論某鋁鋰合金飛機(jī)蒙皮鏡像銑質(zhì)量控制

羅志恒，孔慶猛，文松濤，羅志輝

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌， 330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌， 330095）

0 引言

隨著鋁鋰合金新型材料在大型飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)用， 一種以數(shù)控加工代替化銑的新工藝也應(yīng)運(yùn)而生。為順應(yīng)科技發(fā)展潮流，國際上一些飛機(jī)制造公司與設(shè)備制造廠商合作，研制了一款新型多功能五軸數(shù)控蒙皮鏡像銑，該設(shè)備能精確地對蒙皮件進(jìn)行銑薄、切邊、開口和鉆孔。鏡像銑加工綠色、環(huán)保，性價(jià)比較傳統(tǒng)的化學(xué)銑切要高；鏡像銑加工后的蒙皮，表面粗糙度和光滑度也優(yōu)于化銑，同時(shí)由于鏡像銑產(chǎn)生的冷作硬化作用還提高了蒙皮的疲勞極限。在國內(nèi)，某飛機(jī)制造廠引進(jìn)了一臺蒙皮鏡像銑設(shè)備，用于承接某型號飛機(jī)蒙皮的制造。這為某型號蒙皮精確成形以及改善產(chǎn)品質(zhì)量奠定了良好的硬件基礎(chǔ)，但缺乏配套的設(shè)備應(yīng)用技術(shù)和工藝優(yōu)化解決方案。

圖1為典型鏡像銑雙曲率、鋁鋰合金厚蒙皮零件，原材料長度為6000mm；寬度為1800mm；厚度為6mm，成形難度較大。目前，某飛機(jī)制造廠承接的某型號項(xiàng)目中，鋁鋰合金蒙皮（T≥3mm）有4 項(xiàng)，占鏡像銑切蒙皮項(xiàng)的20%。

圖1 典型鋁鋰合金蒙皮零件

在前期研制過程中，蒙皮鏡像銑厚蒙皮的報(bào)廢率達(dá)到了20%，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度，造成了大量經(jīng)濟(jì)損失，已成為制約某型號項(xiàng)目進(jìn)展的瓶頸。 現(xiàn)有工藝人員在蒙皮鏡像銑方面經(jīng)驗(yàn)也較少，為了逐步取代傳統(tǒng)的、以經(jīng)驗(yàn)分析和試驗(yàn)為主的零件成形方法，避免造成材料和人工的巨大浪費(fèi)，使得數(shù)控鏡像銑設(shè)備的功能得到發(fā)揮， 滿足新型飛機(jī)蒙皮零件的生產(chǎn)要求，突破嚴(yán)重制約新型鋁鋰合金蒙皮制造水平的瓶頸，本文開展了該項(xiàng)目的研究。

1 選題理由

結(jié)合技術(shù)背景和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求給出選題理由，如圖2 所示。

圖2 選題理由

2 設(shè)定目標(biāo)

按照單位要求，小組將目標(biāo)設(shè)定為：將某機(jī)型鋁鋰合金超厚蒙皮銑切合格率由80%提升至90%。

3 目標(biāo)可行性分析

3.1 成員能力

成員能力分析圖，如圖3 所示。

圖3 成員能力分析圖

由圖3 可見，QC 小組是一支新老融合，綜合素養(yǎng)較高的團(tuán)隊(duì)，其中不乏技術(shù)水平高、能力強(qiáng)的專家。

3.2 領(lǐng)導(dǎo)支持

上層的決策關(guān)系著公司未來發(fā)展的方向和技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)。 公司和分廠領(lǐng)導(dǎo)高度重視小組的科研生產(chǎn)，實(shí)時(shí)關(guān)注研發(fā)進(jìn)程，及時(shí)協(xié)調(diào)解決研發(fā)過程中遇到的問題及困難，使得小組攻關(guān)順利開展。

