民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷的工程處置研究

孫競(jìng)偉

【摘 要】鈦合金蒙皮成型表面缺陷是民用飛機(jī)制造過(guò)程中的常見(jiàn)偏離問(wèn)題。本文研究了某民機(jī)的鈦合金蒙皮成型技術(shù)特性，梳理了結(jié)構(gòu)修理中鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題的分析思路和處置方法，提出了民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題的工程處置流程。以某民機(jī)APU艙門鈦合金內(nèi)蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題為例，說(shuō)明了該分析研究在結(jié)構(gòu)修理有一定的工程指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】鈦合金蒙皮；成型表面缺陷；工程處置

蒙皮是民機(jī)結(jié)構(gòu)的主要組成部分。蒙皮形成飛機(jī)外形，飛機(jī)在承受空氣動(dòng)力作用后，通過(guò)蒙皮將作用力傳遞到機(jī)身骨架上。因此，對(duì)于蒙皮而言，不僅要求蒙皮具有較好的強(qiáng)度和塑性，還要求蒙皮表面光滑，滿足氣動(dòng)要求。

鈦合金同其他結(jié)構(gòu)金屬相比，具有比強(qiáng)度高和耐腐蝕性能好兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)中。但鈦合金機(jī)械加工困難，成本比較高，在生產(chǎn)制造過(guò)程中表面容易產(chǎn)生劃傷、擦傷、刻痕、碰傷、磕傷等損傷情況，對(duì)其性能產(chǎn)生一定影響。

本文在對(duì)民機(jī)鈦合金蒙皮特性進(jìn)行了一定研究，并在此基礎(chǔ)上提出了鈦合金蒙皮表面損傷問(wèn)題處置流程，并將該流程應(yīng)用到某民機(jī)APU艙門鈦合金內(nèi)蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題的工程處置之中。

1 鈦合金蒙皮成型的主要特性

在國(guó)內(nèi)，機(jī)身蒙皮應(yīng)用較為廣泛的材料有鋁合金、復(fù)合材料、鈦合金、不銹鋼等。隨著我國(guó)航空工業(yè)的不斷發(fā)展，鈦合金材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用不斷增多，尤其是用于飛機(jī)蒙皮材料，相對(duì)于傳統(tǒng)鋁合金材料，鈦合金能收到大幅度減輕飛機(jī)重量的效果，而減輕重量又可以提高飛機(jī)飛行性能，從而降低民用飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本。另外，當(dāng)接觸表面溫度普遍高于200℃是，鋁蒙皮已經(jīng)不再適用，需要用鈦合金取代。

蒙皮的表面成型效果對(duì)其結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)性能以及飛機(jī)外觀和使用壽命有很大影響。鈦合金薄板件在成型過(guò)程中對(duì)模具的表面質(zhì)量和周圍環(huán)境有很高的要求，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和檢查，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生表面損傷問(wèn)題。

我國(guó)的鈦合金生產(chǎn)和應(yīng)用中，Ti-6Al-4V占主要地位，由于受到制造技術(shù)的限制，鈦合金蒙皮在航空工業(yè)中的應(yīng)用任然存在阻礙。Ti-6Al-4V合金板材具有一定的沖壓工藝性能，可以再加熱狀態(tài)下形成各種形狀的零件，但對(duì)于薄板曲面零件而言，容易由于不均勻冷卻產(chǎn)生翹曲和殘余應(yīng)力。若對(duì)鈦合金蒙皮成型過(guò)程中產(chǎn)生的表面缺陷不能妥善處理，則零件該零件的強(qiáng)度、外觀和功能都會(huì)受到影響。

本文中所涉及的APU艙門內(nèi)蒙皮是作為直接與APU艙內(nèi)高溫區(qū)域接觸的防火材料，因此其選用材料為Ti-6Al-4V。由于APU艙門內(nèi)表面外形為曲面，因此選用拉伸成型的方法對(duì)其外形進(jìn)行加工。在加工過(guò)程中，由于模具表面粗糙度和周圍環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題，以及加工工藝參數(shù)不成熟等問(wèn)題，使得該鈦合金蒙皮在成型后表邊出現(xiàn)點(diǎn)蝕、橘皮和波紋度超差等缺陷。

