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1、激光切割技术在飞机样板加工中的应用单位:技术装备公司撰稿人:郭亚星日期:2016.07.06内容摘要本文主要结合贵飞公司技术装备公司样板加工实际，利用激光切割加工的特点，对比传统加工工艺，简述了数控激光切割技术的特点及与传统工艺的差异，重点阐述了在飞机样板加工中应用该项技术对产品质量、生产效率和经济效益产生的重大影响，并说明了广泛采用该技术的迫切性。主题词：飞机 样板 激光切割 数控切割 经济效益引 言我国航空工业系统目前已经广泛地采用CAD/CAM技术，大幅度提高了设计加工的效率和质量。但以目前国内和我们贵飞公司应用CAD/CAM技术和所达到的水平而言，我们的样板加工工艺方法相对落后，几十年
2、来几乎没有什么大的变化，从曾经辉煌的三线建设到如今合并后的腾飞的贵飞公司，我们的加工效率低，加工质量且切费用高。在模拟量与数字量传递并存，并且模拟量传递占很大比例的情况下，样板加工质量仍然是影响工装质量、零件质量乃至飞机总体质量的关键因素之一。另外样板加工效率低，往往也成为影响飞机研制进度和飞机交付进度的重要因素。因此，改变样板加工工艺是提高效率、提高产品质量、增加效益的一致要求和迫切要求。在样板加工过程中实现计算机辅助设计与辅助制造二者的结合是满足这一要求的正确方向，而采用数控激光切割技术是实现这一结合的极具希望的途径。1.激光切割技术概述 当激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于 0.1m
3、m），使焦点处达到很高的功率密度可超过106Wcm2)。这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄（如0.1mm左右）的切缝。切边热影响很小，基本没有工件变形。 切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。 大多数有机与无机都可以用激光切割。在工业制造
4、占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割（目前使用最先进的激光切割系统可切割工业用钢的厚度已可接近20mm）。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割（某些难切割材料可使用脉冲波激光束进行切割，由于极高的脉冲波峰值功率，会使材料对光束的吸收系数瞬间急剧提高）。 激光切割无毛刺，皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件（工件图纸也可修改），它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修
5、理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。 另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其精确、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层（热影响区），提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。2. 激光切割技术的特点和优势激光切割技术经过多年的发展，已成为一种以加工精度高、速度快，与CAD技术紧密结合为突出特色的广泛应用
6、的切割技术。我公司目前采用的激光切割机是G3015F光纤激光切割机，其切割性能优良。激光切割系统的加工特点：a:加工精度高，质量稳定。可满足各种有人机无人机机型，各类样板的加工精度要求。b:效率高。以每分钟3m的切割速度计算，每小时可加工820项样板。激光输出功率在2000W以上时，切割速度一般都大于3m/min。c:可达性好。适用于加工应用铣切方法无法达到、无法加工的地方（如样板视孔、补加与样板连接处夹角等）。d:可进行多种工序工作，如切割、开孔、划线、刻标记等。e:适合单件生产。f:适用于多种材料切割下料，如金属、非金属。g:可采用计算机对工件进行组合排样，材料利用率高，浪费极少，减少成本
7、。h:直接应用设计阶段生成的CAD数据集，实现CAD/CAM紧密结合。G3015F光纤激光切割机性能及特点我公司选用的是大族G3015F光纤激光切割机，采用交流伺服电机双边驱动的快速、高精度龙门式激光加工机。整机结构紧凑，外形美观，具有时代感，采用人机工程学设计，高度适中，操作方便。整体刚性好、精度及性能稳定。具备强大的切割能力、“飞一般”的切割速度、较低的运行成本、优异的稳定性、高质量的加工以及强大的适应能力等无可比拟的优势。a: 具有以下特点：智能加工，高速高精 运行成本低，光路免维护全新一代激光切割机，引领激光切割技术革命，开创钣金加工新时代G3015F光纤激光切割机性能参数:b:具有以
8、下优势:高速度 1mm不锈钢切割速度40m/min；0.5mm不锈钢切割速度100m/min。高性能 光纤传输，柔性加工，可实现任何形状的高质量切割，并适于切割铜、铝等高反材料。高效益 切割速度快，运行成本低，加倍回报您的投资。低气耗 激光产生无需发生气体；独有空气切割8mm不锈钢技术，无N2消耗。低能耗 节能环保，耗电量极低，是传统CO2激光切割机的20%-30%。低维护 无反射镜片，无需调整光路，基本免维护。3. 传统样板加工方法的不足传统的飞机样板加工方法主要依靠简单的车床或者手工锯、锉、修、刻入、划线、标记等操作完成样板加工工序。从三线建设，老云马厂和双阳厂开始，这种比较落后的样板加工
9、方法沿用几十年，直至近几年才购置了较先进的激光切割机，才得以解放生产力。传统的样板加工方法有以下缺点：a:加工精度低、质量难以保证。使用多年的简单机床和手工修锉、标记、划线、测量难以保证精度要求高的样板生产。 b:加工效率低。传统方法加工样板，每天每个模线设计员设计样板工艺图纸开始直至技术娴熟的技术工人加工出完整样板，再完成测量、手工刻入标记等工序，至少需要8个工时。加工效率落后激光切割加工10倍或者更高。 c:可达性不好。d:材料利用率低。浪费很大，不利于企业降本增效。4.技术经济效益分析a) 零件、工装质量将得到大幅提高应用传统工艺加工样板时，样板的积累公差大：按模线加工样板时，样板的积累
10、公差为：0.53（模线0.20+晒相0.10+样板加工0.20）。应用数控激光切割技术时，工序少，无积累公差，样板制造公差仅为0.1（数控激光切割机加工精度）。从以上不难看出，应用数控激光切割加工技术精度高、效率高，能为公司最大限度提高经济效益。b) 应用前景广阔我公司数控激光切割技术的应用还处于起步尝试阶段，且已经取得相当大的成功，能提高样板加工效率、加工精度，显著提高经济效益。很多形状复杂，应用现行加工工艺无法达到精度要求的样板，改用激光切割技术后，问题就迎刃而解了。在现在和以后很长的一段时间内，样板仍然将是工装和零件制造、检验、协调的基本依据，因此，样板精度的提高，对提高工装和零件的制造
11、精度，改善其协调性以及提高飞机整体质量都有重要意义。我公司对数控激光切割机需求还很大，未来在我公司具有广阔的发展前景。c) 提高加工效率，缩短新机研制周期a:在样板划线、切割、打磨、标记过程中，应用激光切割可提高效率100倍以上。目前数控激光切割机床切割速度可达20m/min。即使我们以2m/min的速度切割，以10m/min的速度划线打标记，切割边长为10m，划线长度为10m的大样板，仅需要6分钟即可完成，儿按照现在的传统工艺加工这样大的样板至少需要几十个工时。b:应用激光切割技术大幅度简化了样板加工的工艺过程传统技术与激光切割技术加工样板过程大有不同： 应用传统技术时的工艺过程如下;图板晒
12、相钻孔二底图晒相样板毛料喷漆样板晒相样板描图样板切割、打磨、钻孔、标记协调喷漆检验交付。 应用激光切割时的工艺如下：样板设计编程数控激光切割检验交付。比较以上两个工艺过程不难看出：应用激光切割技术省略了传统工艺不可缺少的二底图晒相、图板晒相及加工、样板晒相、描线等过程，节省了大量的加工工时。c:应用激光切割技术，在切削前可对样板进行组合排样，一次备料，连续加工，大大减少了准备工作量，大大减少了样板浪费。综合以上所述可知：应用激光切割技术加工样板，完全可能将加工综合效率提高10倍甚至更高。d) 经济效益显著应用数控激光切割机加工样板可以显著提高经济效益，这主要表现在以下几个方面：a、应用激光切割
13、技术之后，由CAD系统设计产品（PCM）或模线（MLO）时形成的CAD数据集（或叫CAD模型）将成为样板加工、检验的依据，即充分利用了已生成的CAD数据集，不再需要绘制、复制大量的聚酯模线，可因此节约大量价格昂贵的聚脂薄膜，以及大量复制工时。以JL9模线制作为例，2001年由十几位模线设计员自行设计绘制JL9理论模线500余平方米，按聚酯模线每米120元计算，共需要材料费720万元，数额巨大的材料加工费和工时费用我们还没有计算进去。如果大范围应用聚酯模线检验零件，所需要费用更大。采用激光切割技术之后，我们则不必要付出这笔费用中的绝大部分。b、应用激光切割技术加工样板，样板工作边的加工精度和工艺
14、孔的协调要求可以得到充分满足，因此不必要不必再晒制大量的检验图板。c、应用激光切割技术，可节约大量的工时费用。三线建设时期，我们的J7系列飞机所需要的样板制作所花费的工时超过150000小时。即使我们不以本文所述效率来对比计算，而是以最保守的综合提高加工效率5倍计算，可得到如下结果：新工艺所需要工时：1500005=30000h节约工时：150000 30000=120000h节约工时费：20元120000=2400000元d、巨大的间接经济效益：如果全面采用数控技术加工样板，加工差错减少，加工样板精度将显著提高，协调性将明显改善，因此将大量减少样板及工装返修工作量及工装与产品的报废损失，其数
15、额难以计算，但其数量巨大是不容置疑的。 由于样板加工效率提高，钣金分厂的生产进度得到可靠保证，从而使公司的生产进度得到有力保证。3.5 在飞机生产中的多种应用除了样板加工以外，激光切割技术还可以用于以下工作：a、 金属薄板料与非金属材料下料。可弥补相关厂部铣切下料的不足，也可满足非金属厂部下料的需要。b、 进行化铣零件化铣余量划线或保护层切割。5. 大规模普及数控激光加工技术的急迫性我公司订单数量不断增加，外协项目也成倍增加。为了搞好已有的有人机和无人机，保证外协项目的产品可靠性，才能不断扩大外协规模，吸引更多的合作伙伴，必须使我们的加工技术不断提高，使我们的产品更有吸引力。公司近几年的大量订单已成为事实，这对我们公司是机遇也是挑战。除了要在设计中大量采用高新技术之外，在制造中也要改善传统的加工方法，采用高新技术，高精度设备保证产品制造精度。激光切割技术正是满足这一需要的技术设备。6. 结束语综上所述，激光切割技术是一项适用于飞机样板加工的技术。该技术在样板加工中的应用的提高，将显著提高工装、零件及飞