3.3 設(shè)備保障

公司引進(jìn)的高速五坐標(biāo)蒙皮精確銑設(shè)備包括3部分，分別是臥式銑床，柔性夾具，以及頂撐裝置，如圖4 所示。

圖4 蒙皮鏡像銑切系統(tǒng)示意圖

頂撐裝置能夠在臥式銑床進(jìn)行下陷銑削時(shí)，從背后對蒙皮工件進(jìn)行頂撐。 為了獲得最高級的柔性化，這里的臥式銑床必須與柔性夾具裝置以及蒙皮頂撐裝置實(shí)現(xiàn)集成化和協(xié)同工作。 其中，蒙皮頂撐裝置集成了蒙皮厚度直接測量裝置，該裝置不但可以檢測最終加工完成后的工件厚度， 還可以在整個(gè)加工過程中，對工件的厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，這對保持工件的公差起到關(guān)鍵作用。

3.4 查找癥結(jié)

針對10 塊鋁鋰合金厚蒙皮銑切不合格品， 小組對其缺陷進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)查分析，見表1。

表1 蒙皮鏡像銑銑切缺陷類型統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，厚度超差（厚度超差是降低蒙皮鏡像銑銑切合格率的癥結(jié)所在）占據(jù)80%，出現(xiàn)頻率最高。

4 原因分析

根據(jù)制定的活動目標(biāo)，QC 小組召開會議，從“人、機(jī)、料、環(huán)、法、測”六個(gè)方面分類尋找了造成鋁鋰合金厚蒙皮銑切厚度超差的原因并繪制了因果圖，如圖5所示。

圖5 鋁鋰合金厚蒙皮銑切缺陷因素因果圖

5 要因確認(rèn)

通過以上分析，找到了11 項(xiàng)鋁鋰合金厚蒙皮銑切厚度超差影響因素并開展全面檢查， 逐一甄別，詳見表2。

表2 要因確認(rèn)

6 對策制定

QC 小組針對上述分析得出4 個(gè)主要原因： 探測設(shè)備不精準(zhǔn)、刀具選用不合理、加工參數(shù)不合理、裝夾方式不合理，按照“5W1H”原則制定了詳細(xì)的對策表和活動前后對比表，詳見表3。

表3 對策表

7 對策實(shí)施

7.1 加裝內(nèi)表面探測設(shè)備

小組討論及調(diào)研，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間性、可實(shí)施性、可靠性、有效性五個(gè)方面，確定了最佳方案：采取非接觸式激光掃描方式融合接觸式激光掃描方式，優(yōu)勢互補(bǔ)，兩者的對比分析，詳見表4。

表4 探測設(shè)備對比分析圖

非接觸式激光掃描方式，將預(yù)成形的蒙皮零件采用激光裝置對固定好的蒙皮內(nèi)型面進(jìn)行掃描，由激光頭發(fā)出光束（每束光包含上百個(gè)點(diǎn)）對蒙皮毛坯內(nèi)型面所需加工區(qū)域無死角探測掃描，獲取一系列點(diǎn)的集合即為點(diǎn)云，然后再根據(jù)點(diǎn)云擬合成實(shí)際的零件內(nèi)表面對原數(shù)模編程進(jìn)行修整，以確保刀具運(yùn)動軌跡與固定裝夾狀態(tài)下的蒙皮形狀一致。這種以蒙皮銑切加工表面為基準(zhǔn)，通過控制下陷加工深度來確保蒙皮加工厚度精確度的方法，是一種對蒙皮加工厚度進(jìn)行間接控制的方法，不僅效率高，掃描質(zhì)量好，同時(shí)也能節(jié)省大量后處理及加工程序的編制時(shí)間。

非接觸式激光掃描運(yùn)用專用軟件可以實(shí)時(shí)檢測并可以快速、量化、高質(zhì)量地處理掃描獲得的點(diǎn)云。如圖6 所示，在操作界面中有“Automatic”選項(xiàng)可以開啟自動光強(qiáng)補(bǔ)償模式，克服了受蒙皮內(nèi)表面顏色、反射特性的影響。 在最下方有兩個(gè)重要的指標(biāo)“Laser-Width”和噪點(diǎn)指數(shù)，前者代表激光線的寬度，后者代表噪點(diǎn)嚴(yán)重程度， 從而可以有效地降噪獲取準(zhǔn)確、有效數(shù)據(jù)。以點(diǎn)帶面，為后續(xù)處理提供了強(qiáng)有力的保障，修正加工程序，實(shí)現(xiàn)了精確銑切加工，從而提高了加工效率和加工質(zhì)量。

