关于零件集中化学铣切的探索验证

王 伟 刘泽帮 牛丽娜

摘 要：随着相关化铣技术的进步，人工刻型已逐渐被激光自动刻型所取代，一方面极大地解放了劳动力，另一方面，对局部化铣外形的掌握更加精准，相对的尺寸误差越小。但是激光刻型具有一定的局限性，主要是针对被刻型零件的尺寸有一定的限制，因此，如何在固定规格尺寸下最大限度的开发激光刻型的潜力，改变零件一次刻型数量，通过多种手段进行所谓的“拼盘”加工，无疑是最为方便的一种。

关键词：套裁；刻型；变形量；集中化铣；“拼盘”加工

1、概述

化铣工艺以减重为目的，同时要保证零件的结构性及功能性，多用于航空航天业，因此大多数采用化铣减重的零件均为局部化铣，即将零件表面分为各种厚度的规格，依次通过化铣浸蚀液进行腐蚀，将不需要的部分进行腐蚀去除，最终在零件表面形成具有梯度薄厚的区域，以达到减重的需要。而在腐蚀之前，需要将不需去除的部分采用保护胶进行保护，通过依次剥落保护胶来腐蚀需要的部分，在整个过程中，最重要的就是刻型。通过在保护胶上的刻型，来确定是否需要腐蚀和腐蚀的程度，进而经过在浸蚀液中浸泡的时间长短来实现不同厚度的目的。

传统的刻型主要是由操作人员手工完成，通过在零件表面覆盖上一个与零件大小相同的模具，在模具在标注出需要化铣腐蚀的区域（镂空），操作人员利用尖锐的器具在保护胶上依照镂空的模具进行划线、连线等，在进行化铣前，沿着保护胶上的连线将保护胶剥落，露出零件基体，随后进行化铣浸泡腐蚀。可以说，刻型是否正确精准决定了化铣零件的最终质量程度。但是手工刻型存在明显的缺点，操作人员的劳动强度大，划线连线过程复杂容易出错且连接处常常出现接茬，导致后续的零件表面化铣边缘出现偏差，需要打磨返工使其光滑过度。基于以上要求，自动的刻型技术已逐渐成为化铣工艺中的重要部分。

2、技术改进的思路

目前自动的激光刻型技术成熟，在航空航天行业的化铣零件刻型上已广泛应用。但因激光刻型机床配套的柔性立柱之间有间隔要求，对于小尺寸的零件化铣蒙皮限制较大，通常由于零件尺寸过小而无法装夹定位，因此在实际的生产过程中，小尺寸零件尚未采用激光刻型。

尽管现阶段并未实现小尺寸零件的激光刻型，但这部分零件的数量较大，同一批次性相对较多，若一直采用手工刻型，则严重制约生产效率。因此结合生产实际以及激光刻型机柔性立柱之间的间隔要求，通过采用“集成套裁”的方式，将同类型或同一小尺寸零件拼接起来，成为一项较大尺寸的零件，即可以将成批的小尺寸零件集合成大尺寸单一零件进行整体激光刻型，而后采用整体化铣，整个流程结束后，再按照外形轮廓将其切割成型。这样的操作方法使原有的加工流程缩短，减少工序，同时节省物料。

3、“集成套裁”的生产验证

3.1 “集成套裁”的生产原则

鉴于零件的尺寸小，采用“套裁思想”进行优化工序，最简单的就是使用同一项零件，多数量的集合在一起，或者采用同一类型的零件，即同材料、同化铣厚度的小型零件进行 “集成”，形成较大尺寸的零件，来满足激光刻型机柔性立柱之间的间隔要求。由此可以改善平板小零件刻线质量，提高平板小零件化铣效率。

3.2 “集成套裁”的方案制定

3.2.1 排版建模

选取某典型件进行验证，考虑其蒙皮采购宽度的限制，故采用尺寸为1220×1220（mm）的毛料尺寸进行排版建模，排版见图1。排版时要考虑材料侵蚀比对零件间隔的要求，再加上最终完成后方便切割为宜，同时数量的排布要符合经济效益，即最大量化。

以图1为模板，编制激光刻型程序，将需要套裁零件的数量、位置统一，将其看做一个整体，原本的零件当做其中的化铣区域，以此进行刻线编程（如图2）。

3.2.2激光刻型及集成零件化铣

建模完成后，对集成的零件完成保护胶的涂覆，固化后利用激光刻型将原小尺寸零件的化铣区域进行刻型。在化学腐蚀前，对多次腐蚀的区域刷涂密封剂进行保护刻线区域（图3），防止浸蚀液渗入造成漏蚀。在需要化铣的区域将保护胶剥落，进而装挂在零件装挂架上，利用电火花测漏仪进行漏点检测。

图3 集成零件刷密封剂及装挂零件

图4 对集成進行电火花测漏和补漏

3.2.3 完成外形切割

完成化铣的零件如图5所示，在经过后期的加工处理，如制孔、确定外形线（图6）等，逐渐完成单个零件的成形（图7）。从某种意义上说，对于小零件的制作流程上也具有一定的促进作用，可统一地一次完成制孔要求，避免零件先成形，后续在单个零件逐一制孔，节约了大量的工序时间，提高了整个零件的加工效率。

图5 化铣后状态 图6后续加工工序 图7零件成品

4、结论

采取套裁思想，将无法进行激光刻型的平板小零件集成为一块大的蒙皮，进行整体喷胶、整体刻型、整体化铣，从成本和效率上都有了大幅度的提升。经过统计，典型件下料尺寸为210mm×164mm，套裁整体下料尺寸为1220mm×1220mm，若排布72个小零件，则72个生产件需要材料210×164/1000000=2.48㎡，套裁只需要1220×1220/1000000=1.488㎡，故节省原材料40%。与此同时，零件整体装挂采用两根铁丝需要8min，72件小零件每件需要一根铁丝固定，每件至少需要4 min。由此可节省7小时。此外该零件化铣深度达3mm，为了避免零件化铣的区域不均匀，中间需要将零件翻转，整体零件翻转重新装挂需要10 min，小零件每件需要5 min。对比下来，节省的时间大约为6小时。

但是，由于激光刻型机柔性排架X轴最小距离为500mm，Y轴最小距离为230mm。故目前来说，选取 “集成套裁”的零件具有一定的限制条件（平板零件，且集合的尺寸最小为1000mm×1000mm）。本文所选取的典型件按照零件外形要求，将化铣区域的间隔作为零件的一部分，因此在保证侵蚀比的情况下，间隔略宽。同时，最终零件的切割区域部分位于化铣区内，即切割时，厚度不等，适用于机械切割，人工切割则不建议采取此布局方案，有可能会对最终的外形尺寸造成不良影响。

5、展望

综上所述，采用零件“集成套裁”的生产流程十分有效，也十分必要。但是，对于大部分零件来说，仍有尚未攻克的问题，如化铣时零件的变形问题，零件本身具有单双曲度时应该如何进行等等。这些都需要零件在整个加工流程中通盘考虑，不仅仅只针对化铣工艺进行单一的改变，需要零件在前期加工（拉伸、滚弯）以及后续成形（制孔、切边等）中进行不同程度的变化才能最终实现 “集成套裁”的生产模式。