的。

2 高效鋁合金化銑保護(hù)層切割方法

2.1 被加工對(duì)象的工藝特征與技術(shù)要求

目前慣用的化學(xué)銑切工藝方法是按照化學(xué)銑切工藝設(shè)計(jì)要求、利用強(qiáng)腐蝕溶液將成形后零件上不需要的部分去除，而不需要去除的部分應(yīng)用保護(hù)層與化銑液隔離。鋁合金化銑零件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.不需要化銑的蒙皮部分 2.實(shí)際的化銑部位

化學(xué)銑切工藝方法為：

(1)將隔離化銑液的保護(hù)層覆蓋整個(gè)鋁合金蒙皮零件表面。圖2a為鋁合金蒙皮未涂覆保護(hù)層的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b所示為整個(gè)鋁合金蒙皮涂覆保護(hù)層的結(jié)構(gòu)示意圖。

(a)未涂覆保護(hù)層

(2)對(duì)鋁合金蒙皮化銑部位的保護(hù)層進(jìn)行去除。目前，鋁合金蒙皮化銑部位保護(hù)層的去除方法是根據(jù)玻璃鋼樣板先采用手術(shù)刀片切割，再分離和去除鋁合金蒙皮化銑部位的保護(hù)層。圖3a為玻璃鋼樣板的結(jié)構(gòu)，圖3b為定位型面的具體結(jié)構(gòu)。

(a)結(jié)構(gòu)示意

(3)鋁合金蒙皮化銑部位保護(hù)層去除前的定位。將玻璃鋼樣板放到需要被化銑的蒙皮零件上，且安放準(zhǔn)確而穩(wěn)固，玻璃鋼樣板中間露出將要去除部位的保護(hù)層。圖4a為玻璃鋼樣板放到欲化銑的蒙皮零件結(jié)構(gòu)。

(4)鋁合金蒙皮化銑部位保護(hù)層的切割與去除。采用手術(shù)刀片切割鋁合金蒙皮化銑部位保護(hù)層，因手術(shù)刀片剛性較差，極易導(dǎo)致玻璃鋼樣板被損壞，造成化銑蒙皮保護(hù)層分離切割效率低和質(zhì)量差等問(wèn)題，很難滿足鋁合金化銑的工藝要求。

(5)將玻璃鋼樣板從被化銑的鋁合金蒙皮零件上撤離。

(6)去除鋁合金蒙皮化銑部位的保護(hù)層。去除后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4b。

(a)

2.2 高效鋁合金化銑保護(hù)層切割技術(shù)

為了提高化銑蒙皮保護(hù)層分離切割的質(zhì)量與效率，且保證玻璃鋼樣板不被損壞，首先應(yīng)準(zhǔn)確控制切削刃的長(zhǎng)度，其次應(yīng)提高刀片及工具的剛性，最后通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)優(yōu)化鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)。

(1)控制切削刃長(zhǎng)度

如圖5所示，刀片刃部在進(jìn)行鋁合金化銑保護(hù)層切割時(shí)，實(shí)際起作用的切削刃在刀片中心線方向上的長(zhǎng)度l只比化銑保護(hù)層厚度稍大一點(diǎn)。當(dāng)?shù)毒咧行木€與曲面切削點(diǎn)處的法線一致時(shí)，則切削刃在刀片中心線方向上的長(zhǎng)度等于化銑保護(hù)層厚度。但由于鋁合金化銑保護(hù)層的切割是手工操作，很難保證刀具中心線與曲面切削點(diǎn)處的法線一致，導(dǎo)致實(shí)際起作用的切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度大于化銑保護(hù)層厚度。

圖5 切割工具切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度

實(shí)際起作用的切削刃在刀片中心線方向上的長(zhǎng)度l取決于保護(hù)層的厚度t，圖6為鋁合金化銑保護(hù)層切割工具切削刃在刀片中心線方向上的長(zhǎng)度與保護(hù)層厚度關(guān)系?？芍?，要準(zhǔn)確控制切削刃的長(zhǎng)度，需要大量的化銑保護(hù)層切割工具設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等工作。

圖6 切割工具切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度與保護(hù)層厚度關(guān)系

此外，還應(yīng)當(dāng)盡可能減少切削刃之外部位對(duì)玻璃鋼樣板定位面的損傷，如對(duì)刀片上切削刃一側(cè)的棱邊應(yīng)進(jìn)行鈍化處理等。

(2)提高刀片及工具的剛性

為了提高刀片及工具的剛性，主要設(shè)計(jì)思路包括適當(dāng)增加刀片的厚度和增加刀片的緊固壓塊。

3 高效鋁合金化銑保護(hù)層切割工具研制

3.1 切割工具設(shè)計(jì)

本著不損傷玻璃鋼樣板定位型面為前提完成鋁合金銑蒙皮保護(hù)層分離切割加工的原則，首先對(duì)切割刀具的切削刃做了較大的改進(jìn)：極大減小刀片切削刃的長(zhǎng)度，以避免切削刃對(duì)玻璃鋼樣板定位型面的損傷，同時(shí)適當(dāng)增加刀片厚度以提高刀片的剛性，而后對(duì)刀片及其裝配剛性給以足夠的提升，最終提高了刀片的切削加工壽命。

剛性較好的壓塊式鋁合金化銑保護(hù)層切割工具結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。圖7a為壓塊式鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的主視圖，圖8b為壓塊式鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的俯視圖，其中，刀片用于化銑保護(hù)層的切割，壓塊用于刀片的固定，緊固螺釘用于刀片、壓塊與刀體的連接，刀體工具的主體，工具的手柄套手握舒適且防滑。圖7a和圖7b中Ⅰ、Ⅱ處刀片刃部的放大見(jiàn)圖7c。

圖7 壓塊式鋁合金化銑保護(hù)層切割工具

(1)控制切削刃長(zhǎng)度

綜上所述，刀片刃部在進(jìn)行鋁合金化銑保護(hù)層切割時(shí)，實(shí)際起作用的切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度只比化銑保護(hù)層厚度稍大一些。刀具中心線與曲面切削點(diǎn)處法線一致時(shí)刀片與保護(hù)層的關(guān)系見(jiàn)圖8，圖中，t為保護(hù)層的厚度，l為切削刃在刀片中心線方向上的長(zhǎng)度，θ為刀片切削刃與刀片中心線的夾角。當(dāng)?shù)毒咧行木€與曲面切削點(diǎn)處的法線一致時(shí)，則切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度等于化銑保護(hù)層厚度。

圖8

刀具中心線與曲面切削點(diǎn)處的法線不一致時(shí)刀片與保護(hù)層的關(guān)系見(jiàn)圖9，圖中，α為刀片中心線與曲面切削點(diǎn)處的法線夾角。當(dāng)?shù)毒咧行木€與曲面切削點(diǎn)處的法線不一致時(shí)，切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度略大于化銑保護(hù)層厚度。

圖9

切削刃長(zhǎng)度l與保護(hù)層的厚度t和刀片切削刃與刀片中心線的夾角α有關(guān)，其計(jì)算方法為

l=t/cos(θ+α)

(1)

(2)提高刀片及工具的剛性

為了提高刀片及工具的剛性，本次高效鋁合金化銑保護(hù)層切割工具研制設(shè)計(jì)時(shí)主要以增加刀片厚度為主，并通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化刀片刃部切削刃的楔角，以達(dá)到既可滿足鋁合金化銑保護(hù)層切割的技術(shù)要求，又能提高刀片切削加工壽命的目的。

刀片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10，圖中，ε為刀片刃部切削刃的楔角，w為刀片的厚度。圖10b的主要作用是顯示刀片刃部的結(jié)構(gòu)。

(a)主視圖

為了提高刀片及工具的剛性，將刀片刃部切削刃楔角ε設(shè)計(jì)為10°，15°，20°，25°四種角度，通過(guò)試驗(yàn)確定最佳的角度值；將刀片厚度w設(shè)計(jì)為0.4～0.7mm，通過(guò)切削加工試驗(yàn)確定最佳的刀片厚度值。為了提高刀片及工具的剛性，還增加了刀片的緊固壓塊。

(3)高效鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的技術(shù)要求

①切割工具應(yīng)具有手持方便、舒適且重量輕的特點(diǎn)；

②刀片材料應(yīng)選取優(yōu)質(zhì)高速鋼材料，以提高刀片的使用壽命；

③刀片刃口應(yīng)盡可能鋒利，以減小切割時(shí)的阻力；

④切割工具應(yīng)具有刀片更換快而方便的特點(diǎn)；

⑤切割工具的柄部應(yīng)作防滑處理。

(4)鋁合金化銑保護(hù)層切割工具使用方法

將鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的切削刃側(cè)面靠緊玻璃鋼樣板定位面，且鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的中心線與曲面切削點(diǎn)處的法線夾角小于35°，即可開(kāi)始鋁合金化銑保護(hù)層的切割加工。

3.2 切割加工工具制造

為了保證鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的制造質(zhì)量，并為該專用刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化切削試驗(yàn)提供可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目制定了嚴(yán)格的制造及質(zhì)量控制的技術(shù)要求與注意事項(xiàng)，具體為：①切割工具的刀片制造應(yīng)采用專業(yè)的精密工具機(jī)床；②刀片刃部應(yīng)具有良好的切削性能；③刀片參數(shù)檢測(cè)應(yīng)采用專業(yè)高精度刀具檢測(cè)儀器；④刀片及工具應(yīng)具有較好的剛性；⑤鋁合金化銑保護(hù)層切割工具應(yīng)具有較高的壽命。

4 高效鋁合金化銑保護(hù)層切割加工試驗(yàn)

在滿足加工質(zhì)量的前提下，通過(guò)系統(tǒng)切削試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化高效鋁合金化銑保護(hù)層切割工具及其設(shè)計(jì)參數(shù)，更好地滿足生產(chǎn)線需要，為鋁合金蒙皮化銑生產(chǎn)線提供優(yōu)質(zhì)高效的鋁合金化銑保護(hù)層切割工具。

4.1 切削加工試驗(yàn)方案

為了達(dá)到優(yōu)化鋁合金化銑保護(hù)層切割工具及其設(shè)計(jì)參數(shù)的目標(biāo)，切削試驗(yàn)采取下列技術(shù)方案。

被加工對(duì)象：高效單向大曲率鋁合金蒙皮化銑邊緣、雙向小曲率鋁合金蒙皮化銑邊緣及雙向大曲率鋁合金蒙皮化銑邊緣等三種鋁合金蒙皮化銑邊緣曲面。

加工方案：采用壓塊式鋁合金化銑保護(hù)層切割工具對(duì)鋁合金化銑保護(hù)層進(jìn)行切割分離加工。

試驗(yàn)設(shè)備、儀器及工具：玻璃鋼樣板，鋁合金化銑保護(hù)層切割工具，工具顯微儀。通過(guò)高精度專業(yè)工具顯微儀檢測(cè)刀具切削刃磨損情況，應(yīng)用專用檢測(cè)儀器檢測(cè)加工后的化銑保護(hù)層切口寬度。

試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)要求：需要采集刀具刃口磨損值及涂層切口寬度等參數(shù)，檢測(cè)被加工化銑保護(hù)層切口寬度是否合格以及刀具切削刃磨損程度是否合乎要求。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)鋁合金化銑保護(hù)層切割工具結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 鋁合金化銑保護(hù)層切割工具參數(shù)優(yōu)化

在保證不損傷玻璃鋼樣板定位型面的前提下完成鋁合金銑蒙皮保護(hù)層的分離切割加工，綜合分析壓塊式鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的加工性能、刀具磨損及切削平穩(wěn)性等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，工具的優(yōu)化結(jié)論為：①刀片厚度為0.5～0.6mm；②切削刃在刀片中心線方向的長(zhǎng)度l應(yīng)在計(jì)算值基礎(chǔ)上增加0.2～0.3mm為宜；③刀片刃口的法向楔角ε為15°～20°；④切削刃表面粗糙度值不低于Ra0.2；⑤刃口保持鋒利，其余銳邊倒鈍。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合上述關(guān)于高效鋁合金化銑保護(hù)層切割工具的優(yōu)化數(shù)據(jù)及試驗(yàn)驗(yàn)證，該項(xiàng)目所研制的專用工具能夠滿足高效鋁合金化銑保護(hù)層的切割加工，不僅可以提高鋁合金化銑保護(hù)層切割加工的質(zhì)量和效率，還可以降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度及加工操作的危險(xiǎn)性。