航空钣金件后处理工艺研究范文

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[摘要]以航空钣金件边缘毛刺、锐边及表面划伤、擦伤等表面缺陷形成的原因为基础，对比分析了传统的后处理工艺技术和模块式磨头组合湿法处理工艺的特点及其加工效果，结果表明，湿法加工处理工艺为航空钣金件表面缺陷修复的最佳方式，其在不影响材料性能及表面防护状态下，使工件处理的匀质性得到了保障，加工的效率大大提升。

[关键词]航空钣金件；表面缺陷；研磨；后处理工艺

引言

随着制造业加工水平的不断提高和数字化技术的迅猛发展，飞机加工制造业对钣金零件表面质量、形状精度、产品合格率等的要求也越来越高。如毛刺、锐边和伤痕等表面缺陷得不到有效修复，不仅影响工件的整体外观质量，还会影响工件后续加工工序的加工质量及检验结果的准确性。同时，由于工件表面缺陷的存在，当飞机在高速、高震动、高温环境中运行时容易引起应力开裂趋势的产生，使其可靠性、稳定性降低。因此，对于这些表面缺陷的后处理就显得至关重要。然而，铝合金材料分为不包铝（沿整个厚度方向具有均匀化学成分的板材）和包铝（在零件板材的一面或两面有一层冶金结合的包覆层，其目的是防止腐蚀，保持表面外观等），其表面缺陷的修复有严格的质量控制要求。而去除毛刺、钝化锐边或修复伤痕的加工属于表面研磨，如操作不当会直接对工件产生破坏，达不到产品设计质量要求。由此，既要更好地修复钣金件的表面缺陷，且又不影响材料性能及破坏表面防护就成为航空钣金后处理加工的难题。

1钣金件表面缺陷的特性分析

飞机钣金制造技术是航空航天制造工程的一个重要组成部分，是实现飞机结构特性的重要制造技术之一。成千上万的钣金零件，制造方法多种多样，在其制造过程中大量的钣金件由于设备、工装、材料问题等不可避免地会形成以下几类常见的表面缺陷问题：毛刺：沿切边或沿孔周边的金属突起物，是由于进行去除金属材料加工留下的。锐边：除有特殊规定的情况外，两个平面或两个设计特征表面的交线形成的包容金属的角度小于120°（A面和B面的夹角）。划伤：因尖锐的物质（如板角、金属或设备上的尖锐物等）与铝合金表面接触，在相对运动时所造成的成条状的伤痕。擦伤：因棱状物与铝合金表面接触或板面（包括曲面）在相对滑动或错动时所造成的呈束状分布的伤痕。钣金零件形状复杂，质量控制严格，有一定的使用寿命要求，对成形后的零件有明确的力学性能和物理性能的要求。而钣金件上的边缘毛刺、锐边等对后期的制造技术精准性以及检测准确性存在不良影响，如日本液压专家认为，影响液压件性能和寿命的原因有70%是毛刺造成的[6]。因此，对钣金件边缘毛刺大小、锐边的角度（见图1）和表面伤痕的深度具有严格的质量控制要求。

2传统的后处理工艺简析

以往，大多是采用人工方法对钣金件进行去毛刺、钝化锐边（或倒圆角）和表面去伤痕处理。人工研磨方法，是劳动者采用锉刀、刮刀、砂布或采用动力装置的砂轮、铣刀为研磨工具，对钣金件切削刃口、内孔及其周边区域直接进行研磨以达到去除毛刺和表面伤痕并钝化外边刃口的目的。随后，伴随航空制造技术的发展和为了提高加工效率及改善作业环境，传统的机械加工处理方式逐步得到应用。但无论是人工研磨方法还是传统的机械处理，其工艺技术缺陷则是共同的：无法完全、均匀、快速、安全地修复钣金件表面缺陷。人工研磨处理方式比较适用于修复精度要求不高、加工量较小的工件。其主要问题在于，环保方面：研磨时产生的大量粉尘直接扩散到劳动场所及其周边，使劳动者共同的工作环境受到破坏;劳保方面：劳动者和研磨工具与工件是近距离接触的，极易引起人体划伤、粉尘吸入等危害劳动者身体健康的事故；加工效果方面：匀质性和美观度极差，具体表现为毛刺去除不完全、圆角大小不均、平面研磨凹凸不平、研磨欠缺和过度研磨而破坏铝涂层等等，如图2所示，甚至，研磨不当使淬火状态的零件产生局部过热而软化；加工不完整性即加工死角问题：内孔直径很小、其外边沿错缝间隙过小，如图2所示，是人工研磨工具难以完成的，从而形成加工盲区或死角；加工效率方面：常见的300mm×150mm、空洞率30%、毛刺率80%、需进行双面去除毛刺、钝化锐边和平面研磨处理的钣金件，在正常情况下，一名操作工每小时不间断工作时，加工这类工件的效率大约是20~30件/小时，如果一个批次下来需要加工2000件，则需要10个人干一整天才能完成。传统的机械处理方式一般采用立式磨头，对物体表面做下压式研磨处理。研磨工具一般是单向研磨砂带和旋转式辊筒磨头或圆盘式多点旋转研磨刷头，对工件上表面进行干式或湿式表面打磨，达到去毛刺和表面研磨处理。这种方式在效率上要优于手工方式，但其问题也是显而易见的，加工温度问题：由于此类机械源自木工研磨技术，不成熟的冷却方式是其短板，而钣金件被研磨处的温度不得超过用手不能触摸的温度（约58℃以上）造成了其加工范围的局限性；防护膜问题：此类机械采用的垂直布控磨头进行下压式研磨，钣金件表面防护膜在研磨过程中常常被磨穿划伤或掀开，如图3所示；送料安全问题：采用真空或电磁吸附式工件传送方式的不适用性是显而易见的，小型或多孔工件飞出击伤机体或造成工伤事故是此类机械的致命伤。