2 表面損傷處置流程

在了解鈦合金蒙皮表面成型特性的基礎(chǔ)上，可以對(duì)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)修理方法進(jìn)行分析和研究，總結(jié)該類問(wèn)題處置的一般流程，見(jiàn)圖1。

對(duì)于鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題，首先要判斷該缺陷是何種類型的缺陷，一般的缺陷類型有三種，即凹坑、凹陷和波紋度超差。

波紋度超差這類缺陷，首先根據(jù)超差所處區(qū)域判斷該處超差是否能滿足功能性要求，如果對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)外形影響可接受且滿足功能性需求的前提下，則認(rèn)為該波紋度超差的缺陷可以接受。如果不能滿足功能性要求或者對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)外形影響不可接受，則需要對(duì)波紋度超差區(qū)域進(jìn)行校形。

凹坑和凹陷這兩種類型的缺陷，首先應(yīng)判斷該缺陷處蒙皮是否已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，如果沒(méi)有產(chǎn)生裂紋則對(duì)缺陷處進(jìn)行打磨，打磨范圍和打磨半徑需滿足工藝文件要求，并在打磨后按原圖紙要求進(jìn)行表面保護(hù)。

對(duì)于的三種缺陷情況，若是在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷處出現(xiàn)裂紋，則必須去除蒙皮上裂紋區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行后續(xù)修理以及強(qiáng)度校核。若不滿足強(qiáng)度要求，則需要對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)處理，如用加強(qiáng)板對(duì)該缺陷區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)等。補(bǔ)強(qiáng)后再次進(jìn)行強(qiáng)度校核，以及補(bǔ)充氣動(dòng)校核，并對(duì)氣動(dòng)校核不滿足的區(qū)域進(jìn)行填平處理，直到滿足強(qiáng)度和氣動(dòng)要求為止。最后再對(duì)修理后的表面按工程需要進(jìn)行表面保護(hù)。

3 應(yīng)用案例

某民機(jī)APU艙門鈦合金內(nèi)蒙皮表面存在多條波紋，波峰波谷最大深度0.3mm，且在非波紋區(qū)域有兩處凹坑，深度0.2mm，一處凸起，高度0.2mm，材料厚度無(wú)減薄，缺陷情況如圖2所示。通過(guò)工程分析，缺陷產(chǎn)生的主要原因?yàn)樵撯伜辖鹈善ぴ谥圃爝^(guò)程中由于加工工藝不成熟導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)分析，結(jié)合問(wèn)題產(chǎn)生的原因，明確了如下結(jié)構(gòu)修理方案。

首先對(duì)波紋度不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行校形，以減小波紋度缺陷，并對(duì)凹坑和凸起處進(jìn)行打磨，打磨范圍包括打磨長(zhǎng)度、打磨寬度和打磨深度，打磨范圍要覆蓋碰傷區(qū)域。校形及打磨后，對(duì)校形區(qū)域、凹坑區(qū)域和凸起區(qū)域分別進(jìn)行裂紋檢查，通過(guò)檢測(cè)報(bào)告發(fā)現(xiàn)，缺陷區(qū)域并沒(méi)有出現(xiàn)裂紋。然后對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，打磨深度占零件總厚度的百分比較小，對(duì)強(qiáng)度的影響可接受。最后再對(duì)工程處置后的蒙皮外形進(jìn)行氣動(dòng)性能評(píng)估，由于該鈦合金蒙皮應(yīng)用于飛機(jī)的內(nèi)表面，對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能無(wú)影響，故可以判定可以使用因此，經(jīng)過(guò)一系列分析評(píng)估，可以使用校形和打磨的方案對(duì)該損傷問(wèn)題進(jìn)行工程處置。

4 結(jié)語(yǔ)

表面損傷問(wèn)題是民用飛機(jī)蒙皮的典型制造偏離之一。本文在探討鈦合金蒙皮成型表面特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的分析，總結(jié)歸納了民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題在結(jié)構(gòu)修理中的一般處置方法，提出了民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題處置流程。在實(shí)際的工程處置過(guò)程中，該分析研究可以為鈦合金蒙皮成型表面缺陷問(wèn)題處置提供清晰的思路和方法，提高該類結(jié)構(gòu)制造偏離的處置效率。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint