細(xì)長條型樣板激光切割技術(shù)研究

方寶林，陳 強(qiáng)，湯良煜

（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

模線樣板是飛機(jī)從設(shè)計到制造之間的橋梁，是飛機(jī)幾何尺寸的原始依據(jù)，是飛機(jī)制造過程中保證各類零、組、部件尺寸裝配協(xié)調(diào)的主要手段。隨著飛機(jī)生產(chǎn)方式由傳統(tǒng)加工轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化生產(chǎn)，飛機(jī)從零件生產(chǎn)到裝配都發(fā)生了本質(zhì)的變化。模線樣板作為零件檢驗、零件下料、模胎加工劃線等依據(jù)，在飛機(jī)設(shè)計和制造過程中，仍然起著極其重要的作用。

為了保證飛機(jī)的研制進(jìn)度和質(zhì)量，采用數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)是縮短飛機(jī)研制周期、降低研制成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。樣板制造采用手工加工已經(jīng)不能滿足新機(jī)型的研制進(jìn)度和精度的要求，因激光加工具有切縫窄、工件變形小、非接觸性及廣泛的適應(yīng)性和靈活性等優(yōu)點，為此，國內(nèi)各大主機(jī)廠在進(jìn)入21世紀(jì)后陸續(xù)采購了激光切割機(jī)進(jìn)行樣板切割。

激光切割機(jī)是采用氧氣作為切割輔助氣體的方式進(jìn)行切割。在激光切割加工方法趨于成熟后，傳統(tǒng)的手工加工及機(jī)械加工輔助完成樣板的制造方法與激光切割加工方式相比較，其劣勢凸顯出來，無論是制造精度、加工速度、生產(chǎn)效率還是人工成本的控制上都顯得落后很多，目前國內(nèi)各大主機(jī)廠均采購了不同型號的激光切割機(jī)來進(jìn)行樣板加工。

激光切割機(jī)在氧化熔化切割過程中，最重要的四個工藝參數(shù)為激光功率、切割速度、焦點位置和輔助氣體壓力。在激光功率、焦點位置調(diào)整好的前提下，如果氧氣的壓力過高、激光束的移動速度過慢，則切割縫顯得寬而粗糙，如果激光束的移動速度過快、氧氣的壓力過低，則切割縫顯得粗糙或者切割不透，因此要控制氧氣的壓力和激光束的移動速度來保證切割縫的寬度和光潔度，這是一個需要大量試切的過程，需要不斷的嘗試和驗證。

本文著重對細(xì)長多孔零件的切割方法進(jìn)行探討，并將幾種切割方法的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的切割方案。

1 細(xì)長條型樣板的加工方法探討

飛機(jī)上的零件絕大部分是靠鉚釘鉚接的方式進(jìn)行連接固定的，鉚接質(zhì)量會直接影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，關(guān)系到飛機(jī)的質(zhì)量、財產(chǎn)的損失以及飛行員的生命安全，特別是民用飛機(jī)，乘客的安全還關(guān)系到社會的穩(wěn)定。為使鉚釘?shù)奈恢枚ㄎ粶?zhǔn)確，需要采用一種特殊的樣板，鉆孔樣板（鉚釘定位鉆孔的一種模板）（見圖1），對鉚釘?shù)奈恢眠M(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖1 鉆孔樣板

1.1 樣板分析

該樣板細(xì)長（1720mm），按照 HB/Z 14-89《樣板設(shè)計與制造》規(guī)定，樣板寬度至少要達(dá)到150mm，而目前鉆孔樣板寬度只有25mm，在這樣的情況下，樣板的強(qiáng)度肯定達(dá)不到，很容易變形導(dǎo)致孔位超差。

1.2 切割方案一

采用傳統(tǒng)切割方法，直接進(jìn)行切割（見圖2）。對切割出來的樣板進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)樣板長度超差2mm以上，孔位超差0.3mm以上，并且均勻向兩端頭發(fā)散，直線度超差，撓度≥0.2mm，并且均向靠近孔位的一方彎曲。

經(jīng)過多次的試切，發(fā)現(xiàn)都出現(xiàn)同樣的情況，經(jīng)過分析得出長度超差是因為寬度不夠，孔位隨著長度超差而超差。

由此得出結(jié)論：樣板寬度要加寬。

圖2 切割方案

1.3 切割方案二

將方案一切割結(jié)果與工藝設(shè)計人員和車間鉚裝鉗工協(xié)商，表示寬度需要加寬，否則不可能切割出合格產(chǎn)品。為使鉚裝鉗工方便使用，樣板寬度最大不能超過50mm。在工藝設(shè)計人員將寬度調(diào)整到50mm后進(jìn)行試切，發(fā)現(xiàn)切割出來的樣板長度超差在0.5mm左右，孔位超差0.1mm，同樣均勻向兩端頭發(fā)散，直線度超差嚴(yán)重，撓度在0.5mm左右，并且均向靠近孔位的一方彎曲（見圖3）。

圖3 切割方案二

根據(jù)方案一和方案二的切割結(jié)果數(shù)據(jù)分析得出，產(chǎn)生直線度超差的原因是由于激光加工產(chǎn)生的熱效應(yīng)對樣板加工質(zhì)量產(chǎn)生了影響，即在切割導(dǎo)孔的時候產(chǎn)生的熱應(yīng)力未得到有效的釋放，在切割樣板外形的時候才得以釋放，導(dǎo)致樣板直線度超差，由于孔靠近邊緣（只有9.5mm），熱應(yīng)力向靠近孔的邊緣釋放，而非工作邊的一方因為受到熱應(yīng)力的拉力，也向靠近孔的一方彎曲。

由此得出結(jié)論：必須平衡熱應(yīng)力，在非工作邊制造相應(yīng)的熱應(yīng)力。

1.4 切割方案三

再次與工藝設(shè)計人員和車間鉚裝鉗工協(xié)商，決定在非工作邊增加一排孔，樣板導(dǎo)孔對稱切割，非工作邊變成工作邊，即一塊樣板可以對稱使用。其切割方案見圖4。

圖4 切割方案三

本次切割出來的產(chǎn)品在長度方向上普遍超差在0.1mm左右，相對于我們的公差范圍來說基本上可以達(dá)到要求，單個孔位均隨著長度方向發(fā)散，兩端頭的兩孔超差達(dá)到0.1mm，直線度也不是太理想，呈現(xiàn)波浪形狀，無規(guī)律可循，分析原因為孔應(yīng)力釋放不均勻?qū)е隆?/p>

得出結(jié)論：此方案可行，需要多次試驗。

1.5 切割方案四

根據(jù)方案三切割數(shù)據(jù)，得出切割導(dǎo)孔所產(chǎn)生的熱應(yīng)力需要在切割樣板的時候進(jìn)行有效釋放才能保證樣板的精度，于是又做了多次試驗。為方便描述，將兩排導(dǎo)孔進(jìn)行了標(biāo)號處理（見圖5）。

方案三切割是按照順序切割也就是先切1，2，3，4。。。。。。一排的導(dǎo)孔，然后再切 A,B,C,D。。。。。。一排的孔。

圖5 切割方案四

后面試驗的切割順序分為以下若干種：

試切一：先切 1，3，5，7。。。。。。等孔，然后切2，4，6，8。。。。。。等孔，接下來再切 A，C，E，G。。。。。。等孔，最后切 B，D，F(xiàn)，H。。。。。。等孔。

試切二：先切 1，3，5，7。。。。。。等孔，然后切 A，C，E，G。。。。。。等孔，接下來再切 2，4，6，8。。。。。。等孔，最后切 B，D，F(xiàn)，H。。。。。。等孔。

試切三：先切 1，3，5，7。。。。。。等孔，然后切 B，D，F(xiàn)，H。。。。。。等孔，接下來再切 2，4，6，8。。。。。。等孔，最后切 A，C，E，G。。。。。。等孔。

試切四：先切 2，4，6，8。。。。。。等孔，然后切 B，D，F(xiàn)，H。。。。。。等孔，接下來再切 1，3，5，7。。。。。。等孔，最后切 A，C，E，G。。。。。。等孔。

試切五：先切 2，4，6，8。。。。。。等孔，然后切 A，C，E，G。。。。。。等孔，接下來再切 1，3，5，7。。。。。。等孔，最后切 B，D，F(xiàn)，H。。。。。。等孔。

。。。。。。。

經(jīng)過多次的切割嘗試，各種排列的切割樣板均存在一定的超差，因此還要繼續(xù)進(jìn)行試驗。

1.6 切割方案五

通過查閱關(guān)于熱應(yīng)力釋放和激光切割方面的資料，獲知熱應(yīng)力在一定程度上釋放是有時限性的，在特定的時間段內(nèi)只要沒有得到釋放，而熱量自然消失，熱應(yīng)力是不會產(chǎn)生很大的破壞作用的，因此，只要找到一種理想的切割方法，若能將熱應(yīng)力的破壞作用控制在最小范圍內(nèi)，產(chǎn)品就能達(dá)到理想的效果。

圖6 切割方案五

采用切割方案五進(jìn)行試切（見圖6）。

采用先切 1，B，3，D，5，F(xiàn)，7，H，9。。。。。。等孔，然后切 A，2，C，4，E，6，G，8，I。。。。。。等孔，我們稱之為交錯切割法。然后在兩條工作邊上各斷開兩個0.5mm的斷點（不切斷），圖中標(biāo)識①、②、③、④的四個不同的部位，也就是說樣板在切割完畢后仍舊與整塊鋼板相連，不會斷開脫離鋼板，可以有效的控制樣板熱應(yīng)力的釋放，該方法被稱之為——斷點微連接切割法。

此種切割方案可有效控制激光切割時產(chǎn)生的熱效應(yīng)對加工區(qū)域的影響。采用交錯切割的方式將熱應(yīng)力控制在一定范圍內(nèi)均勻釋放；且進(jìn)行斷點微連接處理后，可將樣板因熱應(yīng)力釋放時產(chǎn)生的變形量控制在公差范圍內(nèi)，待樣板冷卻后將其從鋼板上剝離下來（0.5mm的連接只用輕輕一壓即可），將斷點處進(jìn)行打磨處理即可。

此種方法切割出來的樣板均能將超差控制在0.1mm以內(nèi)，而且樣板直線度也達(dá)到了要求。

2 結(jié)語

目前大量的鉆孔樣板已交付使用，其斷點微連接切割法也已大量應(yīng)用于其他特殊零件的切割上。

[1]HB/Z 14-89.樣板設(shè)計與制造.中華人民共和國航空航天工業(yè)部航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).1989-05-13發(fā)布1989-12-01實施.

[2]范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992，2.

[3]航空工業(yè)洪都工裝工具制造廠模線設(shè)計所編委會.激光加工電子樣板設(shè)計及制造規(guī)范.2013,8.

[4]關(guān)振中.激光加工工藝手冊.北京：中國計量出版社，1998，6.

[5]上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪激光設(shè)備有限公司編寫組.PM400用戶手冊.2010，12.