短梁

梁类零件属于典型的飞机结构件，根据尺寸范围一般将梁分为长梁类零件及短梁类零件，长梁类零件在飞机机翼中主要起承力作用，而短梁类零件主要起连接作用。对于长梁类零件的加工工艺研究较多，谷妍、安卫星针对细长梁类零件变形控制进行了工艺方法的研究应用，孙伟娜针对薄壁梁零件开展了工艺技术研究，王金海、姜晓伟针对钛合金梁开展了工艺技术研究，这些研究使得长梁类零件的工艺方案设计、加工参数设置、变形控制等技术趋于成熟，而针对短梁类零件开展的工艺技术研究较少。本文针对某机型短梁类零件难以满足生产交付计划的问题，开展关键工艺改进及生产流程改进，提高加工产出效率，以达到均衡生产模式、满足项目零件按时交付的要求。

1 加工现状

(1)工艺方案分析

某机翼部件短梁类零件的典型结构如图1所示，材料为7050-T7451铝合金，长度尺寸范围为320-740mm，宽度尺寸范围为120-250mm，高度尺寸范围为20-54mm，壁厚最小1.5mm。该类零件共涉及18项零件，每批次需加工270件。

图1 典型零件结构

经分析，该批零件的工艺方案设计存在以下问题：①装夹方式不统一，换模时间长。没有专用夹具，所有数控工序全部在自制铝板上打孔进行定位装夹；定位方式有Φ10孔定位、Φ12孔定位、边找正等方式，找正效率低；压紧方式有标准压板、异形压板等，导致生产现场要不停进行生产准备以适应不同零件的加工，甚至自制许多异形压板。②刀具品种多，生产准备效率低。对于相似零件，工艺技术人员选用的刀具规格不统一，导致同一机床加工几个相似零件时，往往要准备几套不同的刀具及刀套，极大地增加了生产准备时间。③表面质量差，打磨工作量大。改进前的零件加工表面质量差、残留多、工艺搭接凸台去除量大等问题普遍存在，基本需100%面积进行钳工打磨。

(2)生产排程分析

零件的生产排程现状一般为每批次投产加工时安排3台机床进行加工，每台设备安排一定项数的零件，零件的正反面特征封闭在某台设备上完成。表1为该批零件改进前数控加工基础数据表，可以看出3台加工设备的生产节拍不一致，设备NBP-1000A产出周期230H、节拍为3.28H/件；设备VMC1100产出周期143H、节拍为1.79H/件；设备KVC800MA产出周期343H、节拍为2.86H/件，3台数控机床共占用716H。

表1 改进前加工基础数据表

该问题导致零件产出不均衡，一些机床产出较快，而一些机床产出较慢，整批零件没有实现均衡产出，导致总生产周期较长，无法准时交付。因此，开展基于均衡生产的工艺流程改进，从而缩短制造周期，是解决问题的关键。

2 关键工艺优化

(1)装夹方式改进

为提高装夹效率，根据零件结构特征设计了专用夹具替代现场大量的自制垫板，并满足通用化装夹要求，实现零件“快装快卸”，减少换模时间。如图2所示，该工装由工装底板、M12螺钉、Φ12定位销和Φ12定位键槽四个主要结构特征组成。

图2 通用夹具结构

该工装将定位、压紧方式进行了标准化统一，实现了18项零件在该工装上的全部装夹，节省了换装时间，大幅降低了生产准备时间，单件零件的平均装夹时间由30分钟降低为5分钟，提高了装夹效率。

(2)刀具标准化选用改进

将所有零件选用的刀具经过整理后，减少刀具使用规格，所有零件全部使用一套规格刀具加工，只需一次刀具配送即可实现所有零件的数控加工，解决了反复准备刀具带来的生产效率低及刀具成本高问题。如图3所示，优化前18项零件共选用18个规格的刀具，优化后刀具规格品种减少到6种。

(3)基于均衡生产的工艺编程改进

改进前三台机床分别负责加工部分图号零件的正反面特征，改进后将加工设备由三台减少到两台，第一台负责加工所有零件的第一面，第二台负责加工所有零件另一面。为满足生产节拍均衡，实现两台机床之间的加工转换无停顿，必须做到每个零件的两面加工时间接近，则第一台机床加工后可以立即转入第二台加工，生产节拍基本实现均衡生产。

图3 优化前后刀具品种表对比

基于上述要求，工艺方案做了如下标准化改进：数控加工第一面内容包含底面修基准面、铣轮廓(见图4a)，加工第二面内容包含粗精铣内腔、腹板及筋顶(见图4b)，将连接筋放在顶部，该调整方案将原方案中第一面的部分内容改到第一面加工，实现两面加工内容均衡，达到加工时间均分的目的。

(a)

(b)

图4 工艺编程改进

改进后数控设备由3台减少为2台，零件在设备NBP-1000A加工完第一面后转入设备VMC1100加工，经数据采集统计得出设备NBP-1000A产出周期175H、平均产出节拍为0.65H/件，设备VMC1100产出周期187H、平均产出节拍为0.69H/件，生产节拍较改进前更为均衡，共占用三台数控机床362H，生产周期缩短，大幅提升了零件产出效率。改进后加工基础数据见表2。

表2 改进后加工基础数据表

(4)实施效果验证

零件优化后投产新批次共270件零件，经过生产现场加工及数据收集，数控加工节省了总加工时间，加工效率平均提高44.8%。零件经优化加工后基本实现仅工艺搭接处打磨及局部打磨抛光，其余部位保持加工后状态即可进入验收状态，打磨面积由100%降低到平均15%，单件平均打磨时间约为12分钟，钳工打磨效率平均提高82.61%。另外，优化改进后将工装、刀具全部进行统一，大幅降低准备工装及刀具的时间，一次准备即可实现所有零件的加工，机床主轴利用率显著提升。

小结

针对短梁类典型飞机结构件面临的生产交付问题，以均衡生产为目标，从工艺编程、工装夹具、刀具应用等方面开展了研究应用。经过实际验证，改进后零件交付周期明显缩短，生产节拍更为均衡，表面质量及钳工打磨等指标也同期明显改善，具有很好的应用推广价值。

原载《工具技术》 作者：陈代鑫