3模块式磨头组合湿法处理工艺特点及效果分析

选择钣金件表面缺陷后处理的方法时应考虑工件本身的材质、加工精度、几何尺寸及表面缺陷大小和部位等因素；还要注意改善作业环境和条件，降低生产成本，提高加工效率。同时，表面缺陷修复后应能达到所期望的标准、不能降低工件尺寸精度要求和改变其表面形态。经过实证测试和技术比对，发现模块式磨头组合湿法处理工艺为航空钣金件表面缺陷修复的有效方式。这种模块式磨头组合湿法加工机源于德国的金属表面处理技术，分为加工部和干燥部两个加工区；加工部按照加工处理工艺需要而配置最多4个工位即磨头，磨头的形式和规格需要依据加工要求进行合理配置。组成这些工位的磨头一般有三类：第一类是砂带磨头，电机驱动，由电子跟踪系统和气缸自动调节和纠偏，使用布基平面研磨材料，其端头平直对接成封闭式筒圈，在上下两个直径不同的辊筒（其中下面的一个是表面具有一定柔性的包胶辊）的带动下，实现对工件表面的与进料方向相同的单向研磨；其主要功能是去除工件表面突出的尖利的毛刺或披锋，或对工件表面做去除划痕、拉丝或抛光处理；砂带规格的选定一般取决于工件的加工要求、湿法或干法加工模式以及选择的加工参数。第二类是立轴盘刷组合磨头，根据工作台面的宽度由不同数量盘刷组成盘刷组合，电机驱动，组合整体可以做横向的摆动用以增加研磨的力度和均匀度；盘刷组合的旋转方向和转速一般是可调的，调整的依据一般依工件的加工要求而定；其主要功能是对工件表面的毛刺，包括立面研磨引起的二次毛刺，进行扫除式处理，同时对内外边沿进行倒顿处理；盘刷刷头的材质是多样的，诸如陶瓷丝、金属丝、尼龙丝、百洁布、砂条、砂片等等，对于材质的选择一般根据工件的处理工艺目标以及加工模式来决定。第三类是卧轴辊筒式磨头，电机驱动，可以采用与进料方向相同或相反两种旋转方式，同时具备横向的往复式摆动功能以增加加工的力度和均匀性；转速一般依据工件的加工要求以及选择研磨材料的质地而定；其主要功能是对工件表面进行柔性、精细的终极研磨；磨头的材质根据加工要求而多样化，诸如百洁布、砂条、羊绒等等。值得一提的是，由于采用相同的工装与机架及其驱动系统连接，第二类和第三类磨头是可以在同一个加工工位上互换使用的，即多个工位可以采用相同的磨头来提高加工效能，也可以分别采用不同磨头或不同材质的同类磨头来实现一次加工过程可以取得多样化加工要求的目标。这样的配置选择对于航空件多品种、小批次的特点尤为重要。保持工件在高速研磨状态下仍处于一定的温度以内，是采用湿法加工的主要原因，这对航空钣金件而言是另一个至关重要的课题。为此，选择了先进的工件冷却方式，即在每一个加工工位或磨头（组合）的前后分别配置一根具有排列紧密的喷淋水嘴的水管，喷淋方向和喷水量均可调，这对于保持加工时钣金件表面温度不超过40℃的要求以及工件表面尘渣的有效清洗是非常重要的。干燥部采用辊筒挤压和风刀强力吹拂的双重处理方法，确保钣金件上水分被完全去除。如前所述，钣金件内孔和外边缘有形态各异的毛刺、锐边、表面伤痕，且有些表面含有切削过程中带来的油脂等，如图4（a）所示；某些表面要求高的工件为贴膜下料，这就要求加工时，既要达到修复工件表面缺陷的目的，又要保证不会掀翻防护膜或击穿铝涂层，还要保证加工后工件表面粗糙度达到工艺要求。为此，采用含有3%左右防锈液的普通工业用水作为辅助性加工介质，一方面可以清洗附着在磨头表面的残渣细屑，更重要的是对钣金件进行冷却。然后，在第一工位采用120目的硅质布基砂带作为研磨介质，主要对工件表面做去除毛刺或去除划痕处理；第二工位采用陶瓷丝材质的研磨盘刷，刷头的材质可以根据加工要求进行调整，对工件内孔边缘和外刃口的二次毛刺进行扫除式加工处理；第三工位选择了比较柔细的研磨介质羊绒抛光辊，来实现对工件表面的精研抛光等细化处理。通过优化配置，每个和各个不同工位（磨头）的研磨参数的设定与应用、以及不同工位（磨头）上不同规格研磨材料的使用，可以实现不同而多样化的处理效果，如图4（c）所示。①工件加工温度平稳，一般可以控制在40℃以内，加工后工件无内在应力变化。②选择80~120目颗粒度的砂带并精确设定-0.1~-0.3的压力值，使垂直压力作用于工件表面受到有效控制；选择150mm直径、陶瓷丝或尼龙丝材质的盘刷磨头做拉带式加工，既有效处理了毛刺和钝化锐边，同时又保全了防护膜的完整。③在板料平整度符合工艺要求和毛刺状态可控的情况下，毛刺可以完全去除且内外边缘锐边得以钝化，同时，工件表面研磨去削量不破坏材质及铝涂层；同时钣金件的表面光洁粗糙度得到了有力保证，轻松达到Ra0.3。④加工效率爆破式的提高：还是以300mm×150mm、空洞率30%、毛刺率80%、需进行双面去除毛刺、钝化锐边和平面研磨处理的钣金件为例，使用机器加工，效率达到每小时加工300~400件左右，等同于十几名员工不间断的小时加工量。

4结束语

航空钣金件无论其处于产品外部或是机内结构，都属于“生命件”，其质量都关乎人的生命。而且钣金件以及它们所组成的最终产品，始终代表着国家和行业的整体形象，维系着航空制品使用者的生命安全，而其质量则是这个形象的最重要的、最有力的支撑之一。飞机制造过程中有大量的钣金工件需要依据相关标准、工艺要求进行表面缺陷后处理修复，以保证航空器的高质量和高安全性。因此，只有改良钣金件后处理的工艺技术，通过采取科学的工艺、前沿的设备，加之合理、有效的管理，使表面缺陷修复技术实现机器化、智能化及主动化，从而达到完全、均匀、快速、安全地去除航空钣金件的表面缺陷。

参考文献

[1]杨汉,陈佳,兰勇等.数字化技术在航空钣金成形模具制造中的应用[J].航空制造技术,2012,17:60

[2]胡学弘,许方君.去毛刺常用方法分析[J].科技创新与应用,2014(6):83

[3]张惠生.机械零件去毛刺工艺的现状与发展[J].北京建筑工程学院学报,2001,17(4):58~63

作者：关军谢 永鑫 单位：航空工业陕西飞机工业