圖6 非接觸式激光探測點(diǎn)云處理軟件交互界面

7.2 選用鋁鋰合金專用加工刀具

針對鋁鋰合金的加工性能， 加工選用Φ25R4 可拆換硬質(zhì)合金銑刀，一方面是由于硬質(zhì)合金材質(zhì)的硬度大，耐磨性高；另一方面，這種銑刀是普通銑刀的2倍，在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度下，該銑刀的切削力比普通銑刀小，磨損也較緩慢，刀具冷卻通過主軸內(nèi)部微量潤滑(MQL)實(shí)現(xiàn)。

7.3 修正加工參數(shù)

銑切鋁鋰合金蒙皮零件時(shí)，軸向力隨著進(jìn)給量F的增大而增大，隨著轉(zhuǎn)速N 的增大而減小，并且與刀具材質(zhì)也有一定關(guān)系。因此，采取先粗銑、后精銑的方式，盡量采用較小的進(jìn)給量，適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速。 但是，考慮到生產(chǎn)交付進(jìn)度，為了提高加工效率，進(jìn)給量在合適范圍內(nèi)盡量選擇較高的數(shù)值。轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量數(shù)值的確定，應(yīng)與選用的刀具類型和加工零件的材質(zhì)相匹配，加工參數(shù)選用對比詳見表5。

表5 加工參數(shù)選用對比

7.4 更改裝夾方式

將零件毛坯料放置于銑床上進(jìn)行試切定位后，為了克服零件自重下沉和銑切回彈引發(fā)震顫的影響，用自制輔助夾具在零件周邊余量位置上進(jìn)行夾緊固定，特殊情況下用下部墊塊或者頂升裝置輔助裝夾，提高裝夾剛度和定位精度。 一般而言，毛坯料應(yīng)比零件數(shù)模尺寸大50mm，避免成形零件被夾傷。

8 效果值檢查

8.1 目標(biāo)值檢查

2018 年7 月至2018 年10 月，小組組織蒙皮鏡像銑生產(chǎn)攻關(guān)，每月生產(chǎn)了3 塊鋁鋰合金厚蒙皮，銑切合格率保持在90%。

QC 活動前，每塊厚蒙皮探點(diǎn)編程大約需要1 小時(shí)，活動后掃描編程大約需要0.5 小時(shí)；活動前每塊厚蒙皮探點(diǎn)時(shí)間大約3 小時(shí)，活動后的掃描時(shí)間大約需要0.5 小時(shí)，單件約節(jié)約3 小時(shí)。

本次QC 活動開展后，生產(chǎn)鋁鋰合金厚蒙皮零件，厚度超差問題得到明顯改善，提高了某機(jī)型鋁鋰合金厚蒙皮零件的銑切合格率（由80%提升至90%），達(dá)到了本次QC 攻關(guān)合格率提升至90%的目標(biāo)。

8.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

此次活動讓我們積累了鋁鋰合金厚蒙皮零件的銑切成形經(jīng)驗(yàn)，學(xué)到了解決實(shí)際問題的方法，開拓了思路，提高了公司在該領(lǐng)域的制造技術(shù)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)的空白，提升了公司民機(jī)生產(chǎn)能力。

從經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面看，故障率降低到10%，現(xiàn)零件已經(jīng)進(jìn)入了小批生產(chǎn)階段，質(zhì)量保持穩(wěn)定，設(shè)備利用率大幅提高，降低了鏡像銑蒙皮零件報(bào)廢率，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

9 制定鞏固措施

為了進(jìn)一步鞏固活動成果，小組采取了以下措施：

1） 編制完善了《蒙皮銑機(jī)床基本操作規(guī)范》，XXX 2380-2018；

2） 編制完善了《激光測頭使用技術(shù)規(guī)范》， XXX 2381-2018。

10 思考與展望

本次活動中，QC 小組達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，質(zhì)量問題基本得到解決，為后續(xù)零件順利批產(chǎn)加工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 通過開展QC 小組活動，小組成員不僅在創(chuàng)新意識、個(gè)人能力、QC 知識、解決問題的信心方面得到提升，而且在團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

本次QC 小組質(zhì)量攻關(guān)解決了某機(jī)型鋁鋰合金厚蒙皮零件的質(zhì)量和加工效率問題，對今后類似零件的加工起到了很好的借鑒作用。