石卫东1 粟晓彤2
中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市 710089
[摘要]飞机结构中一些零件毛料为扁平挤压型材，该零件毛料单边最小余量仅0.8mm。传统加工方法采用加工过程中窜压板、下陷涂石膏，这种方法存在加工效率低、零件表面光度差、加工残留多和钳工工作量大等不足。在同一平台上完成两个工位加工，毛料、零件装卸的周转效率低。为此，运用精益学中PR/PQ分析方法，应用长桁铣高速机床对工艺流程优化，将精益生产贯彻到该小批量零件生产加工中，实现提高生产效率、改善加工环境、减少零件周转距离和降低钳工劳动强度等目的。
关键词：扁平类挤压型材、PQ/PR分析、高速机床、工艺流程
引言
飞机结构中缘条类、长桁类零件一般采用挤压型材，整体为细长柔性结构，零件截面大致可分为“L”形、“T” 形、“τ”形、“工”形、“Z” 形和“一”形六种，见图1.1。采用等截面挤压型材能降低原材料成本，同时减少加工量提高加工效率。这种细长柔性结构零件在飞机中大量存在。
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以波音737-700项目破损缘条零件为研究对象，中航工业西飞在波音该项目中承担了破损缘条零件月产64件的任务。该零件具有截面细长、腹板薄和公差要求严格的特点，见图1.2。毛料为扁平类挤压型材，由于毛料余量小（单边最小0.8mm），零件截面图见图1.1中“一”形截面，属于双面结构。传统方法分两个工位加工，加工过程中窜压板、下陷涂石膏，可较好保证薄壁腹板尺寸公差。这种方法存在加工效率低、粉尘污染环境、零件表面光度差、加工残留多和钳工工作量大等不足。本文中将对该类“一”形截面的挤压型材零件加工流程进行研究，以从精益加工角度提高零件的加工效率、降低工人劳动强度。
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2 原因分析
应用精益生产中PQ/PR分析，在缘条铣机床加工的破损缘条属小批量加工，传统的加工方法对工人技能要求较高，人工干预程度大，人为因素出错概率大。零件轮廓半径4.826mm的四分之一圆角需人工保证（如机床加工圆角会影响工位2涂石膏效果，导致真空失效零件尺寸超差），对钳工技能要求较高。目前单件数控加工环节周期为5小时，钳工周期为1.5小时，该加工方案已无法满足月产64件需求。
现从加工设备、刀具、工装辅助工具等找出传统的加工过程影响整体加工周期的环节，同时探索影响产品表面光度及质量因素，因果关系鱼刺图如图2.1所示。
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从因果鱼刺图可以看出，影响数控加工周期主要原因在于：
1)传统加工方案落后。需人为多次干预加工，数控节拍经常被打断，加工效率难以提升；
2)零件下陷涂石膏影响单件加工周期。同时增加了工人劳动强度，且对周围环境造成污染；
3)零件未加工到的圆角。采用人工打磨圆角方法落后且代价高，体现在时间成本和废品成本，工人心理压力大；
4)原始刀具选用不合理。粗加工选用直径较小刀具，不利于提升效率。直径小的刀具刚性不足，加工时易发生颤振，零件表面光度差。
3 改善零件加工周期的方法
针对影响零件加工周期的主要因素，从机床、刀具、工装（含辅助用具）、加工参数、装夹方案、加工方案等方面考虑。目的在于减少人工干预程度，取消加工中窜压板、下陷涂石膏方法等效率低的方法，以降低生产的时间成本、人工成本和污染环境。本次优化目标提升40%数控加工周期，提升60%钳工打磨周期。具体优化措施如下：
（1）机床选用。原方案中机床行程40米，常用于多工位加工，各工位加工与相邻工位加工准备互不影响，加工效率高。由于该机床主要承担737-700垂尾项目月产54项后缘条加工，生产能力严重不足。出于减轻原机床生产压力，提升零件加工效率，选取先进的长桁铣机床，专为细长柔性零件加工的长桁铣床，具体参数见表3.1。从表中可看出，优化后机床具有高的加工进给，充足的换刀刀位，可以自动测刀、自动找正，基于这些功能，自动化无人工干预加工即可实现，大大提升加工效率，减少辅助占机时间。
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（2）装夹方案优化。原加工方案采用真空平台，两个工位均采用螺栓压板，在二工位加工过程中需窜两次压板。一工位下陷需用石膏补充，满足二工位真空吸附条件。此方案存在很多问题：多次窜压板加工打断生产节拍，影响加工效率；涂石膏加工污染周围环境，且对工人技能要求较高；单一工装加工时半成品零件放置不合理，与毛料存放路径重复。
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优化后的装夹方案有如下优势：
工位1工装可提供如图件和对称件的铣削平面、下陷加工；
工装为整体铝合金板材，工装底部为燕尾槽，工装可直接在长桁爪钳上固定，实现快速装卸工装，节约准备时间。同时一体化工装在加工细长零件腹板壁厚时易一次保证，避免了分段加工壁厚，大大提高精加工效率。
工位1采用真空吸附+螺栓压板，可对图1.2中全长圆弧角进行仿形加工，无需考虑真空吸附问题；
工位2铣具仅需局部真空，毛料四周按零件结构均布27个M8内六角螺栓，实现δ2.5±0.12薄腹板的稳定加工，可一次装夹完成二工位所有结构加工；
（3）在选取刀具时，根据零件特点多采用大直径刀具小悬伸量刀具，有利于提高加工转速与进给。例如在实际加工时，φ8的平底铣刀在悬伸40mm时，ap为1mm，ae为8mm，最大加工进给1500mm/min，当悬伸37mm时，同样切削量，最大加工进给2400mm/min。
高速钻孔时，采用整硬合金U钻，可大幅提高钻孔效率。
将原粗、精加工使用的φ20R5的整硬合金铣刀替换成φ25R5，同样的切削参数下，可提高材料去除率25%。同时优化后刀具底刃有修光刃，加工表面光度提高。
（4）对程编加工进给参数优化。程编中利用PBZ机床快进给特性，多采用小切量大进给参数。采用Vericut等体积优化速度对空走刀路进行提速，对切削瞬间过载提前降低切削速度。
（5）通过西门子840D程序调用，分别将两个工位程序串联起来，可实现单个工位的无人工干预自动化加工。
4 提升效果
经过对原加工方案进行系统优化，从机床选用、工装方案设计、刀具选用、进给参数优化和程序自动串联调用。优化后的数控加工时间与钳工打磨时间优化已达预期目标，具体见表4.1。
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同时对生产布局进行精益优化，改善了单一工装加工时半成品零件放置不合理，与毛料存放路径重复问题。改善后现场布局见图4.1。
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5结论与展望
本文对扁平类型材零件加工提供思路，在专为细长型材零件铣削设计的高速长桁铣机床上，从生产布局、一体式工装设计、装夹方式、刀具选取、加工参数优化和自动化加工方面考虑，以减少人为干预程度、降低工人劳动强度，提高生产效率，建立制造流程的标准化，改善工人工作环境为目标。现阶段零件制造周期相较原制造流程有大幅提升，仍存在诸多不足之处，需进一步提升。
1)粗加工材料去除效率不够，未充分发挥机功率。目前粗精加工采用同一把刀具，该刀具底刃有修磨零件作用，铣切表面质量好，缺点是粗加工效率低。
2)设备利用率不高。优化方案中用到的机床为动平台，封闭式加工，装卸零件时机床出于停机状态；
3)目前尚未实现双工位串联加工。后续待二工位腹板尺寸加工彻底稳定，通过机床自动找正实现两工位串联自动加工。
参考文献
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